【基于PLC的电机故障诊断系统设计与实现10000字（论文）】

III1引言随着现代生产技术的不断发展，生产设备更加大型化，功能更多，结构更复杂，自动化程度也逐渐升级，进而就要求电机频繁地启动、制动，随之而来的是电机的运行安全问题日益突出。在工程应用过程中，如果因制作工艺或人员不当操作等因素造成电机出现异常或故障，不但会耽误生产，造成经济损失，而且可能会污染环境，甚至伤及人身，造成比较严峻的社会问题。近年来我国生产的电机在材料、结构以及工艺上都有了非常大的改进，但在电机的状态监测与诊断上与国外还有着一定的差距。因此，对电机进行可靠、有效的状态监测与故障诊断，确保电机运行时的安全，成为了国内研究的一个极其重要的课题。在故障诊断技术中，包含有很多种判断故障的方式，其中通过振动信号进行监测诊断是主要方式之一，电机在运行时会发出振动，从中可以提取出各种有价值的性能参数。而当电机出现异常时，所产生的振动信号较正常信号相比便会有所不同，进而可通过比较判断出电机此时处于非正常运转状态，因此，利用振动信号对电机故障进行诊断是故障诊断方法中较有效、较常用的方法。本论文就是为了提高电机运行的可靠性，提高异常监测效率，对电机系统振动信号监测及故障诊断的技术进行综合分析研究，开发一个适应现代电机的生产环境的可靠、实用、高性价比的电机运行状态监测与故障诊断系统，确保电机安全运行，且在出现异常时及时发现并进行处理，以减少生产事故的发生。2电机故障诊断系统硬件设计2.1信号产生部分振动信号产生装置选用了HL-35V小型无油真空泵，真空度约85KPA，由电机驱动，选择该真空泵的原因是可通过其真空度调节装置来调节电机压力，方便测试不同真空度下的电机振动情况。进行振动监测首先需要有合适的位置来安装传感器，这对该真空泵来说比较困难；其次，振动信号极容易受外界环境的干扰，从而降低故障判断的准确率，因此，本文选用了一座减震平台，将设备放在在减震平台上进行实验，即方便传感器的安装，又可以减少外界噪音干扰，提高检测精度。2.2信号测量部分振动信号测量部分由振动传感器和放大传感器输出信号的放大器构成。常用的振动传感器有涡流传感器、速度传感器和加速度传感器。其中涡流传感器安装要求严格，常用于测量转动部件的振动；转速传感器安装方便，但体积和重量过大，低频特性差；加速度传感器体积小、重量轻，特别适合小而轻零件的振动试验，且加速度传感器结构紧凑，不易损坏，适合于本系统的振动信号测量。通常传感器的灵敏度越高，其测量范围越小，反之灵敏度越小，测量范围越大。由于本系统电机激振频率不高，产生的加速度较小，因此对传感器的量程要求较小，可尽可能的选择灵敏度更高的传感器，提高测量精度。经过上述分析，本文最终选用了美国MEAS4801A加速度传感器，该传感器带温度补偿，螺钉安装，提供放大输出，全密封，可分离电缆，10000g过载保护，±2～±200g测量范围，8～36Vdc激励电压，气态阻尼MEMS元件，静态～2KHz频率响应。图3.1为传感器实物图。图3.1MEAS4801A加速度传感器由于该加速度传感器输出的信号较为微弱，大概为50-100mV/g，其显示的波形并不直观明显，所以需要使用放大器对信号进行放大，使之变为满足需要、便于观察的信号。图3.1为本系统设计的信号放大电路图，采用WRB1205S-3W模块电源进行供电、MAX44252运算放大器实现信号放大。图3.2放大电路图2.3信号采集部分由于电脑终端只能识别数字信号，因此需要有数据采集器将放大器输出的电压模拟信号以一定的相同时间间隔进行提取，将其转换成离散的数字信号以便在计算机中进行显示、存储。数据采集卡一般分为PCI和USB两种接口方式，PCI总线虽然数据的可靠性强，但需要连接PC主板，不支持热插拔；而USB总线即插即用，传输速率较快，携带方便。因此从便携性角度考虑，本系统采用USB接口的采集卡。