（机械电子工程专业论文）基于usb接口的状态监测与故障诊断系统.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文介绍一种以虚拟仪器形式开发的状态监测与故障诊断系统：该系统是在 l a b v i e w 工作平台上设计的。p c 机和数据采集卡( u s b 2 0 0 2 ) 的数据传输是通过通用串 行总线( u s b ) 实现的。本系统采用虚拟仪器的形式，大大降低了硬件成本，笔记本电 脑和外挂式数据采集卡的使用使系统携带方便，更适合工程现场测试。仪器功能全面， 不仅能完成振动信号的采集以及时频域的处理，还能对旋转机械进行在线监测与故障诊 断，在故障诊断模块采用了改进b p 算法神经网络。与传统仪器相比，该系统具有高速 度、高精度、低价格、界面友好、操作简单的特点，在旋转机械状态监测与故障诊断方 面具有较高的使用价值。 关键词：状态监测与故障诊断系统，l a b v i e w 工作平台，数据采集卡( u s b 2 0 0 2 ) ，通 用串行总线( u s b ) a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，ak i n do f s y s t e mf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sw h i c h i s d e v e l o p e db yt h ef o r mo f v i r t u a li n s t r u m e n ti sp r e s e n t e d ：t h es y s t e mi sd e s i g n e do n t h ew o r k b e n c ho fl a b v i e w t h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e np e r s o n a lc o m p u t e ra n dd a t a a c q u i s i t i o nc a r d ( u s b 2 0 0 2 ) i sr e a l i z e db yu s b t h ec o s t o ft h i s s y s t e mi sd e e p l y d e c r e a s e db yd e s i g n i n gt h es y s t e mi nv i r t u a li n s t r u m e n tm o d e i ti sc o n v e n i e n tt oc a r r y a n da d a p tt oe n g i n e e r i n gt e s ti ns p o t ，b e c a u s eo ft h eu s eo fn o t e b o o kp ca n do u t s i d e d a t aa c q u i s i t i o nc a r d a sf o ra st h ef u n c t i o no fs o t t w a r ei sc o n c e r n e d i tc o m p l e t e sn o t o n l yd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t as o l u t i o ni nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ，b u t a l s oo n l i n e m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sa b o u tr o t a t i n gm a c h i n e r y t h ei m p r o v e db p n e t w o r ki s a p p l i e di nt h em o d u l eo f f a u l td i a g n o s i s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n s t r u m e n t ，i th a s s p e c i a la d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，l o wp r i c e ，f r i e n d l yi n t e r f a c e s i m p l eo p e r a t i o na n ds oo n ，a n dh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e i nt h er o t a t i n gm a c h i n e r y c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s j m u f a h a i ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t a n gg u i - j i k e y w o r d s ：s y s t e mf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i s ，w o r k b e n c ho f l a b v i e w ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ( u s b 2 0 0 2 ) ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于u s b 接口的状态监测与故障诊 断系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇聋l 盘魄日期：巡坚芗 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：独导师签名：巡 日期： 边纽咩日期：掣7 华北电力大学硕士学位论文 1 1状态监测与故障诊断的意义 第一章引言 现代机械设备发展的一个明显趋势是向大型化、高速化、连续化和自动化方向发展。 