輪船軸系振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣 勵(lì),楊粉蝶, 饒?chǎng)纹? 龐勝利, 張 新

(1. 西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安710121;2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安710121；3. 西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安710121)

輪船軸系振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣 勵(lì)1,楊粉蝶2, 饒?chǎng)纹?, 龐勝利2, 張 新3

(1. 西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安710121;2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安710121；3. 西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安710121)

針對(duì)船舶軸系斷裂的問(wèn)題,設(shè)計(jì)軸系振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件運(yùn)用軸系振動(dòng)測(cè)量的原理和方法,給出與軸系振動(dòng)測(cè)量?jī)x之間的通信協(xié)議,應(yīng)用該通信協(xié)議得到采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)域及頻域曲線繪制的功能,并打印出頻譜圖。實(shí)船測(cè)試轉(zhuǎn)速測(cè)量精度優(yōu)于0.01%,驗(yàn)證了該通信協(xié)議的可靠性和系統(tǒng)軟件的可行性。

振動(dòng)測(cè)量;回旋振動(dòng);縱振;扭振

船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置中必不可少的組成部分。船舶軸系的主要作用是將主機(jī)發(fā)出的能量傳給螺旋槳,從而帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn),螺旋槳旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生推力推動(dòng)船體前進(jìn)[1-2]。軸系的振動(dòng)將直接影響船舶的性能,關(guān)系到船舶的安全性和可靠性問(wèn)題。

從德國(guó)蓋格爾對(duì)軸系扭振的研究到計(jì)算機(jī)程序在軸系扭振的應(yīng)用和分析,軸系振動(dòng)技術(shù)的研究已經(jīng)逐漸成熟[3]。目前,已經(jīng)有基于VB.NET[4]、LabVIEW[5-6]、MATLAB[7]等多種開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軸系振動(dòng)分析軟件。在以上船舶軸系振動(dòng)分析軟件中,MATLAB和LabVIEW實(shí)現(xiàn)軸系振動(dòng)分析軟件主要是針對(duì)數(shù)據(jù)的曲線波形描繪和分析,不能實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)功能；VB.NET的軸系振動(dòng)分析軟件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析和打印的功能,但以上3種開(kāi)發(fā)平臺(tái)的軸系分析軟件都只針對(duì)單通道軸系扭振進(jìn)行測(cè)量分析,未能實(shí)現(xiàn)雙通道扭振和回旋同時(shí)測(cè)量,且存在測(cè)量數(shù)據(jù)精確度不高,通信協(xié)議穩(wěn)定性和可靠性較差的問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)雙通道軸系振動(dòng)(扭振、回旋)測(cè)量系統(tǒng)軟件,給出與軸系振動(dòng)測(cè)量?jī)x之間的通信協(xié)議,以此實(shí)現(xiàn)繪制采集數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域曲線圖并打印出頻譜圖的功能。

1 軸系振動(dòng)測(cè)量原理和方法

1.1 回旋/縱振測(cè)量原理

振動(dòng)軸系上任意一點(diǎn)沿軸方向產(chǎn)生的振動(dòng)為縱振,沿軸徑向方向產(chǎn)生的振動(dòng)為回旋。由于軸系軸面的振動(dòng),引起電渦流傳感器磁阻線圈阻抗的變化,電渦流傳感器的前置器將阻抗的變化轉(zhuǎn)換成與縱振和回旋成正比的模擬電信號(hào),通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),將數(shù)字信號(hào)傳給測(cè)量系統(tǒng)軟件進(jìn)行顯示和分析。

1.2 扭振測(cè)量原理

(1)

(2)

Δθ=ΔV·ti。

(3)

2 軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

軸系測(cè)量的方法[10-11]是在軸系上選定某個(gè)位置點(diǎn)測(cè)量一定時(shí)間段的振動(dòng)情況,并采集測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速的幅值、振動(dòng)位移、頻率等特征量的分析。采用電渦流傳感器和光電編碼器實(shí)現(xiàn)軸系振動(dòng)測(cè)量的整體設(shè)計(jì),系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成

