基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

潘顯斌，孫康，林彬彬，田志新，徐震

摘? 要： 開發(fā)了一種基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集卡、適配箱和傳感器等設(shè)備構(gòu)建的電機(jī)故障監(jiān)測仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以Labview編程語言作為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過調(diào)節(jié)虛擬開關(guān)來進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集操作，并通過預(yù)測模型對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。選用凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)功能進(jìn)行分析驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)故障預(yù)測較為準(zhǔn)確且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)故障; Labview; 數(shù)據(jù)采集; 測控系統(tǒng); 故障診斷

中圖分類號(hào)：TH89? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2022）06-76-04

Development of motor fault monitoring system based on Labview

Pan Xianbin， Sun Kang， Lin Binbin， Tian Zhixin， Xu Zhen

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200000， China）

Abstract： In order to improve the efficiency and automation of motor fault monitoring， a motor fault monitoring system based on Labview is developed. The monitoring system is a motor fault monitoring simulation platform constructed by data acquisition card， adaptive box and sensor. Using Labview programming language as a software development platform， the motor operation data is collected by adjusting the virtual switch， and the fault data is simulated by the prediction model. The bearing database of Case Western Reserve University is used to analyze and verify the system functions， which proves that its fault prediction is more accurate and its operation is stable and reliable.

Key words： motor fault; Labview; data acquisition; measurement and control system; fault diagnosis

0 引言

電機(jī)在人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛[1]，例如：金屬切削機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及食品機(jī)械等，所以保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，對人類日常生活或工業(yè)生產(chǎn)十分重要。目前，諸多國內(nèi)外學(xué)者提出了智能的電機(jī)監(jiān)測方法，劉振興等人對電機(jī)的故障以及相關(guān)的診斷技術(shù)做了綜述[2];孟東容搭建了振動(dòng)電機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，用于分析電機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條和氣隙偏心故障[3];S.W等人提出了一種基于歐氏距離測度的機(jī)械振動(dòng)診斷集成模式識(shí)別方法，研制了一套計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)[4];宮文峰等運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對滾動(dòng)軸承內(nèi)發(fā)生的微小故障作出智能診斷，準(zhǔn)確率高且具有良好的泛化遷移能力[5];蔡燕等設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器的SRM實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并做實(shí)時(shí)記錄[6];張丙才等以Labview為平臺(tái)開發(fā)了用于信號(hào)采集與分析的多功能虛擬儀器系統(tǒng)[7];范春濤，徐城烽等開發(fā)了基于虛擬儀器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、顯示與反饋等功能[8]。

因此，基于前人研究，為了提高電機(jī)故障監(jiān)測效率，并保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性，本文開發(fā)了一種基于虛擬儀器的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析預(yù)測電機(jī)性能和故障情況并作可視化操作，該系統(tǒng)具有較高的擴(kuò)展性和冗余性，可適用多種電機(jī)的故障監(jiān)測要求。

1 系統(tǒng)組成

本文研究的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)功能部件組成：振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、采集模塊、分析模塊以及監(jiān)測模塊。監(jiān)測系統(tǒng)主要采集被測電機(jī)的振動(dòng)參數(shù)和溫度參數(shù)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

分析模塊和監(jiān)測模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)里，基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)人機(jī)界面運(yùn)行在移動(dòng)電腦的Windows操作系統(tǒng)上。被測電機(jī)為監(jiān)測系統(tǒng)提供負(fù)載。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 分析模塊、監(jiān)測模塊硬件設(shè)計(jì)

本文搭建的系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，且需保證較高的通信速率與系統(tǒng)魯棒性，所以選用基于Modbus協(xié)議的RS-485通訊總線作為監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式。

2.2 采集模塊硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)測試需求需具有485輸出信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)、振動(dòng)位移信號(hào)、溫度信號(hào)。因此，選用PT100溫度傳感器，精度等級(jí)0.2，可以滿足實(shí)驗(yàn)測量要求。選用振動(dòng)傳感器為一體化振動(dòng)變送器HG- ZD-20A，可采集電機(jī)振動(dòng)的位移數(shù)據(jù)以及振速數(shù)據(jù)。采集卡選用亞為YAV 16AD電壓電流模擬量多通道Modbus板卡，具有RS-485接口，可滿足上下兩層設(shè)備的通訊要求。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485通信總線輸入信號(hào)，通過NI-VISA應(yīng)用程序編程接口接收采集板卡的數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)操作，降低編程難度。

電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用事件-平鋪-條件架構(gòu)。將采集數(shù)據(jù)加入平鋪結(jié)構(gòu)中，從平鋪結(jié)構(gòu)中按幀獲取數(shù)據(jù)流，并賦值給下一處理模塊。主程序也需要按照下一模塊發(fā)送的指令，來推送對應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)。通訊與數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。

3.2 通信設(shè)計(jì)

電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)通過RS485串行總線與被測電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其他操作指令在While主循環(huán)內(nèi)通過調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)來接收VISA發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖3所示。

