Labview在船用振動噪聲故障監測系統中的應用研究

陳哲人（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

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Labview在船用振動噪聲故障監測系統中的應用研究

陳哲人
（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］基于虛擬儀器研發1套通過分布式測量方法實現對船舶各主要運行設備的振動噪聲水平進行實時監測的系統。通過數據分析對設備的運行狀態進行評估，當運行異常時，系統發出預警和報警，系統采集的大量歷史數據也可為設備故障的預判、排除及后續船型的設計和改進提供有力支持。

［關鍵詞］健康監測與故障預警；分布式測量；數據采集；虛擬儀器

引 言

實時監測船舶主、輔機等主要設備、管路和螺旋槳等其他設備的振動和噪聲，在出現細微異常情況時就加以關注，在數值出現波動并達到預設報警值時立即報警，防患于未然，才能及時排查問題解決問題，防止機器設備在出現異常后繼續疲勞作業，而造成設備損壞，避免重大事故發生，從而確保船舶設備正常工作和船舶安全航行。因此監測船舶的振動和噪聲不但能有效預防事故的發生，還能根據存儲的歷史數據事前預估船舶性能情況、及時預報預警，對可能出現問題的船舶在出海前進行檢查整修，將風險降到最低，確保船舶航行時的高效正常工作。

在人性化社會的今天，提高船舶居住的舒適性顯然十分重要，然而，振動加劇會對環境造成噪聲污染，并進一步影響到旅客、船員的身體健康。因此，降低船舶的振動和噪聲勢在必行。本系統監測到的船舶航行時的振動和噪聲數據情況有利于設計人員了解到自己設計的減振降噪設備的實際運行情況，以便在未來設計中進行改進和提高，就好像設計人員延伸出來的手和眼睛一樣。為未來船舶設計的研究與改進提供一個寶貴的“現場實驗室”，不僅能驗證設計成果，而且為理論研究提供了最真實的現場信息。

分布式系統應用于本套系統的優勢在于可以通過化整為零，再化零為整的方法完成龐大的全船監測工作。分別監測船舶上的各類設備如柴油發電機、水泵和風機等，在前端部分直接將傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號，再通過光纖將數據匯總到總控制臺。這樣做可以避免電荷信號因導線過長而導致信號不穩定，從而保證可靠的信噪比。此外，分布式系統還能保證前端監測儀器多臺同步監測，在其中一臺發生故障損壞時不會影響到其他設備的正常運行，保證系統的高可靠性和穩定性。分布式系統對于不同的船舶還可以方便地根據船舶大小和設備多少來增加或減少監測點，從而保證系統廣泛的適應性。

通過研究發現，基于 LabVIEW 的船用振動噪聲故障監測系統，具有研制周期短、開發成本低、性能可靠、容易組建、界面友好、易于功能擴展等優點，在未來不斷完善后能有效實現對船舶在線監測和故障診斷，具有很好的實際應用價值［1-6］。

1 系統的設計方案

如圖1所示，本套船用振動噪聲故障監測系統大體可以分為6個子系統：數據采集、數據管理、數據分析、故障診斷、報警處理和遠程傳輸。本系統將會實現以下幾方面的功能：

圖1　船用振動噪聲故障監測系統結構

（1）實時采集船舶在航行過程中的振動和噪聲的信號，并進行一定的信號調理。

（2）對采集到的振動噪聲信號的相關數據進行管理，將機器設備正常運行狀態下的數據和發生故障時的數據分開存儲，方便日后對船舶整體及船舶設備進行更深入的分析。

（3）用一定的方法對經過處理后的振動和噪聲數據進行分析，為判斷船舶是否發生故障提供依據。

（4）在對振動和噪聲信號進行各種分析之后，能夠根據分析的結果實時判斷船舶是否發生故障。

（5）在系統發現故障后，要能夠及時準確的進行報警，并且提示故障的位置，提醒工作人員進行故障處理。

（6）采用分布式的思想，保證用戶不僅能夠在現場監測設備的運行狀態而且還要能夠在操作間以及其他重要場所實時地遠程監測設備的運行狀態；因此需要采取合理的數據傳輸方式，使用戶在這些場所能夠共享數據。同時設計良好的人機交互客戶端的監測系統來滿足各種層次用戶的要求。