3 軟件與測(cè)量?jī)x之間的通信協(xié)議

軟件(上位機(jī))與測(cè)量?jī)x(下位機(jī))之間的通信采用主從應(yīng)答方式,上位機(jī)為主動(dòng)方,下位機(jī)按照上位機(jī)的指令被動(dòng)執(zhí)行鏈接、測(cè)量、數(shù)據(jù)發(fā)送等相關(guān)操作。本協(xié)議分為下位機(jī)給上位機(jī)發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)幀和上位機(jī)發(fā)送給測(cè)量?jī)x的指令幀兩種幀格式。

3.1 系統(tǒng)軟件與測(cè)量?jī)x通信協(xié)議規(guī)程

如圖 2所示,測(cè)量?jī)x開(kāi)機(jī)正常之后會(huì)給系統(tǒng)軟件發(fā)送上電幀,上位機(jī)接收到測(cè)量?jī)x的上電幀后知道測(cè)量?jī)x運(yùn)行正常,測(cè)量?jī)x進(jìn)入 “等待鏈接狀態(tài)”。同時(shí)給測(cè)量?jī)x發(fā)送請(qǐng)求鏈接指令幀,測(cè)量?jī)x發(fā)送鏈接回復(fù)幀,此時(shí)測(cè)量?jī)x與上位機(jī)之間握手成功,測(cè)量?jī)x進(jìn)入“等待測(cè)量狀態(tài)”。握手成功后上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送測(cè)量指令幀,下位機(jī)回復(fù)測(cè)量應(yīng)答幀,并進(jìn)入“測(cè)量狀態(tài)”。下位機(jī)按照上位機(jī)測(cè)量指令幀中的工況數(shù)、點(diǎn)數(shù)、通道等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集完畢后下位機(jī)給上位機(jī)發(fā)送測(cè)量完畢應(yīng)答幀,并給上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。下位機(jī)在采集過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)采集中斷情況,但此時(shí)上位機(jī)未接收到下位機(jī)的采集完畢應(yīng)答幀,以為下位機(jī)一直處在測(cè)量狀態(tài)。上位機(jī)需要對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè),每過(guò)3s給下位機(jī)發(fā)送空閑鏈接幀,來(lái)判斷測(cè)量?jī)x是否一直處于測(cè)量狀態(tài),若下位機(jī)回復(fù)空閑幀,則采集數(shù)據(jù)失敗,上位機(jī)根據(jù)幀類型丟掉本次測(cè)量數(shù)據(jù),來(lái)處理異常情況的數(shù)據(jù),同時(shí)上位機(jī)重新發(fā)送測(cè)量幀,下位機(jī)再次進(jìn)入測(cè)量狀態(tài),開(kāi)始測(cè)量?；匦郎y(cè)量時(shí),要對(duì)傳感器電壓進(jìn)行校準(zhǔn),上位機(jī)會(huì)給下位機(jī)發(fā)送傳感器電壓校準(zhǔn)啟動(dòng)和關(guān)閉幀,下位機(jī)校準(zhǔn)完畢后給系統(tǒng)軟件回復(fù)傳感器電壓校準(zhǔn)值回送幀。

圖2 通信協(xié)議規(guī)程

3.1.1 測(cè)量?jī)x到系統(tǒng)軟件幀結(jié)構(gòu)(標(biāo)準(zhǔn)幀)

