基于LabVIEW的机电设备状态监测与故障诊断系统

２００８年第７期

仪表技术与传感器

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ

ａｎｄ

Ｓｅｎｓｏｒ

２００８Ｎｏ．７

基于ＬａｂＶｍＷ的机电设备状态监测与故障诊断系统

佟俐１，潘宏侠１，胡

田２

１１．中北大学机械工程与自动化学院。山西太原０３∞５ｌ；２．北方自动控制技术研究所。山西太原０３∞５１）摘要：为了适应工业自动化的迅速发展，将ＬａｂＶＩＥｗ技术应用到电机的状态监测与故障诊断技术中，实现了硬件和软件资源的共享，快速、灵活地组建了各种自动测试系统，通过利用虚拟仪器的强大功能和灵活、直观的编程语言来进行信号的分析、数据的处理、存储以及图形化显示等工作，初步开发出一个完整的设备状态监测与故障诊断系统。试验结果表明，该系统可以对机电设备的状态起到了很好的状态监测和故障诊断作用。关键词：Ｉ丑ｂＶＩＥｗ；状态监测；故障诊断；虚拟仪器

中图分类号：吼７７；啪１２

Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２一１８４１（２００８）ｃｒ７—００３４一０２

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Ｏ引言

可编程的数据采集、状态监测和数据分析处理系统。硬件结构如图ｌ所示。

随着现代工业和科学技术的迅速发展，机电设备的大型化、连续化、高速化和自动化在带来生产率提高、成本降低，能源节约的同时，设备故障的潜在可能性和方式也相应增加。一旦发生故障，就有可能破坏整台设备甚至整个生产过程，造成巨大的经济损失、重大的人员伤亡。因此，应用状态检测和故障诊断技术对机电设备进行监测诊断，可以及早发现和预测设备中存在的微小故障并及时采取补救措施，以降低维修成本、缩短维修时间并提高设备运行的安全性与可靠性，对于设备的长期使用和提高设备的使用效率具有重大的现实意义。

传统的测控仪器由于费用高、技术更新周期长、系统封闭等原因，越来越不能满足科技进步的要求。而计算机为核心的虚拟仪器，其功能可由用户自己定义，技术更新快，价格和软件开发维护费用低，具有开放性、灵活性、可重复用和重配置的优

圆一圆一圆一圈一圈

圈ｌ系统硬件构成田

系统采用了ＣＡ—ＹＤ一１０３的３２００、３１９３型加速度传感器；数据采集卡选用了６０２４型ＮＩ多功能数据采集卡。１．２软件构成

该系统具有状态监测和分析功能，实现了２通道的数据的高速采集、动态显示和实时分析。利用软件系统的时域分析、频域分析等方法对设备进行了状态监测和故障诊断，如图２所示。

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圈２系统软件构成图

点。利用鼬ＶＩＥｗ软件开发出来的此监测与诊断系统，实现

了对机电设备的状态监测与早期故障诊断，充分地发挥了虚拟仪器技术的优势，使测试精度、稳定性和可靠性都得到了充分保障。ｌ总体设计１．１硬件总体设计

设备状态监测与故障诊断系统的硬件是以微机为核心的

基金项目：山西省留学回国人员科研基金资助项目（２００５１０３０）收稿日期：２００７一∞一２７收修改稿日期：２００８—０２～０９

２系统程序设计２．１数据采集模块

数据采集是Ｌ丑ｂＶＩＥｗ最基本的功能之一。模拟信号数据

采集是其中ＤＡＱ模块中的一个主要功能，为用户提供了功能强大且方便快捷的信号采集解决方案。而ＤＡＱ中的中高速数据采集、特殊采样、同步模拟Ｉ／Ｏ是ＤＡＱ中的难点。系统采用模拟信号输入部分的ＡＩｌａｌｏｇＩｎｐｕｔ函数中的中级函数对硬件进行控制，完成数据采集，其程序框图如图３所示。