1.1 數據采集

對于數據采集來說，首先是確定采集對象被測量，本套系統主要針對船舶整體和船舶設備如：柴油機、汽輪機、燃氣輪機等主機；柴油發電機組、汽輪發電機、風機、冷卻水泵、空壓機、舵機空調機組等輔機；以及減速齒輪箱、傳動系統與軸系等。

對于被測對象來說，測點布置應該符合振動噪聲測量相關規定。另外振動烈度的測點的布置原則為：測點應選擇能代表機器整體運動的剛性較強的部位；每個測點應測量三個互相垂直的方向。在噪聲測量上可以采用目前國內最為普遍的聲壓法測定聲壓級。以上具體參照GJB4058-2000艦船設備噪聲、振動測量方法［7］。

確定好采集對象之后就是信號前端的拾取，振動測量方法按振動信號轉換的方式可分為電測法、機械法和光學法。其中電測法是目前應用最廣泛的測量方法。傳感器對于信號前端的拾取可以說是不可或缺的。本套振動噪聲故障監測系統振動監測方面使用具有TEDS功能的CCLD/IEPE壓電式加速度傳感器。噪聲監測采用電容傳聲器。

如圖2所示，被測信號通過傳感器的采集后進入數據采集卡等I/O接口設備完成被測輸入信號的放大衰減、調理、模數轉換等功能。可以按照實際情況采用不同的I/O接口硬件設備，如數據采集卡（DAQ），GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器和PXI總線儀器等。

圖2　虛擬儀器結構框圖

典型基于計算機的DAQ系統框圖如圖3所示。它由傳感器、信號調理儀器、數據采集硬件設備和已經裝有DAQ軟件的計算機組成。

圖3　DAQ系統框圖

本套系統的DAQ系統包括傳感器、NI數據采集板卡、計算機以及在LabVIEW基礎上開發的集合信號調理、實時監測和故障報警等功能的軟件。通過 LabVIEW 實現數據的采集有各種各樣的方式，其中最簡單易學的肯定是直接利用 NI 公司生產的數據采集板卡和 LabVIEW 中的數據采集 VI 實現。

1.2 數據管理

數據管理必須具備一個數據庫，數據庫主要功能是接收、存儲和回放采集到的振動加速度、振動烈度、噪聲和溫度等與船舶安全性和適居性相關的各種實時數據。并向數據分析、故障診斷、報警等子系統提供這些數據。

本套監測系統每天采集大量振動和噪聲數據，并且把它們傳送給數據管理系統，這就要求數據管理系統能夠對信號拾取前端傳來的大量數據進行高效穩定的存儲。另外，為之后分析船舶運行時安全性和適居性的情況時，數據管理系統還必須提供按時間、測點、通道等條件對歷史振動和噪聲數據及相關過程量進行查詢的功能。

數據管理系統的重要性不僅在實時監測系統中做到承上啟下的作用，更重要的是為后期的分析提供一個完整方便的歷史數據庫。在進行研究分析時，一個龐大的數據庫價值千金，其實際性和理論依據相結合能更好地改進提供船舶的性能。因此，數據管理系統也是重要的一環，應該在今后不斷優化革新本套數據管理系統。

1.3 數據分析

數據分析系統能夠對振動和噪聲數據進行一定的轉化處理分析，如時域信號進行快速傅立葉變化成頻譜等方便我們查看和分析已獲得的數據。

在數據采集系統中通常獲得的是時域信號。對于函數曲線來說，較高的采樣率能保證曲線的光順和準確性，這也符合采樣定理（即奈奎斯特定理），在進行信號D/A轉換時，根據實際經驗，通常默認采樣頻率為所需分析的信號最大頻率的2.56倍。