下位機(jī)發(fā)送給上位機(jī)的幀分為信令幀和數(shù)據(jù)幀。信令幀是上位機(jī)與下位機(jī)之間用于非數(shù)據(jù)傳送的幀結(jié)構(gòu)。信令幀結(jié)構(gòu)幀長(zhǎng)度為9字節(jié),幀頭標(biāo)志位為2字節(jié)(以0AFH、0FAH起始)；幀類型為1字節(jié),幀類型代表的是本幀數(shù)據(jù)的內(nèi)容,0B0H為上電幀類型、0A0H為空閑回復(fù)幀、0BAH為鏈接回復(fù)幀，模式為測(cè)量應(yīng)答幀。信令幀中的測(cè)量應(yīng)答幀需要包含豐富的測(cè)量信息,模式為定點(diǎn)單通道(11H)、定點(diǎn)雙通道(12H)、轉(zhuǎn)標(biāo)單通道(13H)、轉(zhuǎn)標(biāo)雙通道(14H)則是扭振測(cè)量應(yīng)答幀；模式為轉(zhuǎn)標(biāo)單通道(21H)、轉(zhuǎn)標(biāo)雙通道(22H)、光電編碼器單通道(23H)、光電編碼器雙通道(24H)為回旋測(cè)量應(yīng)答幀。一個(gè)字節(jié)的測(cè)量采集圈數(shù)為02H、04H、08H(2、4、8圈),一個(gè)字節(jié)的通道選擇01H代表1通道,02H代表2通道；一個(gè)字節(jié)的轉(zhuǎn)標(biāo)標(biāo)示0AAH或00H代表未偵測(cè)到轉(zhuǎn)標(biāo)信號(hào),01H代表有轉(zhuǎn)標(biāo)信號(hào)計(jì)時(shí)值；測(cè)量點(diǎn)數(shù)占用兩個(gè)字節(jié)，存放光電編碼器或齒輪傳感器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，分系數(shù)為一個(gè)字節(jié)分別代表不分頻(01H)、2分頻(02H)和4分頻(04H)。

數(shù)據(jù)幀是每圈測(cè)量數(shù)據(jù)為1幀,5個(gè)連續(xù)0B8H位數(shù)據(jù)幀的起始符,數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為1個(gè)字節(jié)的0ABH標(biāo)示數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)識(shí)；通道號(hào)1個(gè)字節(jié)01H/02H表示通道1/2；幀序號(hào)為1個(gè)字節(jié)的測(cè)量圈數(shù)的序號(hào)(由00H開(kāi)始計(jì),代表第一圈,最大值不超過(guò)07H)；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié),每圈的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為16進(jìn)制編碼,低位在前,高位在后；每轉(zhuǎn)計(jì)時(shí)值為4個(gè)字節(jié)在扭振轉(zhuǎn)標(biāo)測(cè)量模式時(shí),存放的是轉(zhuǎn)標(biāo)計(jì)數(shù)器的實(shí)際值定點(diǎn)測(cè)量模式時(shí),此4個(gè)字節(jié)均為00H；在回旋轉(zhuǎn)標(biāo)測(cè)量模式時(shí),與扭振轉(zhuǎn)標(biāo)測(cè)量模式相同；在回旋光電編碼器測(cè)量模式,是輸入光電編碼器每轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)的總計(jì)數(shù)值。測(cè)量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度×4,每4字節(jié)為一個(gè)值,均依照低位在前,高位在后排列方式；幀結(jié)束為5個(gè)字節(jié)的0FFH,電壓校準(zhǔn)值回送幀與數(shù)據(jù)幀的起始符相同,數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)分別為0DCH、0DDH、0DEH分別標(biāo)識(shí)滿量程為0～5V、0～6V、0～10V,其余字節(jié)為1、2通道數(shù)值。

3.1.2 系統(tǒng)軟件到測(cè)量?jī)x幀結(jié)構(gòu)(指令幀)

上位機(jī)給下位機(jī)的指令幀,幀長(zhǎng)為8個(gè)字節(jié),幀起始符為1個(gè)字節(jié),測(cè)量指令幀的起始符為0B8H,其余指令幀的起始符為0AFH,數(shù)據(jù)內(nèi)容為7個(gè)字節(jié)；測(cè)量指令幀的格式與測(cè)量應(yīng)答幀格式相同。本協(xié)議通過(guò)通信協(xié)議錯(cuò)誤幀來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò),上位機(jī)一旦收到通信協(xié)議錯(cuò)誤幀則將收到的幀數(shù)據(jù)全部丟掉,給下位機(jī)發(fā)送指令幀重新測(cè)量。

