作者:白仁明
(北京中科泛化測控技術(shù)有限公司 系統(tǒng)開發(fā)部,北京 100083)
摘要: 本文中的便攜式振動(dòng)儀采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu),下位機(jī)采用CompactRIO,在保證系統(tǒng)精確性可靠性的同時(shí)減輕了整個(gè)系統(tǒng)的重量,上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本電腦,能夠滿足惡劣環(huán)境下移動(dòng)計(jì)算的要求,使得整個(gè)系統(tǒng)能夠適應(yīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械外場測試。同時(shí)系統(tǒng)基于柔性測試技術(shù)對(duì)測試系統(tǒng)的追求,具有可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性,可用于飛機(jī)裝機(jī)的各型發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)振動(dòng)參數(shù)的測試與分析。
關(guān)鍵字: 便攜式、柔性測試技術(shù)
便攜式振動(dòng)儀是隨著設(shè)備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來的面向現(xiàn)場的測試儀器。傳統(tǒng)的振動(dòng)分析儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時(shí)間長、費(fèi)用高等特點(diǎn);而基于單片機(jī)的振動(dòng)采集分析儀雖然體積較小,但是分析能力有限,不能進(jìn)行復(fù)雜信號(hào)的處理任務(wù),往往不能夠滿足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求。
本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)分析儀以CompactRIO為采集設(shè)備,以Labview為軟件開發(fā)平臺(tái),不但具有體積小,重量輕的特點(diǎn),而且具有強(qiáng)大、靈活的專業(yè)分析能力,能夠?qū)崟r(shí)檢測信號(hào)的波形及頻譜情況,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存,可在后期進(jìn)行階次、軸心軌跡等專業(yè)分析。特別適合于測點(diǎn)分散、而又不需要持續(xù)檢測的測試場合。
系統(tǒng)采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu),下位機(jī)將采集到的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào),通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機(jī),上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與分析。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
系統(tǒng)的功能描述如下所示:
通過在線分析工具,操作者可以實(shí)時(shí)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是否超標(biāo),離線分析工具可以幫助操作者判斷出現(xiàn)振動(dòng)異常的原因。
系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上追求柔性測試技術(shù)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性,并且具有專業(yè)的分析能力。現(xiàn)將系統(tǒng)特性與設(shè)計(jì)做一簡要介紹。
4.1 系統(tǒng)適應(yīng)性
系統(tǒng)具有便攜、防雨淋、防摔防振動(dòng)的性質(zhì),能夠使振動(dòng)儀能夠適應(yīng)外場測試。
便攜性:為了使整個(gè)系統(tǒng)攜帶方便,在設(shè)計(jì)選型上選擇性能能夠滿足測試要求質(zhì)量又輕的硬件,比如采集設(shè)備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個(gè)系統(tǒng)體積小,重量輕(大概11Kg),方便攜帶。
防雨淋:首先,上位機(jī)選用軍用筆記本,本身具有防雨淋的功能;另外,筆記本拖架進(jìn)行了防雨淋的設(shè)計(jì),在其左測開有凹槽,接口以及風(fēng)扇出風(fēng)口全部安裝在凹槽里,能有效防止雨淋,適用于雨天作業(yè)。如圖2-2所示。
抗摔抗振動(dòng):裝設(shè)備箱體選用軍用箱體,堅(jiān)固耐用,能夠有效保護(hù)箱體內(nèi)的設(shè)備不受損傷。
① 風(fēng)扇出風(fēng)口;②
1號(hào)振動(dòng)接口;③2號(hào)振動(dòng)接口;④3號(hào)振動(dòng)接口;⑤4號(hào)振動(dòng)接口;⑥轉(zhuǎn)速信號(hào);⑦電源接口;⑧電源指示燈;⑨音頻接口;⑩USB接口
圖2-2
接口面板說明
4.2 系統(tǒng)擴(kuò)展性
系統(tǒng)能夠直接通過插拔增加或者減少FPGA硬件,能夠根據(jù)用戶的要求增加離線分析算法,可以很方便的增加系統(tǒng)的功能。
設(shè)計(jì)時(shí)將功能比較集中,應(yīng)用次數(shù)較多的程序設(shè)計(jì)成模塊,各模塊之間耦合性小,不但使得系統(tǒng)易于維護(hù),哪部分出問題就檢查特定的模塊,而且使得系統(tǒng)易于擴(kuò)展,可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。另外,CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊,為了實(shí)現(xiàn)FPGA設(shè)備的可擴(kuò)展性,通過一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫到程序中,然后根據(jù)host下獲取的板卡信息讀取相應(yīng)板卡的數(shù)據(jù),滿足板卡增減的要求。
本系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件,上位機(jī)軟件又分為TCP/IP模塊,系統(tǒng)配置模塊,數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲(chǔ)模塊;下位機(jī)軟件分為TCP/IP模塊,Order
manage模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。
圖2-3 軟件結(jié)構(gòu)圖
4.3 系統(tǒng)可靠性
系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論MTBF指標(biāo)(平均無故障時(shí)間)大概3500小時(shí),