选用数据采集系统还需要关注其精度和速度，经过分析，本系统的精度等级设为0.01便可满足需求，假设输入幅值±10V，采集卡的A/D转换器应选择10位以上。同时，在满足精度的前提下，也要尽可能的有较高范围的采样率，以满足振动信号分析所需的数量要求。考虑到上述需求，本文决定选用研华公司的USB系列采集卡，该公司技术成熟，硬件设计满足性能参数，各方面保护措施较完善，且为软件开发人员提供了底层的函数调用，使开发较为简易方便。具体型号为USB-4704，其配置了8个模拟量输入通道、2个模拟量输出通道以及8个数字量输入通道、8个数字量输出通道，并配有计数器和触发器，具有14位精度，48KS/s采样率，可采集电压范围为：±1，±1.25，±2，±2.5，±4，±5，±10，±20。图3.3为USB-4704的针脚定义图。图3.3USB-4704针脚定义USB-4704采集卡提供了单端输入和差分输入两种模拟量输入方式，其原理如图3.4、3.5所示。差分输入方式可通过差分放大器来消除模拟量的共模干扰，但本系统因为设计了减震平台，信号源较为纯净，因此也可以采用相对简单的单端输入方式。之后将放大电路板与采集卡进行连线组合并封装了外壳，既提高了系统的整体性和便携性，同时也对电路与采集卡进行了保护。其左端为放大电路，12V电源供电，通过上方旋钮调节的放大倍数，输出端以单端输入方式连至右端采集卡的AI0与AGND引脚。图3.4单端输入图3.5差分输入2.4信号处理部分在信号处理设备的选择上，考虑到实际应用的便携性，要尽量满足体积小、重量轻、成本低的要求。在数据网络传输模式方面，有线网络较难实现，且测试现场也并不能保证有WIFI信号，因此最稳定的方式还是蜂窝网络传输。因研华采集卡并未给Android系统提供相关驱动函数，因此无法选用手机Android平台。通过对比其它Windows平台下且支持手机SIM卡的移动设备的性能及价格，最终选用了凌华公司的MXE-1500嵌入式电脑，其价格便宜、体积精巧且提供了丰富的I/O接口和灵活配置，采用Intel®Celeron®N3160/N3060处理器，4G运行内存，以及128G固态硬盘，能够支持Windows系统，且配置了华为的4G传输模块，可使用手机SIM卡进行4G流量传输，能够满足系统的网络传输要求。图3.5为MXE-1500实物图。图3.9MXE-1500嵌入式电脑3电机故障诊断系统软件设计3.1上位机软件总体设计3.1.1需求分析在软件开发过程中，要理解用户的需求，明确软件要“做什么”，要实现哪些功能，以避免软件开发的盲目性和无计划性。研华公司为采集卡配备的软件DAQNavi安装繁琐，启动较慢，还需安装并开启子软件DataLogger，操作不便，又比较占用系统资源，而且该软件并不具备信号的异常报警提示以及信号分析处理功能，用户并不能及时发现设备异常情况并进行处理，因此需要对采集软件进行重新开发设计，以满足用户需求。系统所采用的研华USB-4704采集卡具有两种采集模式：InstantAI和BufferedAI。InstantAI为实时采样，每个数据单独传输，采样间隔由软件程序决定，采样率相对不高；BufferedAI为缓存采样，先将数据依次暂存在缓存中，储存到指定数量后再批量传输，采样率由硬件本身所支持的采样率决定，可实现高速采集。BufferedAI本身又分了以下两种模式：（1）有限采集(OneBufferedAI)：用户可指定采集的数据个数，当采集数目达到指定个数后自动停止，可实现定量采集的效果；（2）流式采集(StreamingAI)：不限制采样个数，数据按照一定间隔，如流水般源源不断的到来，采样过程连续不断进行，需要用户手动停止。两种采集模式都有各自的优缺点，并有着不同的实现方式，本文针对这两种不同的采集方式进行设计，实现在不同需求下数据的采集。一个完备的振动信号监测系统，需要有友好的人机交互界面，用户能通过按键指令控制采集卡的始停，将接收来的数据可视化实时显示，并将数据依次存入本地，同时能够自动监测异常数据进行报警，并进行信号分析。