由于采集不同的數(shù)據(jù)在傳輸通道中長度各異，所以為了保證接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對通過RS485串行總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，采用Modbus CRC16校驗(yàn)方式對采集卡發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，其中CRC校驗(yàn)程序框圖如圖4所示。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)是基于2016版Labview圖形編程語言開發(fā)的，用戶界面友好，且具有高可靠性、模塊化等特點(diǎn)。監(jiān)測系統(tǒng)人機(jī)界面采用虛擬儀表來表示所測電機(jī)的振動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)界面虛擬開關(guān)和儀表旋鈕來進(jìn)行監(jiān)測操作。對于復(fù)雜的故障仿真過程，采用NI嵌入的分析模式，其中監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖5所示。

監(jiān)測系統(tǒng)的四個(gè)主要功能模塊：串口通訊設(shè)置、振動(dòng)與溫度信號(hào)采集、采集數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)查詢。各功能模塊及其包含子模塊的功能詳述如下。

串口通訊設(shè)置模塊是監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心，通過RS485串口與被測電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過發(fā)送不同的指令來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端對采集卡數(shù)據(jù)的讀取操作。

振動(dòng)與溫度信號(hào)采集模塊是將通訊模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示操作，對上一層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行分流操作，通過對應(yīng)的算法將不同傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而正常顯示對應(yīng)數(shù)值。

采集數(shù)據(jù)分析模塊是針對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障仿真操作，該模塊對監(jiān)測的數(shù)據(jù)集進(jìn)行時(shí)頻域轉(zhuǎn)換，然后再對所得信號(hào)做功率譜分析[9]。其中，采集數(shù)據(jù)分析前面板如圖6所示。

在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，對振動(dòng)數(shù)據(jù)通過截?cái)嘈盘?hào)的方式做譜分析，根據(jù)庫克-杜開法以及維納—辛欽定理，可得隨機(jī)信號(hào)x（n）的功率譜密度：

[Sx（k）=limN→∞1N|X（k）|2]? ⑴

其原始信號(hào)自譜的估計(jì)式為：

[Sx（k）=1N|X（k）|2]? ⑵

上述公式中X（k）為頻域分析中對應(yīng)的幅值、N為采集點(diǎn)數(shù)。最終求得的[Sx（k）]為在這一振動(dòng)區(qū)間內(nèi)的均值。

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊主要是監(jiān)測系統(tǒng)檢測完成后，對已輸出的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行在線顯示。用戶可以根據(jù)具體需求查看歷史監(jiān)測記錄。其中歷史數(shù)據(jù)查詢前面板如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)對故障預(yù)測的準(zhǔn)確性，選擇采用凱斯西儲(chǔ)大學(xué)（CRWU）的軸承數(shù)據(jù)。進(jìn)行仿真測試，分別選取三種不同故障類型的數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

根據(jù)軸承故障定律可知，軸承的特征頻率估計(jì)公式如下。

外圈內(nèi)滾道故障頻率：

[fbpfo=12-Zfi（1-dDcos（α）]? ⑶

滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率：

[fbsf=12d-fiD（1-（dDcos（α））2）]? ⑷

在式⑶、式⑷中，d為滾動(dòng)體直徑、D為滾動(dòng)軸承平均直徑、[α]為滾動(dòng)體徑向接觸角、[fi]為軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率;這些特征頻率都是在滾動(dòng)體在內(nèi)外滾道內(nèi)只滾動(dòng)不滑動(dòng)的理想條件下推算出的。在實(shí)際的測算中需要對測量的特征頻率進(jìn)行一定的修正。

經(jīng)過本文的分析系統(tǒng)，對表1中使用的軸承故障數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并從生成的報(bào)告中得到相應(yīng)的頻率估計(jì)，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，并與原故障頻率進(jìn)行比較，本文所設(shè)計(jì)的分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確率在96.8%以上，證明本文的分析系統(tǒng)能夠很好的對電機(jī)的機(jī)械故障進(jìn)行預(yù)測。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，在上海某電氣廠內(nèi)某型號(hào)電機(jī)（被測電機(jī)）進(jìn)行實(shí)測，其中測試系統(tǒng)現(xiàn)場如圖8所示。

從監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際測試情況看，被測電機(jī)無負(fù)載，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，經(jīng)過多次測量，并統(tǒng)計(jì)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，所測得電機(jī)振動(dòng)值在0～0.8mm范圍內(nèi)變動(dòng)，所測得溫度值在45攝氏度后趨于穩(wěn)定，所測參數(shù)的誤差與實(shí)際值偏差均控制在合理范圍內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果顯示電機(jī)運(yùn)行正常，無故障情況，且RS485通信穩(wěn)定、可靠，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6 總結(jié)

本文提出的基于Labview的電機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)，一方面結(jié)合硬件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體連接，另一方面利用Labview軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了監(jiān)測程序。所搭建的系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)靈活監(jiān)測電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)采集振動(dòng)和溫度變化等數(shù)據(jù)，能滿足電動(dòng)機(jī)故障預(yù)測的要求，且系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可視化程度高。最后通過采用凱斯西儲(chǔ)大學(xué)開放的軸承數(shù)據(jù)，對分析系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)可對電機(jī)機(jī)械故障進(jìn)行相對準(zhǔn)確的判斷，且檢測效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度底，對電機(jī)的故障分析具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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