由此而使设备的功能越来越完善，功能指标越来越高，设备的组成和结构越来越复杂，自 动化程度也越来越高，同时对设备管理与维修人员的素质要求也越来越高。这一方面大大 促进了生产的发展，主要表现在提高了生产率，改善了产品质量，降低了生产成本和改善 了工人劳动条件，同时也节约了能源和精简了人员。另一方面也潜伏着一个很大的危机， 即旦发生故障所造成的直接、间接损失将是十分严重的。随着生产的发展，设备数量的 迅速增长，这一危机造成的后果越来越严重，影响越来越突出。这一客观形势促使了机械 状态监测与故障诊断这一门新的技术与学科的诞生和兴起。这一新的技术与学科的根本宗 旨就是运用当代一切科技的新成就发现设备的隐患，以便对设备事故防患于未然。 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，是设备设计与制造的各项技术指 标的实现；另一方面就是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。事实上，如果 加强状态监测与故障诊断工作，有许多事故可以防患于末然，从而减少故障停机率，延长 设备检修周期，大幅度的降低维修费用，缩短维修时间，极大地提高经济效益。据统计， 在采用诊断技术改善设备维修方式的方法后，我国仅1 9 8 7 年一年所取得的经济效益就达 到了数百亿元。因此，设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行，以及获取巨大的经 济效益和社会效益上，其意义是十分明显的【l 】。 1 2 振动信号分析仪与故障诊断技术 测量信号和动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。它们代表了系统 的状态和特征。利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有效、也是最常 用的方法。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是反映系统状态及其变 化规律的主要信号。通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析动态信号，是进行系统状态 监测和故障诊断的主要途径。 1 2 1振动信号分析仪的发展 机械设备振动信号分析仪的开发是为该项技术( 设备故障诊断技术) 的发展服务的， 注重于信号的采集和处理方法的研究，并逐步开始以微机为架构，开发出不同类型的以频 谱分析为主的振动信号分析系统。随着机械行业对信号处理技术的认识和掌握，以及微型 计算机、单片机、单扳机的普及，开始出现一位机、单板、单片机为结构的适用于现场测 试使用的监测和分析系统“1 。 l 华北电力大学硕士学位论文 伴随着检测诊断技术的不断发展，传统意义上的振动测试仪表已无法更好地满足工业 现场的需要。通常所谈到的振动测试分析，往往是一套采用交流供电的复杂测试系统，由 传感器、电荷放大器、采集分析仪等一系列复杂设备组成。其繁杂的操作程序，非专业人 员很难掌握，即使是专业人员操作也经常由于主观或客观的偶然因素造成测试结果的不准 确。另外，工业现场的客观条件，也会对测试仪表的安装使用造成很大的影响。特别是在 一些有防爆要求的场合，一般的测试仪表已远远不能满足测试的需要。因此，多年以来对 振动信号的采集处理及设备的诊断工作都集中在各高等院校、研究机构等部门，设备诊断 理论和信号分析技术远远没有真正走进工厂的大门，也远不能适应企业大工业化生产的需 要。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 形式的状态监测与故障诊断系统正是适应了实际生产 的需要而产生的面向企业实际的高科技产品。 u s b ( u n i v e ，r s a ls e r i e rb u s ) 又称之为通用串行总线，它的即插即用功能和快 速传输数据的功能已经使我们进入一个全新的p c 机时代，所以，随着p c 机性能的提高和 u s b 的广泛使用，基于u s b 接口的状态监测与故障诊断分析仪已经倍受人们的青睐，它按 照“软件就是仪器，仪器就是软件”的观点，克服了传统仪器的下述缺点，把仪器的主要 功能块全部放到计算机上来实现，在计算机上通过u s b 接口外接数据采集卡，用软件在 屏幕上生成仪器面板，来进行信号的分析与处理、以各种形式输出检测结果，可见它打破了 传统仪器以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，只能由厂家来定义、制造，而用户无法改变 的局面，而且克服了传统仪器一般都是独立使用、手动操作，对于较为复杂、测试参数较 多的场合，使用起来就很不方便，并且测量精度容易受现场实际情况影响的缺点。