本文软件是使用Windows操作系统，在VisualStudio2019的.Net平台下用C#语言进行开发，采用模块化设计，其功能模块如图3.1所示：图3.1软件功能模块图3.1.2设计流程按照振动信号采集监测软件功能模块图，在软件开始运行时，需要选择要连接的采集设备，设置好采集参数，选择要采集的方式；在采集过程中观察波形显示，注意报警提示；在采集结束后，可查看本地保存的振动数据以及报警信息。图3.2为软件的设计流程图：图3.2软件设计流程图3.1.3编程语言选择研华为用户开发提供了多种编程环境下的驱动函数支持，除了本文选用的C#语言外，还有以下几种：（1）VB：VB(VisualBASIC)是微软较早推出的一种直译式编程语言，主要面向编程初学者，入门简单，但其对于底层处理不够灵活，多线程实现较为困难，且比较老旧，速度较慢。（2）VC++：C++也是微软研发的一种当今十分主流的应用程序编程语言，它首次引入了面向对象的概念，使应用程序开发更为简单便捷，且具有相当高的性能，开发效率高，但C++语言较为复杂，难于学习和编写，因而也无法完全确保程序的正确性。（3）LabVIEW：LabVIEW由美国国家仪器(NI)公司研制开发，它有着一个显著的特点：其他编程语言大多都需要编写文本形式的代码，而LabVIEW是采用框图的形式，以图形化编辑语言来进行程序编写，省去了敲写代码的部分。LabVIEW上手容易，有着较丰富的数据显示界面，也是一种比较好的选择。（4）Delphi：Delphi是Borland公司开发一种简单易用、方便快捷的开发工具。其语法严谨、结构清晰、编译速度快，且数据库技术领先。利用Delphi开发应用软件可以较大地提高应用程序开发效率。以上几种开发语言其实都可作为本文系统的软件开发工具，而C#是微软在C++的基础上，简化了编程语言的复杂性，更加稳定安全，再配合微软强大的VS进行开发，会有很高的效率。因此本文选用了C#语言在VisualStudio2019开发环境下进行该电机状态监测与故障诊断系统的上位机软件开发。3.1.4算法实现在进行振动信号的处理分析时，需要借助一些数学算法的帮助，因此要对这些方法进行程序实现。在进行算法实现时，并不能仅仅以成功实现了某个算法为最终目的，还要考虑到算法占用计算机资源的实际情况，并不断对算法作出评价和比较，从而设计出更好的算法。一个好的算法有以下几个基本特点：（1）有穷性：对任何合法有效的输入，在获取输入并执行运算后，每一步运算都能在有穷时间内完成，且必须能在有穷步之后结束运算。（2）确定性：对于相同的输入，只能得到相同的输出，且算法中每一条指令必须有明确的含义，他人进行阅读时不会理解为另一种含义。（3）可行性：也称为有效性，即算法中任何操作步骤都是可以分解为基本的可执行步骤，都可通过这些基本步骤执行有限次实现。（4）输入：一个算法有零个或多个的输入，这些输入取自于某个特定的对象的集合。（5）输出：一个算法有一个或多个的输出，这些输出是同输入有着某种特定关系的量。在算法设计中需要满足上述基本特点的同时，还需要关注以下一些问题，力求算法更加完善：（1）最优化问题：算法的主要作用是通过运算来解决某个或某类问题。然而对于某一确定的问题，其算法的设计方式或许并不只有一种，这就需要从专业角度，对这些不同的设计方法进行对比和分析，比较不同设计方法在资源占用、时间花费上的优劣，从中选出最优的设计方法。（2）复杂性问题：算法设计的复杂性主要体现在两个方面，时间复杂度和空间复杂度。时间复杂度即算法从执行到结束所经过的时间，如何在保证算法达到应有的计算效果的同时，又能提高算法的运行速率，也是算法设计中需要考虑的问题。算法空间复杂度通俗来讲就是算法运行时在计算机中的内存占用，在解决一些难度较大的问题时，所需要的程序语句难免会比较多，开辟的堆栈也会较多，如果计算机不能提供充分的空间，就会在一定程度上增加算法设计的难度。