FFT分析儀對時域數據進行快速傅立葉變換FFT（Fast Fourier Transformation），可得到自功率譜、互功率譜、傳遞函數等。FFT分析的流程圖如圖4所示。

FFT分析是目前對振動加速度、振動烈度等振動信號分析最為常用的方法之一，在此基礎上也可以繼續對信號進行轉換處理，如倒譜變換、小波分析等。

倍頻程分析是目前對于噪聲較為普遍的分析方法。倍頻程指的是使用頻率是基準頻率的2的n次方倍，也就有n次倍頻程的概念。恒定百分比帶寬分析（Constant Percentage Bandwidth）其帶寬是中心頻率的一個恒定百分比值，帶寬隨中心頻率成比例增大或減小。通常使用1/1倍頻程（也可稱為倍頻程）和1/3倍頻程分析。中心頻率可以表示一個頻率范圍內的聲音，但不是表示一個頻率的純音，它是使用頻率與基準頻率的乘積的平方根。帶寬可以通過以下公式獲得：帶寬=［（2（1/n）-1）×中心頻率］。

圖4　FFT分析流程圖

FFT和倍頻程分析時，頻率分辨率越高對穩態信號越好，而對非穩態信號，則要根據時域數據的長度和周期性來選擇頻率分辨率，比如開機和關機時突然增大或減小的振動信號。對于穩態信號主要使用線性平均的分析方法，對所有參加平均的樣本權重加權，消除外界環境干擾的影響。而對于非穩態信號的測量則采取指數平均的方法，對最近時刻的樣本取最大加權權重，觀察其當前變化趨勢。

在數據分析中，還需要選擇窗函數的類型，窗函數是一種在給定區間外其他值均為0的實函數。目前有多達數十種普遍應用的窗函數，比如Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、力窗、平頂窗、指數窗等。Hanning窗適用于分析隨即信號，能減少功率的泄漏，是實時分析查看信號最為常用的窗函數之一。

在進行數據分析時還通常采用圖形分析法，常有的圖形有頻譜圖、波形圖、瀑布圖、趨勢圖、級聯圖、軌跡圖、波德圖、奈奎斯特圖等。

1.4 故障診斷與報警處理

故障診斷系統以分析處理后的數據和信息為核心，通過與常見故障對應的特征征兆作比較來診斷故障。常見的振噪聲故障診斷方法有傳統故障診斷方法、診斷專家系統、人工神經網絡以及模糊診斷方法等幾種［11］。

目前本套系統還是以傳統故障診斷系統為主，加入模糊診斷方法的思想進行輔助改進，根據歷史數據庫和一些常見故障的特征建立數據模型，并結合專家豐富寶貴的實際經驗和行業標準來判斷船舶及船舶設備的一些常見故障。

報警系統雖然不經常觸發，但是產生故障信號時，必須實時處理，具有系統最高的優先級。觸發報警系統后，會并發數據記錄程序，將異常情況時的系統數據進行記錄，以備日后查看分析。

1.5 遠程傳輸

網絡通信是構建智能化分布式自動測試系統的基礎。儀器智能化進一步加強，標準化程度進一步提高，網絡測控技術進一步發展。把網絡技術與虛擬儀器相結合，構成網絡化虛擬儀器系統，就是虛擬儀器系統發展的方向之一。

LabVIEW提供了強大的網絡通信功能，包含TCP、UDP、DataSocket等。NI公司基于TCP/IP協議推出了DataSocket這項新技術，DataSocket面向測量測試和網上實時高速數據傳輸交換，可傳輸交換數據在1臺計算機內或者網絡中多個應用程序之間，簡化了比較復雜的 TCP/IP 底層編程，傳輸速率大大提高，極大簡化了互聯網上測控數據交換的編程。DataSocket能夠在測量測試和自動化應用程序中應用于共享和發布實時數據［12］（如下頁圖5所示）。