总之， 基于u s b 接口的状态监测与故障诊断仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无 法改变的模式，它利用计算机丰富的软硬件资源大大突破了传统仪器在数据的处理、表达、 传送、显示和贮存等方面的限制，具有良好的性能价格比，同时，基于u s b 接口的状态 监测与故障诊断分析仪的出现极大地推动了设备故障诊断技术的应用，产生了巨大的经济 效益和社会效益。成为当今最常用的工业设备状态监测与故障诊断方式”1 。 1 2 2 故障诊断技术的发展 故障诊断技术是现代化生产发展的产物，早在6 0 年代末，美国国家宇航局( n a s a ) 就创立美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e r y f a u l tp r e v e n t i o ng r o u p ) ，英国成立了 机械保健中心( u k ，m e c h a n i c a lh e a l t hc e n t e r ) 。由于诊断技术所产生的巨大的经济效 应，从而得到迅速发展。这一领域的发展情况，大致可以从两方来说明： 监视诊断技术的发展，目前所采用的监视诊断技术可以概括为三类：第一类是以 检测仪表为主体的监视装置，它的主要构成部件是传感器和指示仪表箱，有用于测温 度的，但是大多数是用于测振动的。其主要缺点是，1 、检测信号是随机的；2 、机组 在强烈振动之前，故障征兆并不很明显，有时振幅变化并不大，但机组确有故障，如 半倍频是故障的重要信息之一，但监测仪表并未显示出来。而一旦振幅突然增大，则 2 华北电力大学硕士学位论文 为时已晚，即不能防止突发性故障；3 、读数式监测仪表本身并无分析功能，依赖于人 的经验判断；第二类是监测仪表配备软硬件分析装置，这种系统是第一种装置的改进 与补充，具有频谱分析、谱阵图、波特图、轴心轨迹图等功能，固有帮助人们提高诊 断的精确性的优点，但是也存在着，如不能自动判断诊断决策，容易丢失故障信息， 不能预防突发性故障等缺点；第三类是计算机辅助监视与诊断系统，这种系统主要结 构是由传感器、接口装置及计算机组成。其中接口装最具有电平转换、采样、存储等 功能。它可以实时监视和自动诊断，对突发性故障有利，是工况监视与诊断技术的主 要发展领域。但是就目前水平而言，它还不能真正达到自动诊断的水平，还离不开该 领域专家的干预，因此，人们提出了人工智能诊断系统。 人工智能现在面临的关键问题是要使计算机能模拟人的学习行为并具有决策功 能，也就是自学习问题。它是知识工程( 知识获取、知识表示、知识使用) 的重要问 题。自学习的方法有记忆学习、示教学习、类比学习和归纳学习等。这些方法都能使 计算机达到一定程度的自学习，但出发点和采用的方法不同，其中归纳式学习是具有 代表性的一个领域。它是从一系列的概念、样例和已知的反样例来获得概念，并归纳 推导出一般概念的描述方法。这里所指的概念范围很广，可以是一个定义，一种行为， 一种决策，还可以是对状态的识别过程。人工神经网络就是一种数字式的归纳式学习 方法，是实现人工智能诊断的最有效的方法之一”l 。 1 3 状态监测与故障诊断系统的现状 状态监测与故障诊断系统包括信号的预处理、采集、分析以及后处理，它广泛应用 于工业测试、故障诊断、模态分析等领域。从8 0 年代起，外国已有专用的仪器，如h p 3 5 6 2 、 b k 2 0 3 2 等，它们有分析精度高、功能多等优点，但也存在一些不足，如价格昂贵，操作 比较复杂。当时，国内的大多是模拟式和数字式仪表，且功能比较单一。随着p c 机性能 的提高和u s b 广泛使用，虚拟仪器技术应用于监测、诊断领域已成为发展趋势。 国外对虚拟仪器研究最突出的是美国，如n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 虚拟仪 器开发平台；h p 公司的h p - v e e 和h p t i g 平台软件；h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台 软件等都是国际上公认的虚拟仪器开发软件平台“】。1 9 8 8 年虚拟仪器产品陆续在国际市 场上问世，当时有5 家制造商推出3 0 种产品。此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂达到9 0 余家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品。美国主要厂家有 n i 公司、h p 公司、t e k r o n i x 公司等，这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力， 目前已进入中国市场，但价格较高，而且没有汉化，因而市场占有率不高“1 。国内也取 得较大的发展，如北京振通研究所的振通一9 0 9 ，北京东方振动研究所研制的智能信号数 据采集系统等，但它们与国外仪器相比还存在差距，主要体现在没有自己的专用开发平 台，开放性差。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的任务和要求 随着技术水平的进步，对旋转机械状态监测与故障诊断技术水平的要求也越来越 高，高性能、低价格的状态监测与故障诊断系统已经成为用户的迫切需要。根据此方 面发展的现状，以及国内市场的实际需要，我们制定了本论文的任务就是研制一种具 有高速采集处理功能、多种分析功能、低成本、高性能、便携式的虚拟状态监测与故 障诊断系统。 