基于多重移位复用的轴承健康监测报警存储方法研究

2023-07-27颜丙生张柏李奇刘兆亮刘鹏飞

机床与液压 2023年13期

颜丙生，张柏，李奇，刘兆亮，刘鹏飞

(河南工业大学机电工程学院，河南郑州 450001)

0 前言

可倾瓦滑动轴承因具有高负载、低摩擦、运行稳定、可自动调节等特点，广泛应用于旋转机械。在高速重载工作环境下，任何早期轴承故障都可能会引发灾难性事故。为保证安全生产，需要开发轴承监测系统[1-5]。报警存储是系统的核心，主要用于监测异常数据和自动记录报警前后一段时间内的数据。

1986年，美国国家仪器公司(NI)提出虚拟仪器这一概念，它集现代计算机技术、通信技术和测量技术于一身[6-7]。目前国内外主要通过虚拟仪器来搭建监测系统。闫鑫等人[8]根据存储式测试方法，利用LabVIEW平台构建用于逻辑信息获取和处理的虚拟逻辑分析系统。江弘杰、贾维敏[9]通过API函数库和SQL数据库完成数据采集和存储系统设计，保障了数据存储率。DU、 DONG[10]使用虚拟仪器集成应用GPS、AHRS等构建一套道路测试系统。SHEN等[11]着眼于动态测量，设计了多通道并行动态测试虚拟仪器系统。VILLANUEVA-LPEZ等[12]基于LabVIEW开发了红外激光光谱测量系统。传统存储方式易造成缓存时间长度变化、数据丢失等问题[13]，将LabVIEW与其他软件结合存在不兼容、影响系统运行等问题，需要研究其他方法完成报警存储。

针对上述问题，本文作者结合多个移位寄存器、队列和循环索引提出一种基于多重移位复用的报警存储方法，并进行实验验证。

1 系统架构

1.1 监测系统整体结构

监测系统服务于某研究所生产的径向五瓦可倾瓦滑动轴承[14]，硬件整体结构如图1所示，主要由采集装置(传感器、采集卡、采集卡机箱)和显示装置(上位机)组成。通过布置多点位多类型传感器对可倾瓦滑动轴承进行实时监测。

图1 硬件整体结构

监测系统整体框架如图2所示，分为硬件驱动、信号采集、分析、存储、回放、报警、定时报表七大模块，其中存储模块分为趋势存储、手动存储以及报警存储3种。趋势存储用于趋势图的绘制，方便观察所有被测量物在工作状态下的变化趋势；手动存储是对采集过程中需要存储的信号执行手动操作，对所有原始数据进行保存；报警存储需要实现将发生报警时以及报警前后10 s内的原始数据进行自动存储。相较于趋势存储和手动存储，报警存储用于分析报警原因，要求和实现方式更为复杂。

图2 监测系统整体框架

1.2 报警存储时长计算

报警存储作为分析报警原因的重要方式之一，每次报警均需要存储单独文件。应用户需求，常规报警存储时长21 s。根据不同的报警类型，报警存储时长会发生变化。具体计算过程如式(1)：

(1)

其中：T表示报警存储时长；A表示报警前时间长度(A<10取A，A≥10取10)；B表示报警次数；C表示报警总间隔时长(Cn表示相邻报警间隔时长，Cn≤20，n=B-1)。由式(1)可知报警存储时长最小值为11 s，最大值由实际报警情况决定。

1.3 多重移位复用算法设计

移位寄存器可以在循环之间传递值，常见于循环两侧，位置相对。右侧接线端用于存储每次循环结束时的数据并传递到左侧接线端，作为下次循环的初始值[15]。利用移位寄存器的短暂存储特性，通过在循环左侧连续布置多个移位寄存器，扩大存储时长是多重移位复用算法的基础。算法流程如图3所示。

