基于多重移位復用的軸承健康監測報警存儲方法研究

顏丙生，張柏，李奇，劉兆亮，劉鵬飛

(河南工業大學機電工程學院，河南鄭州 450001)

0 前言

可傾瓦滑動軸承因具有高負載、低摩擦、運行穩定、可自動調節等特點，廣泛應用于旋轉機械。在高速重載工作環境下，任何早期軸承故障都可能會引發災難性事故。為保證安全生產，需要開發軸承監測系統[1-5]。報警存儲是系統的核心，主要用于監測異常數據和自動記錄報警前后一段時間內的數據。

1986年，美國國家儀器公司(NI)提出虛擬儀器這一概念，它集現代計算機技術、通信技術和測量技術于一身[6-7]。目前國內外主要通過虛擬儀器來搭建監測系統。閆鑫等人[8]根據存儲式測試方法，利用LabVIEW平臺構建用于邏輯信息獲取和處理的虛擬邏輯分析系統。江弘杰、賈維敏[9]通過API函數庫和SQL數據庫完成數據采集和存儲系統設計，保障了數據存儲率。DU、 DONG[10]使用虛擬儀器集成應用GPS、AHRS等構建一套道路測試系統。SHEN等[11]著眼于動態測量，設計了多通道并行動態測試虛擬儀器系統。VILLANUEVA-LPEZ等[12]基于LabVIEW開發了紅外激光光譜測量系統。傳統存儲方式易造成緩存時間長度變化、數據丟失等問題[13]，將LabVIEW與其他軟件結合存在不兼容、影響系統運行等問題，需要研究其他方法完成報警存儲。

針對上述問題，本文作者結合多個移位寄存器、隊列和循環索引提出一種基于多重移位復用的報警存儲方法，并進行實驗驗證。

1 系統架構

1.1 監測系統整體結構

監測系統服務于某研究所生產的徑向五瓦可傾瓦滑動軸承[14]，硬件整體結構如圖1所示，主要由采集裝置(傳感器、采集卡、采集卡機箱)和顯示裝置(上位機)組成。通過布置多點位多類型傳感器對可傾瓦滑動軸承進行實時監測。

圖1 硬件整體結構

監測系統整體框架如圖2所示，分為硬件驅動、信號采集、分析、存儲、回放、報警、定時報表七大模塊，其中存儲模塊分為趨勢存儲、手動存儲以及報警存儲3種。趨勢存儲用于趨勢圖的繪制，方便觀察所有被測量物在工作狀態下的變化趨勢；手動存儲是對采集過程中需要存儲的信號執行手動操作，對所有原始數據進行保存；報警存儲需要實現將發生報警時以及報警前后10 s內的原始數據進行自動存儲。相較于趨勢存儲和手動存儲，報警存儲用于分析報警原因，要求和實現方式更為復雜。

圖2 監測系統整體框架

1.2 報警存儲時長計算

報警存儲作為分析報警原因的重要方式之一，每次報警均需要存儲單獨文件。應用戶需求，常規報警存儲時長21 s。根據不同的報警類型，報警存儲時長會發生變化。具體計算過程如式(1)：

(1)

其中：T表示報警存儲時長；A表示報警前時間長度(A<10取A，A≥10取10)；B表示報警次數；C表示報警總間隔時長(Cn表示相鄰報警間隔時長，Cn≤20，n=B-1)。由式(1)可知報警存儲時長最小值為11 s，最大值由實際報警情況決定。

1.3 多重移位復用算法設計

移位寄存器可以在循環之間傳遞值，常見于循環兩側，位置相對。右側接線端用于存儲每次循環結束時的數據并傳遞到左側接線端，作為下次循環的初始值[15]。利用移位寄存器的短暫存儲特性，通過在循環左側連續布置多個移位寄存器，擴大存儲時長是多重移位復用算法的基礎。算法流程如圖3所示。

圖3 多重移位復用算法流程

2 多重移位復用報警存儲實現

2.1 數據獲取

設置采樣時鐘內部采樣數等于各通道采樣率之和，信號采集所在循環每秒循環一次，根據這一特性可以控制只存儲報警前后10 s的數據。如圖4所示，以加速度信號數據獲取方式為例進行說明。將循環左側21個布爾型移位寄存器與“或”函數并聯，發生報警時觸發報存，保證常規報存觸發時間為21 s；循環左側11個數值型移位寄存器依次連接，從最下方移位寄存器中導出數據，即當前循環10 s前所采集的信號數據。

圖4 加速度信號數據獲取

監測系統發生報警后，報存觸發，此時10 s前加速度信號數據通過隊列進入存儲所在循環，執行報警存儲。21 s后，加速度信號數據對應報存剛觸發10 s后數據，通過隊列進入存儲所在循環，報存完成。發生連續報警且間隔小于20 s時，報存觸發時長與式(1)計算一致。報警前監測系統運行不足10 s時，對應加速度信號數據輸出為0，報存觸發時長雖為21 s，但是前期無數據存儲，實際存儲時長仍與式(1)一致。