本文从虚拟仪器开发的角度，主要工作按下面几个阶段进行：( 一) 确定系统设计 的总体方案和硬件配置；( 二) 根需要搭建系统的功能模块，该系统主要有如下九个功 能模块组成：信号发生功能模块、信号采集功能模块、文件管理功能模块、时域分析 功能模块、频域分析功能模块、模态分析功能模块、动平衡功能模块、故障诊断功能 模块和开停机曲线功能模块，在论文的主体部分，先说明每个功能模块要实现那些具 体的功能和为实现其功能所用到的算法和原理，之后，论述了在l a b v i e w 6 1 工作平台 上开发一个完整的虚拟状态监测与故障诊断系统的各个功能模块的具体设计与实现， 并且对开发过程中遇到的问题做了一定的探讨与论述；( 三) 系统功能的实验验证，为 了验证系统功能的正确性，本文采用了仿真实验的形式，用系统实际分析得到的结果 与理论分析结果进行了比较。实验结果表明，本文设计的虚拟状态监测与故障诊断系 统分析结果准确、可靠，数据采集、处理速度快，达到了预期的设计要求。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 根据本论文的任务要求，设计出总体方案，在硬件选择和方案设计过程中应遵循 以下原则： ( i ) 该系统要应用于工程现场，所以在满足需要的前提下，应选择小体积、使用受 命长、便于携带和维修的硬件。 ( 2 ) 软件设计选择合适的开发平台面，采用面向对象的程序方法，建立合理的程序 结构，同时力求算法精确、可靠、便于实现。 ( 3 ) 设计中要为系统功能的进一步扩展预留空间。 ( 4 ) 考虑到系统的性价比以及开发成本，应采用虚拟仪器的形式来实现系统的功 能。 2 1虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机技术和仪器技术深层次结 合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它是计算机、应用 软件和仪器硬件三者的有效结合。虚拟仪器“软件即仪器”、“仪器即软件”的特点， 使得其与传统仪器相比，具有价格低廉，界面友好、便于操作，可靠性高、功能多样， 较高性价比等优点t 7 l 。鉴于以上优点，本系统以虚拟仪器的形式开发。 2 1 1 虚拟仪器的基本概念 目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测试技术与计算机的结合正引起测试 仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致了新代仪器一虚拟仪器的 产生。 所谓虚拟仪器，就是利用现有的p c 计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件， 形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。虚拟仪 器技术给用户一个充分发挥自己的才能和想象力的空间，用户( 而不是仪器厂家) 可以 根据自己的需求设计自己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需求。虚拟仪器的实 质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出 检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接 口设备完成振动信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器 系统。计算机的显示器类似传统仪器的操作面板，输入设备( 如鼠标，键盘) 相当于 传统仪器的功能按钮。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量 仪器一样。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 虚拟仪器的产生 虚拟仪器是传统仪器的一次巨大变革，是电子测量仪器发展的一个崭新阶段，电 子测量仪器从产生到发展大体可以分为四个阶段： 第一代一模拟仪表。这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，借助 指针来显示最终结果。 第二代一分立元件式仪器。这类仪器是以电子管或晶体管电子电路为基础。 第三代一数字化仪器。集成电路的出现是数字化仪器产生的基础，这类仪器将模 拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应 和较高准确度的测量。 第四代一智能仪器。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的 数据处理功能，可取代部分脑力劳动，但其缺点是功能块全部都以硬件( 或固化的软 件) 形式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。 目前，随着微电子技术和计算机技术飞速发展，出现了现代计算机技术、通信技 术和测量技术相结合的产物一虚拟仪器，它是仪器产业发展的一个重要方向。它的出 现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。 2 1 3 虚拟仪器的典型构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。