基于上述特点，就需要进行算法设计时，也要尽可能的将算法的时间、空间复杂性降到最低，以确保算法的运行效率以及资源占用。（3）可靠性问题：算法需要具有一定的可靠性和稳定性，程序在运算时并不能对所有外来输入进行判断，出现错误时，能不能对这些错误的程序片段进行有效的控制，是算法设计可靠性与稳定性需要解决的问题。不同的算法对每个操作步骤有不同的控制能力，要在控制能力弱的部分进行优化加强，避免遇到意外的输入导致算法崩溃。（4）其它问题：在进行算法设计时，除了要考虑上述主要问题外，还要结合设计要求，关注其它方面的一些个性问题。如算法设计流程的简明性问题、适应性问题等。只有对问题进行综合分析和有效处理，才能设计出更加符合实际需求的算法。在对本系统的振动信号处理与分析进行算法实现时，应综合考虑上述几种问题，不能只关注程序是否得到了正确的运算结果，还要重点关注程序运算的耗时和占用的计算机资源，最终设计一套效率高，易于理解的最优算法。3.2各功能模块设计3.2.1主界面设计本文软件是使用VisualStudio.NET框架来开发WinForm窗体应用程序。先建立一个空白窗体，通过在上面添加各种控件来实现一些相应的效果。在窗体左侧的工具栏窗口中，VS已经给我们提供了一些常用的控件，可以通过拖拽的形式将控件拖入空白窗体中，进行自由的组合和排布。图3.3至图3.8为软件最终的可视化界面效果图。其中图3.3为实时监控界面，也是主控制界面，可控制采集的始停，并实时显示所采集的信号波形；图3.4为数据回放界面，可从电脑本地选取已保存的数据，进行数据回放，查看波形；图3.5为报警信息界面，在采集过程中若出现比较明显的数据峰值异常，可在本界面查看报警历史记录；图3.6为定时采集设置界面，可设置采集开始和结束的时间并在该时间段内自动完成采集任务；图3.7为主要参数设置界面，可按照不同的采集要求进行采集方式、通道数、采样频率等参数的设置；图3.8为数据分析界面，可选择并组合不同的数据分析处理算法，对数据逐步进行分析。图3.3实时监控界面图3.4数据回放界面图3.5报警信息界面图3.6定时设置界面图3.7参数设置界面图3.8数据分析界面3.2.2数据采集设计（1）实时采样(InstantAI)瞬时电压读取需要采用WinForm的定时器控件(Timer)定时触发采集卡驱动提供的Read方法。将方法置于Timer的触发事件Tick中，每触发一次Tick，便得到一个数值。程序简易流程如图3.9所示。定时器Timer的Interval属性表示时间间隔，接受数值为int整型，因此最小时间间隔可设为1ms，相应的最大采样率能达到1000Hz。在代码运行测试时，单通道下，将Interval设置为1，即理论上1s内Tick事件会执行1000次，得到1000个数值，但实际保存了几组10s的数据，发现每组数据个数都在640左右，即每秒采样约64个，精度为15ms，与设置值相差较大。图3.9InstantAI简易程序流程后改用Windows封装的另外两种System.Timers.Timer和System.Threading.Timer定时器，发现精度和WinForm下的差别不大。之后尝试用Thread.Sleep方法进行循环等待来实现定时，该方法最高精度同样为1ms，实际使用时却发现也有+1ms的误差。之后查阅相关资料，发现在多媒体应用上，因为对每一帧图像的获取精度要求都很高，因此通常使用一种多媒体定时器MmTimer，它是一个高精度且线程分离的定时器，不依赖消息机制，具有较高的优先级。在本文采集系统中实际应用此定时器，发现确实也有着很好的效果。因为Windows系统不是实时操作系统，所以很难准确地控制定时器精度，只能尽可能的降低误差。表3.1为各种定时方式在1ms精度下测试采集1000个数据的耗时情况，可知采用多媒体定时器能更好的保证InstantAI采样率的准确性。