2.2 數據存儲

數據獲取和數據存儲處于不同循環，如圖5所示，采用生產者消費者結構中的元素入隊列和出隊列實現數據傳輸。將不同類型、不同狀態的數值、數組、布爾等捆綁成簇，將簇輸入元素入隊列，元素出隊列后解除簇捆綁得到各類數據。數據遵循先進先出的原則，當內存被擠滿時系統就會報錯，可以防止數據丟失。數據采集和存儲速度需要把握，最好的狀態就是完全同步[16]。

圖5 隊列傳輸

存儲格式采用TDMS，它以二進制數據類型進行存儲，讀寫速度快、占用硬盤空間小。圖6是報警存儲子VI控制TDMS文件的條件結構。將“creat”和“close”均與圖4“alarm”關聯，觸發報警后，“alarm”執行真，2個條件結構均執行真分支。創建TDMS文件，不執行TDMS關閉，數據進行存儲；報警結束后，“alarm”執行假，2個條件結構均執行假分支，TDMS關閉，報警存儲結束。

圖6 數據存儲執行方式

在后續程序調試過程中報警存儲出現報錯，原因是觸發報警后，“creat”短時間內觸發條件恒為真，同一個文件每秒都會被打開一次，占用一定運行時間。以默認采樣率為例，每秒存儲29 400個數據點，數據量龐大，數據存儲速度低于數據采集速度，導致程序報錯。針對這一問題，提出“左二右一法”來確保在報警存儲過程中同一TDMS文件僅打開一次。如圖7所示，修改報警存儲“creat”觸發條件，將左邊第一個寄存器連接“與”函數，第二個寄存器取“非”后連接“與”函數，初始附加“F”，輸出結果連接“creat”，右邊移位寄存器通過隊列連接“alarm”輸出結果。報警觸發后，左邊第一個移位寄存器輸出“T”，第二個移位寄存器取“非”后也輸出“T”，“與”函數輸出為真，“creat”觸發條件為真，創建TDMS文件，開始進行報警存儲。1 s后，“T”經左邊第一個移位寄存器傳遞到第二個移位寄存器，取“非”輸出“F”，“與”函數輸出為假，TDMS文件不再打開，執行第一次創建的文件輸出。報警結束后，通過 “close”控制TDMS文件關閉，報警存儲完成。存儲文件以當前時間命名，便于實驗人員及時找到所需報警信息。

圖7 三種存儲方式

3 實驗驗證

圖8是實驗測試現場，為驗證多重移位復用報警存儲的適用性，將7塊NI采集卡插入機箱，通過網線與主機進行數據傳輸，加速度傳感器連接至NI-9234采集卡0通道，設置該通道振動烈度報警值為10 mm/s。分別驗證3種狀況下軸承監測系統報警存儲的對應結果。

圖8 實驗測試現場

(1)常規報警

在監測系統正常運行一段時間后(超過10 s)，對桌面施加一定激勵，振動烈度大于10 mm/s觸發報警，10 s后停止采集。進入數據回放界面，根據文件名稱找到該報警存儲文件進行數據回放。箱體振動趨勢回放結果如圖9所示，趨勢圖中每秒取一個數據點，可以看到報警發生在15：12：19，報警前后各有10個數據點，趨勢圖從15：12：09持續到15：12：29，對應21個數據點，持續21 s，符合常規報警存儲要求。

圖9 常規報警

(2)連續報警

在對桌面施加第一次激勵后，10 s內對桌面施加第二次激勵，觸發連續報警。圖10是連續報警箱體振動趨勢數據回放結果。可知：2次報警間隔8 s，第一次報警前和第二次報警后各有10 s數據，整個報警存儲持續30 s，與式(1)計算結果一致，符合連續報警要求。

圖10 連續報警

(3)系統運行不足10 s發生報警

在監測系統運行10 s內對桌面施加一定激勵，觸發報警，趨勢回放結果如圖11所示。可知：在系統運行8 s后觸發報警，報警存儲持續18 s，報警前自動存儲8 s數據，與式(1)計算結果一致。

圖11 系統運行不足10 s發生報警

通過對3種報警類型存儲結果進行數據回放分析，結果表明多重移位復用報警存儲符合用戶要求，存儲時長在不同報警類型下均與式(1)一致，數據完整。

4 結論

(1)以可傾瓦軸承實驗臺為研究背景，在其監測系統基礎上，開發出基于多重移位復用的報警存儲方法。解決了傳統報警存儲緩存時間長度隨采樣率變化、緩存數據丟失、單次報警等問題，滿足用戶實際需求，目前該系統已成功用于某車間性能監測。

(2)多重移位復用報警存儲無需調用其他軟件，無軟件兼容問題，不影響監測系統整體運行，適用于多數虛擬儀器測試系統。