构成虚 拟仪器的硬件平台有计算机和i o 接口设备两部分，计算机是虚拟仪器硬件平台的核 心。i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有其相 应的i o 接口硬件设备。根据i o 接口设备的类型，虚拟仪器的构成方式可分为五种类 型，如图2 1 所示。实际上，这五种不同的划分根本区别在于数据的获取渠道的不同， 通过不同的总线( 或接口) 最终把数据传送到计算机的数据总线上，完成分析处理工 作1 8 】。图2 2 为基于p c d a q 的虚拟仪器系统的结构。本虚拟系统就是采用的这种结 构方式。 i ，o 接口设各 一p c d a o 卜_ 叫g p i b 仪器卜_ l 被测信号 _ 叫串口仪器卜_ 叫樟块卜_ _ 叫p x i 模块卜- 图2 1 虚拟仪器的构成方式 6 华北电力大学硕士学位论文 - - t 电量传感器 b 信 设虚拟仪器前面板 号 数 备 - - t 非电量传感器卜 处 = = o 据 驱 应用程序 采 动 l a b v i e w 子模板 电 集 程 一其它传感器卜 路 卡 序l a b v i e w 开发平台 计算机 图2 2 基于p c - d a q 的虚拟仪器数据采集系统的结构 2 1 4 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的 核心，故有“软件就是仪器”的说法。任何使用者都可以通过修改软件方便地改革、增 减仪器系统的功能与规模。所以和传统仪器相比较有如下优点： l 、分析结果精度高。由于虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，此 外，信号的传送和数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低 了环境干扰和系统误差的影响，因此在很大程度上减小了测量和计算所引起的误差。 2 、性价比高。其价格相对同类功能的传统仪器的价格要便宜的多，以虚拟仪器 形式开发系统可以降低测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本， 因此，使用虚拟仪器比传统仪器要经济；其技术更新快( 周期为1 2 年) 、便于维护， 用户可以不改变任何硬件，只要改动相应的软件模块来搭建自己所需的系统，打破了 传统仪器只能由厂家定义的传统，使用户拥有较大的灵活性。 3 、界面友好、操作简单，智能化高。在基于视窗技术的虚拟仪器面板上，用户 通过鼠标和键盘即可完成所有的操作，人机界面友好。测量结果可以通过显示器童观 地显示出来，同时利用计算机强大的分析、计算和逻辑判断能力，用户可以建立一套 自己所需的智能专家系统。 4 、系统开放性好。虚拟仪器具有和其它设备互联的能力，如和v x i 或现场总线等 的接口能力，还可将虚拟仪器接入网络，实现对现场生产的远程监控和管理。3 。 正是因为它的这些传统仪器所不能比拟的优点，虚拟仪器在工程实际中应用的 越来越广泛了，并且在不久的将来，会逐步取代传统仪器。 2 2u s b 技术 本系统的总体结构是基于p c d a q 的，此结构就是在p c 机中直接插入p c i 或i s a 数据采集卡。然而在一个实验室中的多台微机中通常只有个别机器配置了数据采集 卡，因此在组建系统时要么需要使用特别指定的计算机，要么就得打开计算机机箱去 拆装采集卡，或者象笔记本电脑那样，根本就不支持p c i 或i s a 总线接口。于是，我 7 华北电力大学硕士学位论文 们认识到应当在测试设备与通用计算机之间建立一种更有效、更灵活、更标准的通讯 方式，因为目前这样的通讯方式已在很多场合成为自动测试系统的“瓶颈”。由于新 的一代微机中都已配备了u s b 通用串行总线接口( 一些笔记本电脑甚至取消了传统 的r s 2 3 2 串口) 。w i n d o w s x p 2 0 0 0 操作系统中提供了支持u s b 设备的驱动程序，因 此作为计算机与数据采集卡之间的连接，首先考虑u s b 是很自然的t ”】。 2 2 1u s b 技术的发展 u s b 概念的提出是在1 9 9 4 年，u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，即通用串行 总线。它不是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的新型接口技术。1 9 9 6 年u s b l0 协议公布，但是直到1 9 9 7 年m i c r o s o f t 公司推出w i n 9 5 9 7 之后，u s b 才开始进入使 用阶段，而且这个版本对u s b 的支持属于外挂式模块。直到w i n d o w s 9 8 推出，u s b 接口的支持模块才真正的日趋成熟，u s b 技术进入了高速发展阶段【l ”。 2 2 2u s b 的特点 u s b 作为最近几年新发展起来的数据传输总线，己成为通用计算机与外部设备 之间连接的首选技术，其具有如下特点： 1 、使用方便 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔( 即在主机带电情况下， 可以动态的插入和拔出设备) ，在软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用软件可以 自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r q 、d m a 、地址冲突等问题，它单 独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的资源，为用户省去了硬件 配置的烦恼。