關于虛擬技術在設備信號診斷中的應用研究

金劍 路慧喜

摘 要：文章介紹了虛擬儀器的發展現狀、系統結構優勢和應用環境。以模塊化、高效化為切入點詳細闡述了如何將虛擬儀器技術運用于信號診斷系統中，以便能完成對于設備狀態的實時監測和預警。為虛擬儀器技術在汽車主機廠設備信號診斷領域的開發和應用提供了思路。文末展望了虛擬儀器技術在主機廠的應用前景。

關鍵詞：虛擬儀器;模塊化;狀態監測和預警;信號診斷

中圖分類號：TP306 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-68-03

Application of?Virtual Instrument Technology in SignalDiagnosis forMechanical Equipment

Jin Jian， Lu Huixi

（New Energy Automobile Co. Ltd of Geely， Zhejiang Huzhou?313100）

Abstract：This paper introduces the Development status， advantage of the System structure?and application environment of the virtual instrument. Elaborates how to apply virtual instrument technology to signal diagnosis system in detail from the point of modularization and high efficiency， in order to complete the real-time detection and early warning of equipment status. Providing?ideas for the development and application of virtual instrument technology in the field of equipment signal diagnosis in automobile main engine plant. Finally， having the?prospect of development direction in automobile main engine plant of the virtual instrument technology.

Keywords： Virtual instrument;Modularization;State monitoring and warning;Signal diagnosis

CLC NO.：TP306 ?Document Code： A ?Article ID：1671-7988（2020）04-68-03

引言

在汽車主機廠沖、焊、涂、總，四大工藝車間中存在眾多設備，隨著工業化程度不斷提高，復雜系統中使用的機械設備日趨智能化、復雜化和精密化^[1]，傳統的預防性維修或事后維修已經無法滿足生產的需要，每年會發生不計其數的設備故障，嚴重影響生產效率和產品交付，不僅造成人員成本增加而且會導致整車產品經濟損失。由此可見，如果能對生產線設備實時狀態信號監測與預警，就能及時地發現設備中的微小故障隱患，有針對性做好預防性維護，將隱患消滅于萌芽狀態。能極大地降低單臺車維修成本、縮短MTTR、提高MTBF，提升設備整體綜合開動率指標。這對于主機廠生產線設備的使用率、安全可靠性都具有非常重要的意義。眾所周知，傳統檢測設備缺點很多，例如維修成本高、兼容性差等，目前已無法適應工業4.0打造柔性化工廠的要求。隨著工業4.0的發展，軟件、通信網絡等技術得到了快速的發展，許多新的測試方法和技術也不斷地被應用到這些設備上，其中以軟件為核心的虛擬儀器技術為設備檢測開發提供了一套全新的科學技術手段。虛擬儀器系統由高效軟件、模塊化的I/O硬件和集成硬件組成，該系統具有強大的數據采集和數據處理能力，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件就能完成各種測試、測量和自動化應用。虛擬儀器技術為設備的狀態監測、預警與信號診斷系統提供了一個通用化的開發平臺，具備極大的開發價值。

1 虛擬儀器簡介

1.1 虛擬儀器特點

虛擬儀器是一個基于PC機的硬件平臺，由軟件、模塊化的I/O硬件和集成硬件三部分組成，是以計算機為核心的延伸，用戶可以自定義和設計，由應用軟件來實現測控功能及虛擬界面設計的計算機儀器系統^[2]。虛擬儀器系統具有擴展性強、性能高等特點，工程師可以高效的創建自己的應用以及友好的人機交交互界面。以LabVIEW為例，該圖形化開發軟件不僅能輕松的完成與軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，可以用模擬傳統儀器的方法，用控制面板將監測結果輸出，以完成儀器的各種測試功能。

1.2 虛擬儀器模塊化I/O硬件

虛擬儀器系統是由集成的軟硬件平臺、軟件及模塊化的I/O硬件部分組成，如圖1所示。

其實，在如今的汽車行業，面對愈來愈復雜的測試環境，虛擬儀器系統已經能夠提供很全面的解決方案，從信號的采集到信號的傳輸，涉及PLC、分布式I/O、CAN總線、振動信號等，接口方式通常具備比較好的通用性，常用的總線類型有RS-232串口總線、CAN總線、VISA總線以及PROFINET總線等。

2?信號診斷系統模塊設計

2.1?信號分析系統框架

目前，虛擬數據系統主要由信號傳感器、數據處理器和診斷儀器組成，如圖 2所示。

（1）信號采集模塊。針對具體的機械設備，在合理的位置安裝傳感器可以獲取機械設備不同數據參數，然后系統參數的物理量轉換為計算機可處理的電信號，供數據采集系統進行采集和處理。主要是針對主機廠生產現場設備的壓力、溫度、振動信號等參數，采集數據要具有可靠性高、信號分辨率強、時效性好等特點。

（2）信號處理器。用傳感器實時采集機械設備在工作環境中的振動數據，所得的原始信號不可避免的包含噪聲干擾^[3]，且噪聲的頻率多為高頻信號不宜直接采用，所以需要信號處理器對信號進行放大、低通濾波、隔離、萃取等措施進行預處理。

