離心泵機組故障診斷系統設計研究

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摘要:為了實現離心泵的預測性維護策略實施，基于LabVIEW圖形化編程語言，設計了一種離心泵機組遠程在線監測與故障診斷系統。通過具體的設計實例，從總體架構設計、硬件選配和系統軟件構建三個方面闡述了旋轉機械振動信號監測與診斷系統的一般性設計流程及軟件系統的LabVIEW實現方法。

關鍵詞:離心泵;狀態監測;故障診斷;LabVIEW

離心泵是石油化工生產中的重要設備，石化化工生產的連續性特點要求離心泵機組在運行過程中對故障的發生能夠提前做出預測，從而可以根據生產任務制定維修方案［1］。為了滿足故障可控的實際需求，對離心泵機組實施在線監測和故障診斷是開展預測性維護策略的前提與基礎。在離心泵各部件中，只有軸承的壽命存在很強的離散性，換而言之，若根據軸承的基本額定壽命選型，只能保證90%的可靠性，因此對軸承實施在線監測和故障診斷是實現離心泵預測性維護的首要任務，也是保證離心泵正常運行的最重要途徑。目前，針對離心泵等旋轉機械的故障診斷理論與技術在學術界得到了廣泛的研究［2－4］，本文在此基礎上，結合生產實際，搭建了硬件采集系統并開發了基于LabVIEW的軟件診斷系統，對離心泵機組運行時的振動信號進行了現場采集，并通過TCP和串口通訊協議遠程控制采集動作，實現了離心泵振動信號的波形顯示、存儲、故障診斷等功能。

1系統總體架構設計

為了適應工業生產嚴酷的環境，系統選擇上下位架構來完成整個系統的構建。在現場，下位機選收稿日期:2021－01－9基金項目:甘肅省教育廳2020年高等學校創新基金項目(2020A－197)作者簡介:李彥軍(1988－)，男，甘肅秦安人，助教，碩士．擇NI公司的cDAQ控制器實現現場采集任務的控制;在集控中心，上位機負責數據顯示、數據存儲、數據處理、信號分析和指令發送等。數據的傳輸采用TCP通訊協議，指令通過串口協議發送與接受?？傮w框架圖如圖1所示.

2硬件選配

系統硬件主要有振動傳感器、NIcDAQ控制器、數據采集卡、PC機和光纖等組成。在傳感器的選擇上，結合位移、速度和加速度傳感器的適用特點與當前的監測需求，由于進行的是較寬頻帶范圍高頻信號的排查性監測任務，選擇了振動加速度傳感器。設備振動信號通常非常微弱，在工業上普遍采用的加速度傳感器是自帶電壓放大器的壓電集成電路加速度傳感器(IEPE)?？紤]到對軸承做包絡譜分析時，共振頻率帶在5000Hz左右，雖然根據采樣定理，選擇頻響范圍應大于10000Hz的傳感器所采集的信號有幅值失真，但是在包絡分析時共振頻帶幅值的失真并不影響低頻分析結果，基于以上分析結果，所選傳感器型號如表1所示。cDAQ控制器是NI公司用來替代工業控制計算機的產品，其功能相當于一臺微型計算機，可運行Windows、Linux@Real－Time操作系統，可將C系列數據采集卡嵌入其插槽中實現對數據采集卡的控制。以cDAQ－9132為例，可控制C系列I/O模塊與集成計算機之間的定時、同步和數據傳輸，擁有IntelAtom雙核處理器和16GB非易失性存儲，適用于數據記錄和嵌入式監測，并且包含有各種標準連接和擴展選項，包括SD存儲器、USB、以太網、RS232串口以及觸發器輸入等，可以將其與多達四個C系列I/O模塊組合，以便自定義模擬I/O、數字I/O、計數器/定時器以及控制器區域網絡(CAN)測量和記錄系統。在數據采集卡的選擇方面，需選擇能夠為IEPE傳感器提供激勵電流且與cDAQ控制器適配的C系列板卡。以NI9234為例，包含有四個通道，最大采樣率為51．2kHz，集成了IEPE信號圖2cDAQ和C系列板卡集成調理功能，各輸入通道可同步測量信號，每個通道都內置了能自適應調整采樣率的抗混疊濾波器，常用于狀態監測信號的頻率分析和階次跟蹤等。將cDAQ－9132和NI9234集成后如圖2所示。