u s b 设备能真正做到“即插即用”。 2 、传输速度加快 快速性能是u s b 技术的突出特点之一。u s b 接口的最高传输率目前可达1 2 m b s ，比串口快了整艇1 0 0 倍，比并口也快了十多倍。今后u s b 的速度还将会提高到 1 0 0 m b s 以上。 3 、连接灵活 u s b 接口支持多个不同设备的串列连接，一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头( h u b ) ， 把多个设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相接。在u s b 方式下，所有的外设都 在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。u s b 采用 “级联”方式，即每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外设的u s b 插座上， 而其本身又提供一个u s b 插座供下一个u s b 外设连接用。通过这种类似菊花链式的 连接，个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间距离( 线缆长度) 可达 5 米。u s b 还能智能识别u s b 链上外围设备的接入或拆卸。 r 华北电力大学硕士学位论文 4 、独立供电 普通使用的串口、并口设备都需要单独的供电系统，而u s b 设备则不需要，因 为u s b 接口提供了内置电源。u s b 电源能向低压设备提供5 v 、5 0 0 m a 的电源，因 此，新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本并提高了性价 比。 5 、支持多媒体 u s b 提供了对电话的两路数据支持，u s b 可支持异步以及等时数据传输，使电 话可与p c 集成，共享语音邮件及其它特性。u s b 还具有高保真音频。由于u s b 音频 信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从而使音频系统具 有更高的保真度。 鉴于u s b 接口具有上述的优点，本系统采用的数据采集卡是北京阿尔泰公司生 产的支持u s b 接口的外挂式数据采集卡- - u s b 2 0 0 2 。 2 3 系统的总体设计 考虑到虚拟仪器、u s b 技术的优点和我国仪器市场的实际需求，同时也为了满 足现场监测与诊断的要求，本文按照虚拟仪器的设计思想，自行开发设计了一套基于 u s b 接口的虚拟状态监测与故障诊断系统。该系统主要是针对火电厂中的汽轮机、 给水泵以及其它辅机设备的监测与诊断，同时也兼顾其它旋转机械。 该系统是由硬件平台和应用软件两大部分构成，硬件是系统的骨架，软件是系统 的灵魂，硬件在软件的支配下实现九大功能模块，其详细信息如图2 3 。 系统功能模块 信 号 发 生 信 号 采 集 文 件 管 理 茎l l 喜i f 茎lf 差f | 垂| l 垂萋萋 时 域 分 析 频 域 分 析 渊耕俐薹 图2 3 系统总体结构图 9 模 态 分 析牦 刭圉目剧崮目目l 蓁 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 硬件是虚拟仪器的物理平台，所以为了完成虚拟仪器的设计首先要合理的配置 系统的硬件平台，本系统的硬件平台是基于p c d a q 构成的，主要由三部分组成： p c 机、数据采集卡( d a q ) 和传感器，此外还配备了信号调理电路和一个输出为 5 v 和2 4 v 的恒流源，t k 8 5 ，振通9 0 3 为各个传感器提供所必须的电压或电流。系 统的硬件结构如图3 一l 所示。 3 1 p c 机的选用 图3 1 硬件结构图 计算机是系统硬件的核心，因为系统所有的算法实现和输入输出操作都是通过 计算机来完成的，所以计算机的合理选择与否将直接影响这整个仪器系统的性能。 考虑到系统数据采集和处理的速度，我们所选用的计算机要在合理的价格下有较高 的配置，同时考虑到工程现场的需要，仪器系统的计算机又要体积小、重量轻，便 于携带。兼顾以上众因素，本文设计的虚拟系统选用联想天逸s 1 8 0 笔记本电脑， 其配置为：奔腾m 1 6 g h z 、内存5 1 2 m b 、硬盘6 0 g b 。 3 2 数据采集卡的选用 数据采集卡的任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数 据。数据采集卡与计算机的接口方式直接影响着数据传输的速度，所以在选取数据 采集卡的时候要充分考虑接口方式对整个仪器系统的影响。目前，p c 机与数据采集 部分的连接方式有很多种，除了利用p c 机内各种总线的插卡外，多采用并口及串 口方式，但是，串口方式速度太慢，井口方式虽然速度较快，但不足之处是在中断 方式时，优先级较低，将影响系统的实时和在线采集和监测的性能，且采集卡和打 1 0 华北电力大学硕士学位论文 印机不能同时使用，此外，采用上述的连接方式时，需要打开机箱进行采集卡的拆 装，如果想要在不同机子上使用同一个采集卡极其不方便，或者像笔记本电脑根本 就不支持这些连接方式。