（3）特征提取。振動信號中包含大量設備狀態信息，對振動信號進行特征提取可以初步反映設備狀態，為后續狀態監測算法的學習和訓練機制提供數據支持，為模式識別提供基礎^[4]。信號特征提取時可以使用LabVIEW從頻域、時域和時頻域角度對振動信號進行特征提取，例如數據分段、低通濾波、零均值化等預處理方式，具體包含如下自相關和互相關分析、自功率譜、互功率譜、小波變換、短傅立葉變換、Wigner-Ville變換等。

（4）故障診斷模塊。當我們在對提取特征進行處理后，應該針對分析結果對生產設備的故障信號進行全方位的診斷。故障信號的診斷方法其實很多，比如常見的粒子群、小波包、支持向量機、神經網絡等。

（5）監測、報警模塊。監測報警模塊通常被用于各個信號實時狀態的監測，會提前對參數進行設定閥值，然后在設備正常運行時，判斷信號值是否超過設定的閥值，如果超過或低于閥值，系統會自動報警，提醒設備人員對目前發生的故障進行提前處理，防止造成大面積的停線。

（6）上位機監控界面設計。傳感器將采集數據傳輸到上位機，利用應用軟件進行數據分析和處理。一套完成的測試平臺需要包括數據采集、分析和控制處理的能力，最終由上位機提供可配置的參數設置和清晰直觀的結果顯示界面。

2.2 系統軟件設計

虛擬儀器系統軟件的作用是利用設備完成數據的采集、分析和處理。基于虛擬儀器的數據采集系統的軟件一般由驅動程序、應用程序編程接口及開發工具三部分組成^[5]。

在汽車主機廠通常針對電流或者機械振動設備檢測信號我們會利用串口來進行數據傳輸，LabVIEW可以通過VISA總線函數實現串口通信并實時顯示，LabVIEW的VISA模塊是位于儀器I/O到串口函數的界面選版中，是NI提供的I/O標準^[6]。

該軟件是NI公司研制的圖形化編程軟件，也是目前最為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境。軟件程序由前面板、程序框圖、接線端口這三部分組成，包括但不限于控制旋鈕、面板開關以及指示、控制器等。此外，LabVIEW還可以編譯生成可執行文件、安裝文件，能夠直接安裝工具包后來運行此程序。

LabVIEW作為一種標準的數據采集和儀器控 制的軟件^[7]，提供了圖形化程序設計平臺以及高級信號處理工具包，方便對汽車廠各種生產設備振動、電流等信號進行處理和分析。因此，測量振動信號分析和預警系統也是采用LabVIEW工具進行開發的。

3 虛擬技術在汽車廠前景展望

21世紀以來，隨著科學技術的高速發展，虛擬儀器技術將會有更加廣闊的市場和情景^[8]，針對國內汽車廠而言，工業4.0要求以更精益的方式完成智能制造的需求，虛擬儀器技術的性價比高，優勢明顯，如下：

（1）虛擬儀器系統的結構緊湊，符合汽車廠要求的模塊化設計需求，而且故障信號診斷性價比會越來越高，高效化的配置方案越趨向經濟和實用性，高性能的數字處理芯片的研發也會加速虛擬儀器技術進一步的發展。

（2）隨著工業4.0的到來，建設精益化、智能化、柔性化的工廠逐漸成為了大趨勢，相應的國內智能化軟件開發平臺市場也是需求量巨大，智能化軟件可能是虛擬儀器一個重要的發展方向。

（3）國防科技和各大高校在教學實驗中，會越來越廣泛的將虛擬儀器技術進行推廣。在未來社會發展中，“虛擬實驗室”、“虛擬汽車智能工廠”和“虛擬智能制造”等技術將會服務于教學和科研，也會潛移默化滲入到人們的日常生活中。

（4）在汽車廠中，四大工藝車間（沖壓、焊裝、涂裝、總裝）以及公用動力聯合站房、高配站房的設備每天都會發生各式各樣的故障，故障造成停線時不僅導致人工成本增加，還會嚴重影響產品交付效率，目前各大主機廠都在推行分布式測控系統、遠程監測及故障診斷系統，目的是能做到提前預警，所以預測性維護將會應用更加廣泛，而虛擬儀器技術的發展是預測性維護的關鍵實現路徑。

4 結束語

在目前的汽車主機廠中，采用智能化制造技術提高虛擬儀器軟件系統的診斷能力，對于實現生產設備的預測性維護和故障預警有個很大的作用。虛擬儀器技術測試系統具有時效性高、性能穩定、可擴展性強、診斷精準等特點，采集到的數據可以直接進行信號處理^[9]。基于該軟件的開發平臺性價比高、組態相對靈活，已經不再是功能單一、固定不變的結構，而是基于工業4.0打造愈來愈趨于柔性化、智能化。針對擴展性需求我們只需對軟件增加相應的模塊即可，不同的硬件傳感器就能組成相應需求的測試系統，從而可以有效實現對生產過程中機械及電氣設備的狀態監測、故障診斷和故障預警。隨著高性能數字芯片和智能軟件的不斷發展，系統逐步向虛擬儀器方式開始演變，用軟件編程和模塊化設計替代了傳統繁雜的硬件電路，不僅降低了成本，而且穩定性更好。綜上所述，虛擬儀器技術必將在主機廠設備狀態監測與故障診斷領域中具有更加廣泛的應用前景。

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