3.2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖 3所示。

圖3 程序?qū)崿F(xiàn)流程

3.2.1 初始化串口

從通信串口注冊(cè)表中讀取工作機(jī)設(shè)備列表中的Com口列表,并根據(jù)串口列表中Com口個(gè)數(shù),創(chuàng)建TComm對(duì)象,并分別將串口名賦值給對(duì)應(yīng)的TComm.Comname,并將波特率都賦值為9 600,初始化完成,此時(shí)系統(tǒng)處于“未鏈接狀態(tài)”。

3.2.2 自動(dòng)連接狀態(tài)

讀取Com口列表,分別調(diào)用對(duì)應(yīng)TComm類中寫數(shù)據(jù)方法發(fā)送前文中鏈接幀,如果在當(dāng)前Com口中收到了鏈接回復(fù)幀,系統(tǒng)狀態(tài)連接狀態(tài)變?yōu)椤耙焰溄訝顟B(tài)”,則將該Com口Comname存入封裝好的通信類中,表示找到鏈接Com口,通信設(shè)備確定。同時(shí)在交互界面上顯示當(dāng)前Comname。如果已經(jīng)讀遍了整個(gè)Com口列表系統(tǒng)連接狀態(tài)仍為“未鏈接狀態(tài)”,則彈出窗口提示自動(dòng)連接失敗。同時(shí)系統(tǒng)仍處于“未鏈接狀態(tài)”,測(cè)量等按鈕為灰色不可使用狀態(tài)。

3.2.3 等待測(cè)量功能狀態(tài)

扭振測(cè)量及回旋測(cè)量按鈕都為工作狀態(tài),點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕,系統(tǒng)會(huì)向下位機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的測(cè)量命令幀,并等待接收測(cè)量數(shù)據(jù),系統(tǒng)進(jìn)入“數(shù)據(jù)接收狀態(tài)”,系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并確認(rèn)數(shù)據(jù)接收完整,進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示階段。

3.2.4 數(shù)據(jù)顯示

按照設(shè)備注冊(cè)表中的Com口的設(shè)置,從接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)中調(diào)用原始數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換,經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換后得出各點(diǎn)的瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)角和振幅作為圖形的X和Y軸繪圖,在TChart控件采用fastline類型的曲線顯示波形,調(diào)用series.addxy(x:double ,y:duoble )添加x、y軸的點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.5 打印數(shù)據(jù)

點(diǎn)擊打印時(shí),創(chuàng)建新窗口詢問(wèn)操作人員是否進(jìn)行打印,點(diǎn)擊打印并選擇要打印的工況數(shù)進(jìn)行打印,此時(shí)調(diào)用TChart類的打印方法。

4 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可以同時(shí)兼容Windows XP、Win7、Win8等操作系統(tǒng)。對(duì)于人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖4所示,主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、打印模塊4個(gè)部分。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

4.1 測(cè)量參數(shù)模塊

測(cè)量參數(shù)模塊針對(duì)回旋/縱振和扭振在測(cè)量數(shù)據(jù)前上位機(jī)給下位機(jī)指明測(cè)量參數(shù),回旋和扭振采用電渦流傳感器測(cè)量需要對(duì)傳感器電壓進(jìn)行設(shè)置,主要設(shè)置雙通道的傳感器靈敏度和電壓幅值；扭振測(cè)量主要設(shè)置通道的分頻系數(shù)、測(cè)量圈數(shù)、每圈測(cè)量的點(diǎn)數(shù)等參數(shù),參數(shù)設(shè)置界面如圖 5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