3系統軟件設計與實現

由美國NI公司推出LabVIEW圖形化開發語言不僅能夠快速的搭建采集程序，同時也擁有強大的前端開發能力。因此系統選擇LabVIEW為開發語言進行軟件系統地構建。根據系統架構設計，軟件系統分為兩層:在下位機中布置的采集層和在上位機布置的診斷層。采集層程序包括數據采集模塊、TCP驅動模塊、TCP發送模塊、VISA驅動模塊。在數據采集模塊，NI－MAX是當前所有NI數據采集卡的驅動，在LabVIEW中有相應的VI函數庫NI－DAQmx，通過調用相應VI，設定物理通道，采樣速率，采樣模式等相關參數就能快速實現程序對傳感器的控制以及數據的采集，程序設計框圖如圖3所示。TCP驅動模塊在設定的端口不斷偵聽用戶，當有用戶訪問時根據用戶ID與診斷層建立連接，通過TCP發送模塊發送數據，程序設計框圖如圖4所示。VISA模塊主要完成串口通訊連接，首先配置串口:選擇串口名稱，設定波特率和數據比特;讀取數據后通過字符串的模式匹配實現命令類型和命令數據的分離。診斷層功能包括TCP數據接收、串口指令發送、波形數據存儲、波形顯示、特征指標提取、故障診斷、故障預警等。TCP發送數據只需調用讀取TCP數據VI，讀取字符串數據后經過還原處理，就可得到與下位機采集的數據格式相同的結構化數據。串口指令發送模塊相對簡單，串口配置完成后僅需調用VISA函數，依據下位機VISA模塊已正則化的字符串格式寫入即可。在波形存儲模塊，LabVIEW雖可以實現與MySQL、SQLServer等關系型數據庫的交互，但是數據庫的功能受到了很大限制，考慮到在本系統中只需完成數據的存儲與檢索，數據間并不存在復雜的邏輯關系，當選擇TDMS格式存儲為宜;TDMS格式是LabVIEW專屬的一種二進制數據存儲類型，適合存儲海量數據，兼有高速、方便和易存取等優點，其功能實現只需調用TDMS各VI就能完成波形數據的寫入與讀取。在故障診斷模塊，所要顯示的波形圖有時域波形以及波形的時域自相關圖、時域能量值、均值、均方根值、歪度、峭度和峰峰值，頻譜圖和包絡譜圖。自相關圖表征了測量信號的隨機性，可作為是否是周期信號的判斷依據;均方根值反映信號能量大小，相當于電學中的有效值，能夠評價振動等級和烈度;若旋轉機械等設備當存在某一方向的摩擦或碰撞，或者某一方向的支撐剛度較弱時，會造成振動波形概率密度函數的不對稱，其歪度會增大;峭度指標對沖擊成分最為敏感，當早期發生故障時，大幅值的脈沖還不是很多，因此其均方根變化不大，但是其峭度指標變化明顯，當故障逐步發展時，峭度指標上升明顯。除了以上時域指標，頻譜波形可以作為軸系不對中、不平衡、松動、油膜渦動等故障的診斷依據。特別地，為了能夠發現軸承的早期故障，在系統中加入加速度包絡分析技術解調處理軸承故障信號。其原理為:采集得到振動信號后，通過高通或帶通濾波，消除掉低頻干擾成分，提高信噪比后會得到一個周期性的調幅信號，載波是軸承和軸承座的共振頻率。通過包絡檢波器檢波后，去除掉高頻振動衰減成分，得到只包含軸承故障特征信息的低頻包絡信號。對這一信號進行FFT變換便可得到軸承故障特征頻譜圖。而滾動軸承的內圈、滾動體、保持架和外圈都有各自的特征頻率，若在故障特征頻譜圖上出現某一特征頻率峰值過大及其高次諧波，便說明軸承的相應部件已經存在損傷。診斷過程如圖5所示，包絡譜分析的程序框圖如圖6所示。圖5診斷過程實現流程

4結束語

本系統通過上下位機架構分別選配NI系列數據采集設備搭建了硬件采集系統，基于LabVIEW圖形化編程語言編寫了軟件診斷系統，實現了離心泵機組在運行過程中振動信號的采集與分析，完成了軸系不對中、不平衡，軸承內部缺陷等故障的診斷，為生產現場離心泵的預測性維護策略的實施提供了很好的實踐經驗。

參考文獻:

［1］趙榮珍，盧文剛．基于LabVIEW的離心式化工泵振動測試系統設計［J］．蘭州理工大學學報，2020，46(04):33－37．

［2］郭小帥．電動機及離心泵組在線監測與故障診斷方法研究［D］．北京:北京化工大學，2020．

［3］雷亞國，賈峰，等．大數據下機械智能故障診斷的機遇與挑戰［J］．機械工程學報，2018，54(05):94－104．

［4］朱興統．旋轉機械智能故障診斷方法的研究［D］．廣東:廣東工業大學，2020．

作者：李彥軍 王宇飛 單位：蘭州石化職業技術學院 機械工程學院