表3.1各定时器使用比较（2）缓存采样(BufferedAI)BufferedAI采用内部时钟采集数据，不依赖外部定时器，采样率可达上万，数据通过设置缓冲区(Buffer)的大小进行批量传输。Buffer缓冲区可被分为若干段(Section)，当开始采集时，获取的数据填入Buffer中，每当Buffer中的一段Section被填满，便会发出一个DataReady事件，用户可在该事件内调用GetData方法获取这一段的数据。若Section个数设为0，为流式采集，需用Stop方法停止；否则为有限采集，所有Section填满后会自动停止。流式采集程序简易流程如图3.10所示：图3.10BufferedAI简易程序流程BufferedAI的采样率由硬件时钟决定，舍弃实时性，可更快更多的进行数据传输，之后可统一对数据进行批量处理。在程序设计中，因数据传输量大，需注意Section不能设置过小，或DataReady事件处理代码过于复杂，不然会使旧事件还未完成，就被新触发的事件覆盖，导致数据丢失；若采样率设置过高，也会导致硬件缓存溢出，丢失数据同时也加重硬件负担。（3）定时采样为方便使用，软件在原有的采集功能上，加入了定时采集功能，不必人为控制采集的始停，用户可通过设置当天的一个时间段，当系统时间到达指定开始时间后，会自动开始采集，到达设定结束时间后自动结束，该段时间内采集到的数据也会自动保存到本地.txt文档中，用户可直接拿到进行后续分析。以InstantAI为例的定时采集程序简易流程如图3.11所示：图3.11InstantAI定时采集简易程序流程3.2.3波形显示设计软件使用GDI+的Graphics类进行绘图，用PictureBox控件进行动态波形显示。因采集时会随时获得新的数据，绘图需实时循环更新，本文使用List集合进行数据的传输和存放，该集合是一个可以动态增减成员的数组，可自动扩展成员个数，比普通数组更加方便效率。其程序简易流程如图3.12所示。先建立一张位图Bitmap(bmp)，每次获得数据，便将数据添加到List集合中，并转为坐标点传入绘图方法DrawCurve中，当满三个点时开始在bmp中画曲线，最后将bmp设置为PictureBox控件背景并实时更新显示。图3.12波形绘制简易程序流程当集合中的数据个数大于屏幕显示的最大宽度量时，删除之前面显示过数据，重新绘制新的数据，这样既实现了波形动态移动的效果，又避免了数据不断积累从而占用内存。程序启动时，会先初始化显示窗口为长和宽均十等分的网格，等开始采集时，采集到的振动数据会以波形显示在窗口中；对于已有的数据，也可以通过数据回放功能在回放窗口中重新进行波形绘图显示。3.2.4数据存储设计BufferedAI能提供较高的采样率，为防止在长时间持续高采样率下因数据量过大导致过高的内存占用，采集到的数据不能一直存放在内存中，若数据过多，需要及时转移到本地，以释放内存。通过实验测试，在10000hz采样率下，1min采集的数据占用了8M字节，如此换算2h后便可达到GB级，若实际项目所需采样率更高，采样时间更长，则更需要考虑内存溢出问题。本文方法是在数据用于图像显示之前，先保存为本地.dat文件写入到程序目录下的Data文件夹中，在保存时使用二进制加密方法来保护数据；在显示时，当波形满屏后，删除掉存放数据的集合中之前已显示过的数据，这样既保存了所有数据，也不会造成过高的内存占用。其简易流程如图3.13所示：每当一段采集结束，便会在本地生成一个.dat文件，使用该文件可以进行数据回放，也可通过数据保存按钮选择需要提取的.dat文件及保存路径，软件会将其另存为未加密的.txt文档，方便进行后续的数据查看与分析。3.2.5异常报警设计BufferedAI方式由于数据量太大，相应波形显示的也快，因此很难用肉眼直接观测到波形异常，只能拿到一段数据后通过后续分析来判断该段时间内是否存在异常情况。