而最近几年迅速发展起来的u s b 接口方式克服了串、并曰 采集方式的上述缺点，并且现在的计算机以将u s b 作为标准配置，且大部分计算机 有不止一个u s b 接口，这几个u s b 口可以同时使用不会相互干扰。 正是因为u s b 接口具有其它接口形式无法比拟的优点，所以选择数据采集卡 时，本系统选用北京阿尔泰科贸有限公司生产的外挂式数据采集卡- - u s b 2 0 0 2 ，它 具有体积小，即插即用等特点，应用于野外测控、信号采集，因此是便携式系统用 户的最佳选择，其具体的性能和技术指标如下： ( 1 ) 模拟电压输入范围：士5v 、士1 0 v ，可根据实际需要选择量程。 ( 2 ) d 转换分辨率：1 4 b i t ，3 2 字f i f o 存储器。 ( 3 ) 模拟通道输入数：3 2 路单端1 6 路双端模拟信号输入。 ( 4 ) 开关量输入通道：1 6 路。 ( 5 ) 开关量输出通道：1 6 路。 ( 6 ) 触发方式：内触发和外触发。 ( 7 ) 模拟输入阻抗：1 0 0 m q 。 ( 8 ) 最大采样率：4 0 0 k 。 ( 9 ) 系统测量精度( 满量程) ：0 1 。 在w i n d o w s x p 操作系统下，按照u s b 2 0 0 2 驱动程序使用说明书，将数据采集 卡的驱动程序安装到计算机上，安装完成以后你可以验证你的安装结果是否正确， 方法很简单，你只需进入w i n d o w s x p 【控制面板】窗口，双击 系统 图标，弹出 系统 特性】对话框，在对话框中单击【硬件】标签页，然后单击 设备管理器】按钮，进入 设 备管理器 窗口，在【本地计算机 列表中点击 系统设备】，在展开的子列表中检查是 否有“a r tu s b 2 0 0 2 ”等字样，若有，表示p c i 设备和其驱动程序己成功安装， 否则，说明您的安装过程出现了问题，请试着再安装，或向硬件供应商求助。同时 u s b 2 0 0 2 还为用户提供了多种言语的演示程序，在编写程序时，我们可以参考或者 和它输出的结果进行比较来验证我们的程序正确与否。 3 3 传感器的选用 传感器是感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的转换元 件。在本系统中传感器测量的是旋转机械振动的位移、速度和加速度信息，所以选 择的传感器为：压电加速传感器、电涡流位移传感器和光电传感器，传感器主要性 能指标如下： 【1 】灵敏度它是指传感器测量方向，输出信号和输入信号之比，一般在某一指 华北电力大学硕士学位论文 定频率范围内测得。 【2 动态范围当输入和输出信号保持线性关系时所对应的输入信号的变化范 围称动态范围。 3 】频响特性表示传感器在不同频率下输出响应对输入信号的比值。 【4 】相移是指传感器输出信号与输入信号的相位滞后量。 3 3 1 压电加速度传感器 压电加速度传感器是利用某些晶体材料的正压电效应作为机电变压器而制成 的加速度传感器，这种传感器具有极宽的频带( o0 0 0 2 1 0 k h z ) ，本身质量较小( 2 5 0 9 ) ，有很大的动态范围，因此比较适合于轻型高速旋转机械的轴承座及壳体的振 动加速度测量。此外，对于监测滚动轴承及气流脉冲等引起的高频机械噪声，也尽 量选用加速度传感器。在本系统中，测量汽轮机、给水泵壳体振动以及给水泵管道 传函分析时用到此传感器。选用压电加速度传感器应考虑以下指标： 【l 】灵敏度高灵敏度加速度计的分辨率高，适用于微弱振动测量，低灵敏度 加速度计测量范围宽，可以测到1 0 0 9 以上的强烈振动。 【2 】频率范围一般加速度计共振频率通常为2 0 3 0 k ，使用范围的上限一般 为共振频率的1 3 ，其测量误差 堡! i 确定要选文件路径 确定要选数据文件 出所需的原始数据 i 堕垂j 图4 一1 6 文件管理模块流程图 存储数据的时候，既要保存采集到数据的完整信息，又要保留采集数据时的一 些参数( 如采样频率、程控增益等) 信息。本文设计的虚拟系统的数据是按照如下 顺序排放的：采样频率、程控增益、通道标志、采样点数、原始信号数组。这样保 存后的数据就完整的记录了采样参数及振动信号的原始数据。读取数据时，读出的 是包含采集参数和振动信号在内的整个数组。然后根据需要提出所需的数据，数据 的提取是按数组下标进行的。如果需要采样频率，只需取数组的零下标对应的元素 即可，需要别的参数或数据依次类推即可。 4 3 4 时域分析模块设计 所谓的信号时域分析就是求取信号在时域中的特征参数( 如峰值、均值、方差 和均方值等) 以及信号波形在不同时刻的相似性和相关性【1 6 1 ( 如自相关函数、互相 关函数、概率密度函数等) 434 1 振动信号的特征参数 。 在振动测量中，一般用峰值、均方值给出振动的量级，下面分别叙述他们的各 自定义与意义。若振动信号砸) 采样后的时域数字序列为删，则有： 2 2 一些韭皇查奎兰婴主兰垡堡壅 ( 1 ) 峰值；指波形上与零线的最大偏离量，计算公式如下： z ，= i z ( f ) i m 。( 4 1 ) 具体算法实现时，采用时域振动信号的数字序列峰值作为其峰值的估计。 x ，= n la x z ( ”) ) ( 4 2 ) 意义：考核机器强度时，尤其是低频段，结构的破坏直接与峰值有关。 ( 2 ) 均值：一段时间内或一个周期内信号量的均值，计算公式如下： q = ；鳃专rx(f)出(4-3) 具体算法实现时，采用时域振动信号的数字序列均值作为其均值的估计。 x = 万1 色n - 1 x ( 门) ( 。州 意义：均值描述了振动信号的静态分量。 ( 3 ) 方差：信号偏离均值平方的均值，其计算公式如下： 盯，2 = l i ml rj i 。t x ( f ) 一“；p( 4 5 ) 具体算法实现时，采用时域振动信号的数字序列方差作为其方差的估计。 威= 万i 刍n - i l x ( n ) 一品。 2 c 。一。) 意义：方差描述随机信号在其均值附近的分布情况，反映信号的波动分量。 ( 4 ) 有效值：有效值即为信号的均方根值，其计算公式如下： 厄痧 ( 4 7 ) 具体算法实现时，采用时域振动信号的数字序列均方根值作为其有效值的估计。 上2雨 ( 4 8 ) 意义：用以表达振动的实际强度。 本虚拟系统是通过软件实现时域统计信息的计算。其中，峰值描述了信号的最 大值，对应振动的最大幅值；。描述了信号的静态量，对应振动信号的直流成分； 0 _ 一2 一, ，- - _ 。 , - - 力量，对应电信号中交流成分的功率；描述了振动信号 平均功率平方根的大小，对应电信号中的有效值”。 4 3 4 2 信号的相关分析 相关分析是利用相关系数或相关函数来描述两个信号的相互关系或相似程度 2 3 华北电力大学硕士学位论文 还可以用来描述同一个信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来 估计未来值。相关函数的性质使它在工程应用中具有重要的价值，尤其是互相关函 数同频相关、不同频不相关的性质为在噪声背景下提取有用信息提供了可靠的途 径。相关分析包括相关系数、自相关函数和互相关函数等内容的分析。 ( 1 ) 相关系数 对于变量f ( f ) ，x ( f ) 之间的相关程度可用相关系数p 。表示，即： 盹：堕盟2 二兰1 2 垒坠剑 。刊 o - f o 。 具体算法实现时，采用时域数字序列求取其估计值。 pf 。 ：坐竺! 二型( 尘! 二剑 o f o ( 4 1 0 ) 式中，e 表示数学期望； 表示引起振动的外力，( ，) 的均值，品为其估计值； ”。表示机械振动x ( f ) 的均值，, t ，为其估计值： o - - r 、吒分别为振动力f ( f ) 、振动位移x ( f ) 的标准差，砟、氏为其估计值。 ( 2 )自相关函数 如果给定一个各态历经随机过程的一个振动信号记录样本式x ( f ) ，x o + f ) 是 x f f l 时移r 后的样本，则自相关函数定义为： r 。( r ) = ；魄寺f ：x ( f p ( f + r ) d t ( 4 - - 1 1 ) 具体算法实现时，采用时域数字序列求其估计值。 1n l 爰，( f ) = 寺x ( ，2p ( 门+ r ) ( 4 1 2 ) v 月；0 自相关函数是区别信号类型一个非常有效的工具。只要信号中含有周期成分， 其自相关函数在f 很大时都不衰减，并具有缀明显的周期性。不含周期成分的随机 信号，当r 稍大时其自相关函数就将趋于均值的平方。 ( 3 ) 互相关函数 对于两个信号x ( f ) 和y ( f ) 在不同时刻的相关性( 或相似性) ，可用互相关函数来 描述，其计算式如下： 具体算法实现时，采用采用时域数字序列求其估计值。 r 。( r ) = ，魄争r x ( r 沙( r + r ) 巩 ( 4 1 4 ) 、， f+理 (4砂： 挖 ，l x 。一 = 、， f ，l掣 r 华北电力大学硕士学位论文 与自相关函数相似，互相关函数也可用来判断信号中是否含有频率相同的成 分。互相关函数在工程应用中有重要价值，它是在噪声背景下提取有用信息的一个 非常有效的途径，只要将激振信号和所得的响应信号进行互相关处理就可以得到由 激振引起的响应幅值和相位差，消除了噪声的干扰。这种应用相关分析原理消除信 号中的噪声干扰、提取有用信息的处理方法叫做相关滤波。它是利用互相关函数同 频相关、不同频不相关的性质来达到滤波效果的l i ”。 从图2 3 可以看出，本系统的时域分析模块包括：信号统计分析、相关函数和 概率密度函数。在此谨对相关分析中的互相关函数功能模块的设计进行详细说明， 其程序流程图如图4 一1 7 所示。厂i a 动信号数组lli 动信号数组2 翊g 三 n 雨萄+ 赢y e s 调用互相关算法校正子v i 去掉数组后一半显示波形 剖 图4 一1 7 互相关函数程序流程图 图4 一1 8 互相关函数框图程序 华北电力大学硕士学位论文 在l a b v i e w 开发平台设计互相关函数的程序框图如图4 1 8 所示。图中 是l a b v i e w 自带的互相关函数算法模块，但是这一算法仅使用于确定性信号中的 瞬态信号，所以一般情况下就需要加以修正，图中圈是本系统自行开发的互相关 算法校正子v i ，经过校正之后信号将不再衰减，与理论上的分析十分接近。 4 3 5 频域分析模块设计 在状态监测与故障诊断技术中，光有时域信号的特征很难对信号的特征进行判 断，所以往往需要将时间域信号变换到频率域上加以分析，从频率角度来反映和揭 示信号的变化规律，这种频率分析的方法又称做频谱分析方法。对获取的振动信号 进行频谱分析可以获得更多的有用信息，如求得动态信号的各个频率成分和频率分 布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布 的频率值。常用到频谱分析方法有幅值谱、功率谱、对数谱和倒谱。 43 5 1f f t 幅值谱分析 傅立叶变换是平稳信号分析和处理的一个重要工具，一个时域的问题通过傅立 叶变换能被转化成频域的问题来分析研究。设x ( f ) 为t 的函数，并且满足狄氏条件， 其计算式如下： ( ，) = e z ( f 殄- 2 加d t ( 4 -