整個系統采用目前十分流行的分布式概念來傳輸數據，以以太網為通信協議，用雙絞線或光纖網線來連接，通過智能HUB來高效穩定地轉接，并且直接通過網絡供電模式給前端采集設備供電。以太網定義了在局域網中采用的電纜類型和信號處理方法。分布式系統采用的是星型拓撲結構，它具有管理方便，容易拓展的特點。分布式系統的好處是能保證前端監測儀器多臺同步監測，當某臺前端監測設備出現問題故障時，不會影響其他前端監測設備的正常運行，保證了系統的高可靠性和穩定性。在前端部分直接將傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號，再通過光纖將數據匯總到總控制臺。如此便可避免電荷信號因導線過長而導致信號不穩定，從而保證可靠的信噪比。而且將采集到的數據統一匯總至總控制室，還便于統一查看并處理分析。分布式系統對于不同的船舶還可以方便地根據船舶的大小和設備的多少來增加或減少監測測點，保證系統廣泛的適應性。

圖5

2 基于LabVIEW開發的系統軟件

虛擬儀器能夠應用不同的測試監測功能軟件模塊的組合來滿足更多種多樣的用戶需求，所以在硬件平臺確定后，就有“軟件即是儀器”的說法。這也體現了測試監測技術與計算機深層次的結合。

首先是本套系統的人機交互界面即前面板如圖6所示。

圖6　人機交互界面

良好人性化的人機交互界面應該盡可能地使界面清晰整潔，方便用戶快速適應軟件操作。應該能夠應對龐大的測試量、數據的分析處理、波形的實時顯示和數據的保持等繁多的任務。界面的設計原則有面向對象的設計、可視化設計、開放式結果等。

軟件更為重要的便是軟件的設計想法和程序編程。首先引入一個狀態機結構的概念，狀態機的最大優點就是在之后的修改或添加功能時的便利性。在了解狀態機結構前，順序模式是我們最先接觸的，也是最基本的一種編程模式。程序按照固定的順序來執行、結束，但是在很多情況中，靜態的順序模式并不能滿足編程的要求，我們要實時改變程序的執行順序通過利用更有效的動態結構。狀態機模式如圖7所示。

圖7　狀態機模式

狀態機是對系統的一種描述，該類系統包含了有限的狀態，并且在各個狀態間可以通過一定的條件進行轉換。一般可用狀態圖來對一個狀態機進行精確的描述。

本套系統軟件通過狀態機結構分為初始化、設置、運行、退出4個狀態。如圖8所示。

圖8

構建狀態機有一個非常重要的技巧就是使用枚舉常量來作為狀態變量。枚舉常量包含兩組成對的數據，一組是數值，另一組是字符串，一一對應。在用戶界面上，能夠直觀地看到字符串，而在程序面板上簡單明了地表示為數值型數據。枚舉常量結合條件結構使我們在條件判斷框中，看到的并非單純的數值，而是自己定義好的字符串，如此直觀的表現形式方便管理不同的狀態。另外，在條件結構上右鍵單擊，然后為每個值添加分支，就能自動根據枚舉數據將條件結構展開，確保每個狀態的完整性。使用自定義枚舉常量對狀態機的分支進行添加或刪除通常是最簡便的方法。只需要編輯自定義枚舉常量即可自動更新狀態機中任何位置的狀態變量，對于后期修改軟件是非常重要的。自定義枚舉變量及其編輯界面如圖9所示。

在初始化狀態中，對采集通道、采集模式、每通道采樣數和測試信號類型等參數進行初始化賦值，賦予常用默認值，可以方便用戶省去每次操作時重復這些步驟。初始化狀態的程序框圖如圖10所示。

在設置狀態中，將各個單獨的參數捆綁成一個簇，便于將這些設置好的參數打包傳遞給下一個狀態，在按下設置確認按鈕后，通過其可見屬性函數將其隱藏，可使程序中的參數在完成設置后不被用戶隨意修改而影響后續的程序運行。設置狀態的程序框圖如圖11所示。