为了使用户能够在高速采集下也能及时捕捉到可能的异常，本文实现了一个BufferedAI采集下的异常报警功能。电机沿轴转动，其产生的振动信号在时域上具有一定的周期性，当电机出现异常时，其振动信号在幅值上会有较为明显的变化。BufferedAI的数据是以一个Section为单位批量传输的，我们将Section大小设置为一个周期的数据量，通过记录每段Section数据中的边界值和平均值，同时设立一个阈值，当新来的一组数据边界值超过这个阈值时，则认为该段数据存在异常值，记录该异常值以及出现时间，在报警提示窗口中记录显示并存入程序目录Log文件夹的log文件中，之后再比较后续数据，若之后数据恢复到边界之内，则可视为设备受到了临时外界干扰；若异常一直持续，则提示设备可能损坏，提醒用户及时排查异常。异常报警程序简易流程如图3.14所示：另外，该功能只能对比较明显的峰值异常作出识别并报警，其他如频率出现变化等情况并不适用，对于复杂的异常情况仍需要配合额外的数据分析功能来进行判断。3.2.6数据分析设计软件采集到振动数据后，接下来就需要实现数据的分析和处理，判断数据是否存在异常。因为数字信号处理相关算法运行以及可视化效果在MATLAB软件上更为简便高效，因此在数据分析模块设计上选择通过本文软件调用MATLAB的程序的方式来实现，这就涉及到了VisualStudio与MATLAB之间的连接问题，经过尝试发现，MATLAB可以将其.m程序文件打包编译成为.dll动态链接库文件供VS使用，不必开启MATLAB软件，便可在该上位机软件上运行MATLAB的数据分析程序，进行振动信号的分析。但.dll文件的调用和实现并不能脱离MATLAB的Runtime运行环境，所以此方法仍需要保证计算机中有MATLAB运行环境。首先需要将MATLAB的数据分析程序.m封装成Function函数，然后使用应用程序部署里的LibraryComplier工具，选择.NETAssembly类型，并自定义好函数名，之后便可将其打包编译成C#程序可用的.dll文件，在C#程序中添加该.dll引用，便可调用并运行.m中的函数；在传入输入参数时，也需要引用MATLAB自身的MWArray.dll文件，将C#中Double类型的数据转换成MATLAB函数支持的MWArray类型，才可正确地将输入传入分析函数，完成对数据的分析。分析程序流程为：选择好待分析的数据，可先查看其原始波形，通过时频分析方法查看时频特性，再用特征提取方法提取相关特征，最后使用分类识别方法对原数据进行分类。图3.15为以小波频带能量累加法和SVM分类为例的数据分析简易流程图，其函数都是通过.dll文件来调用MATLAB的原函数实现，因此得到的结果以及显示的形式也都和MATLAB中的运行效果相同。图3.15数据分析简易程序流程4结论本文的研究是通过建立电机状态监测与故障诊断系统的硬件与软件平台来实现电机振动信号的采集与分析，从而及时的发现故障并进行异常分析判断，有着很大的实际应用价值。（1）系统硬件部分的设计。在对现有的多数系统的硬件平台进行认真分析的基础上，根据硬件的便携性、可靠性以及性价比进行综合对比，对各个硬件进行了较好地选型与搭配。在传感器上，本文对其选择原则进行了深入的解释说明，为不同情况下传感器的选用提供了有效的判定方法，最终选用了精度高、体积小的加速度传感器；在信号调理上，设计了信号放大电路，对传感器的输出信号进行放大；在数据采集上，根据采集的速度、精度以及设备的便携性，选用了性能较高的研华数据采集卡；在电脑终端设备上，同样以轻量化、高性价比的原则选用了能支持蜂窝网络信号传输的嵌入式工控机，实现对采集数据的处理、存储与传输。整个硬件系统结构简单、安装便捷、性价比高，具有推广应用前景。（2）系统软件部分的设计。弃用了研华数据采集卡的自带软件，使用VisualStudio2019开发工具，用C#语言重新设计功能更多、性能