图3 多重移位复用算法流程

2 多重移位复用报警存储实现

2.1 数据获取

设置采样时钟内部采样数等于各通道采样率之和，信号采集所在循环每秒循环一次，根据这一特性可以控制只存储报警前后10 s的数据。如图4所示，以加速度信号数据获取方式为例进行说明。将循环左侧21个布尔型移位寄存器与“或”函数并联，发生报警时触发报存，保证常规报存触发时间为21 s；循环左侧11个数值型移位寄存器依次连接，从最下方移位寄存器中导出数据，即当前循环10 s前所采集的信号数据。

图4 加速度信号数据获取

监测系统发生报警后，报存触发，此时10 s前加速度信号数据通过队列进入存储所在循环，执行报警存储。21 s后，加速度信号数据对应报存刚触发10 s后数据，通过队列进入存储所在循环，报存完成。发生连续报警且间隔小于20 s时，报存触发时长与式(1)计算一致。报警前监测系统运行不足10 s时，对应加速度信号数据输出为0，报存触发时长虽为21 s，但是前期无数据存储，实际存储时长仍与式(1)一致。

2.2 数据存储

数据获取和数据存储处于不同循环，如图5所示，采用生产者消费者结构中的元素入队列和出队列实现数据传输。将不同类型、不同状态的数值、数组、布尔等捆绑成簇，将簇输入元素入队列，元素出队列后解除簇捆绑得到各类数据。数据遵循先进先出的原则，当内存被挤满时系统就会报错，可以防止数据丢失。数据采集和存储速度需要把握，最好的状态就是完全同步[16]。

图5 队列传输

存储格式采用TDMS，它以二进制数据类型进行存储，读写速度快、占用硬盘空间小。图6是报警存储子VI控制TDMS文件的条件结构。将“creat”和“close”均与图4“alarm”关联，触发报警后，“alarm”执行真，2个条件结构均执行真分支。创建TDMS文件，不执行TDMS关闭，数据进行存储；报警结束后，“alarm”执行假，2个条件结构均执行假分支，TDMS关闭，报警存储结束。

图6 数据存储执行方式

在后续程序调试过程中报警存储出现报错，原因是触发报警后，“creat”短时间内触发条件恒为真，同一个文件每秒都会被打开一次，占用一定运行时间。以默认采样率为例，每秒存储29 400个数据点，数据量庞大，数据存储速度低于数据采集速度，导致程序报错。针对这一问题，提出“左二右一法”来确保在报警存储过程中同一TDMS文件仅打开一次。如图7所示，修改报警存储“creat”触发条件，将左边第一个寄存器连接“与”函数，第二个寄存器取“非”后连接“与”函数，初始附加“F”，输出结果连接“creat”，右边移位寄存器通过队列连接“alarm”输出结果。报警触发后，左边第一个移位寄存器输出“T”，第二个移位寄存器取“非”后也输出“T”，“与”函数输出为真，“creat”触发条件为真，创建TDMS文件，开始进行报警存储。1 s后，“T”经左边第一个移位寄存器传递到第二个移位寄存器，取“非”输出“F”，“与”函数输出为假，TDMS文件不再打开，执行第一次创建的文件输出。报警结束后，通过 “close”控制TDMS文件关闭，报警存储完成。存储文件以当前时间命名，便于实验人员及时找到所需报警信息。

图7 三种存储方式

3 实验验证

图8是实验测试现场，为验证多重移位复用报警存储的适用性，将7块NI采集卡插入机箱，通过网线与主机进行数据传输，加速度传感器连接至NI-9234采集卡0通道，设置该通道振动烈度报警值为10 mm/s。分别验证3种状况下轴承监测系统报警存储的对应结果。

图8 实验测试现场

(1)常规报警

在监测系统正常运行一段时间后(超过10 s)，对桌面施加一定激励，振动烈度大于10 mm/s触发报警，10 s后停止采集。进入数据回放界面，根据文件名称找到该报警存储文件进行数据回放。箱体振动趋势回放结果如图9所示，趋势图中每秒取一个数据点，可以看到报警发生在15：12：19，报警前后各有10个数据点，趋势图从15：12：09持续到15：12：29，对应21个数据点，持续21 s，符合常规报警存储要求。