第７期佟俐等：基于Ｉ丑ｂＶＩＥｗ的机电设备状态监测与故障诊断系统

３５

图３数据采集程序框图

由于在该信号采集系统中需要采集的信号是几Ｋ以上的中高速信号，所以必须让ＤＡＱ设备进行很多限时工作。通过采用缓存技术（为保证采集到的数据不丢失，缓存的大小至少应为扫描率的２倍，系统中将缓存设置为扫描率的ｌＯ倍），不仅可以实现中高速连续数据采集，还能够获得较高的程序性能。为了保证能够将采集到的大量数据完整地保存在磁盘上，应采用高速磁盘流技术口１将采集到的数据实时地记录到硬盘上，便于以后可以进行数据的回调查看和分析。２．２数据分析模块

数据采集模块可以动态的显示在线信号波形，并将采集得到的数据存为文件，使用Ｆｕｎｃｔｉ∞ＦｉｌｅＬ／０Ｒｅａｄ如ｍ

最后得到可进行诊断的数据，其程序框图如图５所示。

图５数据处理程序框图

３人机交互界面

ｓ呻ｈｅｅｔ

系统采用了模块化的设计思想，每个功能由独立的模块完成，从而实现了数据的采集、分析与处理。整个系统主要由数据采集模块、数据分析模块和数据处理模块组成。３．１数据采集面板

该模块的功能是实现多通道的数据采集。采样前首先应设置数据文件保存路径、采样频率、采样点数、通道号等参数。数据文件保存路径是为了便于数据文件的管理和分析，决定了采样数据的存放的位置，可通过右侧的浏览键选择，也可以在路径框中直接输入路径名。该模块能够实时地显示采集到的数据。可以多通道同时显示信号波形。采集数据的存储按每个通道为一列，存放在一个文件。数据采集面板如图６所示。

ｆｉｌｅ．“模块读取已保存的文件数据，经过去均值预处理，分别显示数据的时域和频域波形，时域波形时间轴的间隔为采样频率的倒数，而频域波形频率轴间隔为采样频率除以采样点数。为了便于监测还同时显示了数据的有效值和波形指标。其程序框图如图４所示。

圈４数据分析程序框图

２．３数据处理模块

基于共振解调技术ＨＪ，该模块的信号处理部分主要包含以下个步骤：带通滤波、包络检波、低通滤波。采集所得到的时域信号经过带通滤波模块之后进入包络检波；包络检波包括２个模块：ＨｉｌＢｅｒｌ变化模块和直角坐标到极坐标变换模块，将实信号和其Ｈｉｌｂｅｒｔ变换构成解调信号；然后通过一个低通滤波器，

３ ２数据分析面板

图６数据采集面板

（下转第４９页）

第７期

李享元等：分布式电缆沟槽温度监控系统

４９

一个下位机数据后，打开串口０中断，在规定时间内等待上位机命令，当上位机发送请求命令时触发下位机的串口中断，使下位机立即响应上位机的请求，将所有测温终端的数据上传给上位机。

４系统的延拓与扩展

用户可能需测量的点达几千点，而且距离远、分散，显然一级温度测量终端控制单元能够控制的终端温度测控单元数是有限的，ＲＳ一４８５总线传输数据的最大距离将限制系统网络半径的增加，这将成为系统扩展的瓶颈。为此，将温度测量终端控制单元与其连接的温度测控终端模块化，作为系统的扩展的级联单元可以连接到总线上的任何插口。温度测量终端控制单元地址ＩＰ号０作为主控单元，温度测量终端控制单元ｌ和２级的级联单元接收它的轮询和数据传输，主控单元将级联单元

［４］

基于ＲＳ一４８５总线的分布式测温系统适合于远距离分散的测温系统，采用了标准模块化的结构，通用性和互换性强，模块之间可以实现自动级联，易于组网和扩展。Ｄｓｌ８８２０温度传感器具有布线简单，易于测量，相比模拟温度传感器性价比高。该测温系统使用方便、经济可靠，成本低，维护简单，并投入使用３年，可靠性和稳定性得到检验。参考文献：［１］