4.2 數(shù)據(jù)測(cè)量模塊

設(shè)置測(cè)量所需的參數(shù)后,點(diǎn)擊確定,開(kāi)始數(shù)據(jù)接收,當(dāng)按照設(shè)置的測(cè)量圈數(shù)測(cè)量完成后,會(huì)跳出如圖6所示時(shí)域波形預(yù)覽圖,該圖供操作人員查看某一工況下測(cè)量的數(shù)據(jù)是否存在異常,若有異常,則可刪除此工況,并重新測(cè)量。若接收數(shù)據(jù)正確,關(guān)閉測(cè)量,此次數(shù)據(jù)接收完畢。

圖6 測(cè)量預(yù)覽圖

4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)接收完后,可以直接點(diǎn)擊快捷鍵數(shù)據(jù)顯示時(shí)域圖和頻域圖,時(shí)域和頻域分別以測(cè)量點(diǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo),以振幅值為縱坐標(biāo)。波形圖的參數(shù)會(huì)直接在波形圖上顯示,用鼠標(biāo)點(diǎn)擊波形圖的某點(diǎn)時(shí)可顯示當(dāng)前點(diǎn)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、振幅以及真實(shí)采樣值等信息,波形圖分別如圖 7和圖8所示。

圖7 時(shí)域波形

圖8 頻域波形

4.4 打印模塊

頻譜數(shù)據(jù)顯示了每個(gè)工況的各個(gè)點(diǎn)數(shù)在采集轉(zhuǎn)速下進(jìn)行最高次為32次的分頻,查看此次工況下能量分布情況,對(duì)不同諧次下的頻域圖可進(jìn)行打印,圖 9為多諧次頻域圖形打印可選擇要打印的諧次。

圖9 打印界面

5 測(cè)量實(shí)例

軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件測(cè)量時(shí)要確保測(cè)量?jī)x器電源處于關(guān)閉狀態(tài)。用串口連接線與PC機(jī)和測(cè)量?jī)x連接,打開(kāi)振動(dòng)測(cè)量?jī)x的電源,運(yùn)行該系統(tǒng)軟件,在“硬件連接狀態(tài)”欄顯示“軟件已經(jīng)與測(cè)試儀建立連接”時(shí),方可進(jìn)行測(cè)試。實(shí)船測(cè)量數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 “龍穴”號(hào)扭振測(cè)試頻譜數(shù)據(jù)

通過(guò)應(yīng)用該軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)32萬(wàn)噸“龍穴”號(hào)船舶進(jìn)行扭振測(cè)試,轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為0.5r/min～3 000r/min,轉(zhuǎn)速測(cè)量精度優(yōu)于0.01%。

6 結(jié)束語(yǔ)

軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件通過(guò)與測(cè)量?jī)x通信并實(shí)時(shí)接收采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了打印頻譜圖和采集數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域波形顯示的功能,此軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件功能完善。通過(guò)實(shí)船測(cè)試,數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為0.5r/min～3 000r/min,轉(zhuǎn)速測(cè)量精度優(yōu)于0.01%,驗(yàn)證了通信協(xié)議傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和該軟件的可行性。

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[責(zé)任編輯：祝劍]

The design and implementation of ship shafting vibration measurement and analysis system software

JIANG Li1, YANG Fendie2, RAO Xinping2, PANG Shengli3, ZHANG Xin2

(1. School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2. School of Electronic Engineering ,Xi’an University of Posts and Telecommunications , Xi’an 710121,China;3. School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China)

A shafting vibration measurement and analysis system software is designed. In this software, the principles and methods of shaft vibration measurement is proposed according to the communication protocol. Using this protocol, data for time domain and frequency domain, and printing spectral diagrams are achieved. The accuracy of speed measurement is better than 0.01%, and this verifies the reliability of the communication protocol and the feasibility of the system.

vibration measurement,whirling vibration, longitudinal vibration,torsional vibration

2015-01-10

中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)廣船國(guó)際企業(yè)合作橫向資助項(xiàng)目(103-0367)

蔣 勵(lì)(1968-),男,講師,從事電子電路設(shè)計(jì)研究。E-mail：landjoin@126.com 楊粉蝶(1988-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。E-mail:1017257128@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.06.020

TP311.1

A

2095-6533(2015)06-0093-05