MTTR指標(biāo)(系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間)小于等于30分鐘;為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo),首先在硬件選擇上注意每個(gè)硬件的MTBF指標(biāo),然后通過理論計(jì)算確保整個(gè)系統(tǒng)的MTBF指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求,另外,在筆記本拖架上裝有排風(fēng)扇,設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口,能夠及時(shí)將CRIO與電源產(chǎn)生的熱量排出,確保了儀器的正常使用;其次,
在振動(dòng)儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號(hào)波形不顯示、信號(hào)波形顯示為噪聲以及軟件故障診斷方法流程圖,可以保證MTTR指標(biāo)在30分鐘以內(nèi)。
4.4 系統(tǒng)靈活性
在離線分析模塊,為了增加系統(tǒng)的靈活性與操作的方便,從數(shù)據(jù)文件中迅速找到異常數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)者重中之重,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種方法,分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形,重放振動(dòng)聲音以及通過報(bào)警記錄來查找數(shù)據(jù)。
瀏覽波形數(shù)據(jù)類似于Media Player中拖動(dòng)游標(biāo)瀏覽影片,當(dāng)用鼠標(biāo)拖動(dòng)如圖2-4所示的紅色游標(biāo)時(shí)系統(tǒng)會(huì)讀取相應(yīng)時(shí)間段的波形顯示在波形圖中。
圖2-7 瀏覽數(shù)據(jù)波形界面
重放振動(dòng)聲音就是把每個(gè)通道特定時(shí)間段的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過聲音進(jìn)行播放,通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。
通過報(bào)警記錄,就是調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動(dòng)發(fā)生異常的時(shí)間,然后將該時(shí)間鍵入瀏覽波形界面中的開始時(shí)間來讀取出現(xiàn)異常時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的分析。
4.5 專業(yè)的分析能力
該系統(tǒng)不但具有體積小,重量輕的特點(diǎn),而且具有專業(yè)的分析能力。設(shè)計(jì)的在線分析算法有振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)域波形的顯示,振動(dòng)信號(hào)的最大值計(jì)算,振動(dòng)值是否超標(biāo)的實(shí)時(shí)報(bào)警與記錄,振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析以及振動(dòng)信號(hào)類型加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化。在線分析實(shí)現(xiàn)最主要的是運(yùn)算速度快,速度要快于采集速度,所以減少屬性節(jié)點(diǎn)使用以及減少寄存器的使用可以滿足條件。
離線分析是將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出進(jìn)行更加詳細(xì)專業(yè)的分析,設(shè)計(jì)算法有:時(shí)域波形最大值、有效值計(jì)算,時(shí)間-頻率計(jì)算,時(shí)間-階次計(jì)算,時(shí)間-轉(zhuǎn)速計(jì)算,階次-轉(zhuǎn)速計(jì)算以及軸心軌跡分析等。離線算法運(yùn)算速度要求不高,可以根據(jù)用戶增加算法,現(xiàn)將階次分析與軸心軌跡分析做一簡要介紹。
階次分析:階次是描述旋轉(zhuǎn)機(jī)械中某信號(hào)及其諧波的對(duì)應(yīng)關(guān)系,該系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階次分析計(jì)算,找到振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而能夠比較準(zhǔn)確的找到故障的原因與位置。分析界面如圖2-5所示。
圖2-5 階次分析界面
軸心軌跡分析:軸心軌跡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一個(gè)非常重要的狀態(tài)特征參量,形象直觀地反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況,包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動(dòng)信號(hào)以及轉(zhuǎn)子的方向計(jì)算軸心軌跡,軸心軌跡界面如圖2-6所示。
圖2-6 軸心軌跡分析界面
轉(zhuǎn)速通道 |
支持4通道轉(zhuǎn)速信號(hào),±10V,信號(hào)類型可以為正弦波、方波等; |
振動(dòng)通道 |
支持4通道振動(dòng)信號(hào),最大可擴(kuò)展至12通道,自適應(yīng)抗混疊濾波,±5V幅值范圍,24位分辨率,10~10KHz頻率范圍; |
工作溫度 |
-20~50度 |
存儲(chǔ)溫度 |
-40度~65度 |
相對(duì)濕度 |
10%~95% |
平均無故障時(shí)間 |
約3500小時(shí)(計(jì)算值) |
平均修復(fù)時(shí)間 |
小于等于30分鐘 |
校驗(yàn)周期 |
一年 |
系統(tǒng)輸入功率 |
~150w |
供電電源 |
28V DC或220V AC(需交流供電配件) |
儀器質(zhì)量 |
~11kg |
物理尺寸 |
474mm*415mm*214mm |
操作人員要求 |
適合具有高中或高中以上文化水平、經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員使用 |
本文中所設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)儀,下位機(jī)采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO,上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本, 外殼采用軍用箱體,防振防摔,對(duì)外接口部分也進(jìn)行了防雨淋設(shè)計(jì),使得該儀器能夠適應(yīng)戶外以及條件惡劣環(huán)境下進(jìn)行的測試;另外在軟件的設(shè)計(jì)上,也充分考慮了用戶對(duì)測試系統(tǒng)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性的需求,其提供的專業(yè)的分析能力能有效測試出發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在異常,并能夠幫助操作者判斷異常的原因。