毛献辉，施清平．光纤温度传感器在电力设备安全监测中的应用．计测技术，２００７，（５）：２０一２２．

［２］王新超，朱有志，等．电力电缆接头运行温度的在线监视．电子技术应用，２００１：（１２）：２６—２７．

［３］蒋峰，朱俊杰．嵌入式网络温度测控系统．仪表技术与传感器，

２００７（９）：２９—３１．

文小玲．易先军．高精度温度测控系统．仪表技术与传感器，２００７（８）：４６—４７．

视作与该单元所接的温度测量终端等同的模块，同样具有终端地址ＩＰ号。每个控制单元最多接６４个测温终端，从５５—６４的终端号预留给级联的温度测量终端控制单元，终端号从５５开始，即温度测量终端控制单元ｌ的终端号为５５，温度测量终端控制单元２的终端地址ＩＰ号为５６，依此类推。对于温度测量终端控制单元０来说，只与该单元的测温终端和级联的温度测量终端控制单元有关，而级联单元所接的测温终端对控制单元ＩＰ地址０是透明的。５结束语

［７］［６］［５］

戴蓉，游凤．由单片机和多片Ｄｓｌ８８２０组成的多点温度测控系统．国外电子元器件２００１（１）：６０一６２．

张颖，张娟，郭玉静．分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势．仪表技术与传感器，２００７（８）：ｌ一３．

曹汇敏，陈幼平．嵌入式网络化智能光纤传感器．仪表技术与传感器，２００６（４）：１—３．

作者简介：李享元（１９６７一）．博士研究生．讲师，研究方向为电力电子和

通信技术。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｘｉ¨ｇｙｌ啪＠ｍａｉｌ．∞ｕｅｃ．ｅｄｕ．ｃｎ．

（上接第３５页）

该模块主要完成数据的读取，并显示信号时域波形，也可以观察采集信号的频谱成分，包括信号的幅值谱和相位谱。由于存储数据时是按通道存储的，一个文件中包含若干通道的数据，所以在前面板要设置通道数。为了将信号转换成时域和频域信号，还应提供数据采集时的文件保存路经、采样频率和采样点数。

３．３数据处理模块

数据处理模块主要完成采集数据的共振解调处理。在该面板中，需要设置高带通滤波和低通滤波的参数。４应用实例

下面是对齿轮箱传动系统振动信号的共振解调数据处理，时域信号的采样频率为１００ｋＨｚ，采样点数１２８ｋＨｚ，频率分辨率＝１００ｋＨ∥１２８

ｋ＝０．７８

共振解调后如图８所示。

图８轴承外圈故障的信号共振解调波形

由图８中可以看出出现了一些明显的冲击信号，为共振频率的解调信号，信号的信噪比大大地提高了，将有利于后期故障诊断判断故障类型。５结束语

介绍了一种状态监测和故障诊断系统的软件、硬件的设计原则和组成，阐述了在ＬａｂＶＩＥＷ环境中开发虚拟仪器的理论和方法，具体介绍了数据采集、数据分析、数据存储以及主界面的设计，介绍了应用于该系统的虚拟仪器的功能和设计方法，并用自行设计软件程序进行了实验，得到的处理数据可用于后续诊断。参考文献：

［１］杨乐平，李海涛．虚拟仪器技术概论．北京：电子工业出版社，

２００３：３：５—８．

Ｈｚ．读取变频器转速２０Ｈｚ下轴承外

圈故障的信号，其时域波形及幅值谱如图７所示，其中信号的有效值为０．４５Ｉｎ／ｓ２，波形指标为１．３０。

［２］

图７轴承外圈故障的信号时域波形及幅值谱

杨乐平，李海涛．Ｌ丑ｂＶＩＥｗ高级程序设计．北京：清华大学出版社。

２００３：３９０一４２１．

［３］［４］

周志宇，李裕能．基于虚拟仪器技术的谐波在线监测系统的设计与实现．自动化仪表．２００５，２６（１２）：３４—３６．

从图７中无法看出有明显的故障信号存在，对信号进行高带通滤波，通带下限截止频率为２０ｋＨｚ，通带上限截止频率为

３０

刘亚娟，乔亚敏．基于软件共振解调分析的滚动轴承故障诊断系

统开发．自动化技术与应用，２００４，２３（１１）：“一６６．

ｋＨｚ；由于经过包络解调故障信号在低频段有值，所以对包

络谱进行低通滤波，频谱范围降低为Ｏ～２．５×１０３Ｈｚ．信号经

作者简介：佟俐（１９８１一），硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化

装置。Ｅ．ｍａｉｌ：１１ｋｋ＠１６３．ｃｏｍ

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1xej.html