圖9　自定義枚舉變量及其編輯界面圖

圖10　初始化狀態的程序框圖

圖11　設置狀態的程序框圖

運行狀態是本套系統軟件的關鍵，首先使用的是LabVIEW的專門用于數據采集的DAQmx函數，通過其中諸如DAQmx創建通道、定時（采樣時鐘）、開始任務、讀取任務、停止任務和清除任務等來采集數據。在創建通道時采用條件結構，使本套系統可以根據用戶的設置選擇采集振動或噪聲信號。并且設計的多通道采集以二維數組形式讀取，每個通道為一維，而一個通道的每個采樣數據為另一維。另外在運行狀態中在內套一個循環結構和事件結構來處理數據采集后的存儲和初步的實時顯示時域波形。在數據存儲中又分為定時自動存儲和點擊按鈕存儲兩種方式。定時存儲可以每隔1小時進行1次數據的記錄，而且還輔助有手動存儲來滿足用戶按照自己的需要來保存某個狀態時間的數據。當數據存儲成功時會亮起綠燈并顯示保存文件的路徑和相對應的文件名方便用戶來查找。其中例如定時存儲功能運用的只是加一函數、等于函數和移位寄存器三個簡單的基礎模塊有效的組合就完成了所需的要求。移位寄存器是循環結構特有的一個附加對象，它可以將本次循環完成時的數據傳遞給下一次循環來使用。對于數據的分析部分則是使用一個條件結構和枚舉輸入控件的組合，用戶可以切換選擇自己需要的分析方法，方便快捷而且利于今后的添加修改。在FFT分析時，通過索引數組和創建波形函數相結合可以讓用戶選擇查看某一條通道的波形圖和數據等，這樣就可以知道每個測點實時的振動和噪聲水平的情況。將分析模塊和采集模塊并置在一個循環中可以滿足用戶實時查看動態數據的分析結果的要求。頻譜測量，FFT分析和倍頻程分析等都是LabVIEW附加包中比較智能化的模塊，方便開發者直接使用，省去大量不必要的底層模塊的編程工作。運行狀態的程序框圖如圖12所示。

圖12　運行狀態的程序框圖

最后就是退出狀態，通過點擊停止按鈕后進入退出狀態，利用等于函數符合等于條件退出整個循環。退出狀態的程序框圖如圖13所示。

圖13　退出狀態的程序框圖

3 結 論

綜上所述，現已初步實現一套應用于實時監測全船的振動噪聲情況并作出相應故障診斷的分布式健康監測系統，包括數據采集、實時監測、動態顯示、數據存儲管理、數據分析處理（如FFT分析、倍頻程分析、自功率譜分析等）、故障診斷、報警及遠程傳輸監測等功能。

由于本套系統是基于研究所研發項目的一個設計課題，整個課題項目非常龐大而且處于初期研發階段。因此目前的設計研究還有很大的后續提升空間：

（1）應用SQL Sever于數據管理系統，加強對存儲后的數據的科學化管理。

（2）配備報表自動生成功能和整點制表功能，方便用戶獲取標準統一的報告報表。

（3）加強數據分析子系統的分析功能，研究開發更多適合振動好噪聲分析的分析模塊。

（4）通過MATLAB和LabVIEW相結合研究神經網絡的故障診斷方法。

（5）采用多任務多線程機制，優化提高整個系統的運行性能和穩定性。

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Application of Labview in fault monitoring system of ship vibration and noise

CHEN Zhe-ren
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:The real-time vibration and noise levels of the main operation equipments on ships are monitored by the distributed measurement method based on the development of virtual instruments. The system can send early warnings and alarms under the abnormal operations, resulting from the evaluation of the operation conditions by data analyses. A large number of the historical data collected for the system can provide strong support for the prediction and elimination of the equipment faults, and the subsequent design and the improvement of ships.

Keywords:health monitoring and fault warning; distributed measurement; data acquisition; virtual instrument

［作者簡介］陳哲人（1992-），男，助理工程師，研究方向：船舶結構與振動噪聲。

［收稿日期］2015-08-19；［修回日期］2015-10-22

［中圖分類號］U661.44

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0045-08