基于LabVIEW的離心式化工泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙榮珍, 戶文剛

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

現(xiàn)代化生產(chǎn)中,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)正在廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工、冶金、電力、航天等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中,這是由于在運(yùn)行過(guò)程中,一旦設(shè)備發(fā)生故障或失效將會(huì)引起嚴(yán)重的后果,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失.其中離心泵是一種工業(yè)中常用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,它們具有高效率,不同流量和壓力范圍,流動(dòng)更平穩(wěn),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于操作等特點(diǎn).但是由于高溫等惡劣的工作環(huán)境,容易使離心泵發(fā)生故障,降低離心泵的性能,造成能量浪費(fèi),同時(shí)影響與之關(guān)聯(lián)的設(shè)備乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時(shí)甚至造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2].因此,開(kāi)展對(duì)離心泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義.

在國(guó)外,歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)泵測(cè)試技術(shù)的研究起步較早,關(guān)于測(cè)試系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟,特殊泵的研制和泵的特性測(cè)試等方面的技術(shù)也更加成熟,泵測(cè)試系統(tǒng)呈現(xiàn)出集成化高、體積小、可移動(dòng)、多功能、易操作等特點(diǎn).但在水泵測(cè)試裝置中仍存在如數(shù)據(jù)處理功能薄弱、缺少嵌入式數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、效率不高等缺陷[3].在國(guó)內(nèi),泵測(cè)試技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較慢,在傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,往往存在所需儀器紛繁復(fù)雜、檢測(cè)結(jié)果可靠性較差和成本較高等問(wèn)題,在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的制約.但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器技術(shù),其通過(guò)組合具有不同測(cè)試功能的軟件模塊和測(cè)量?jī)x器硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能.其中基于計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的虛擬測(cè)量?jī)x器己經(jīng)在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,其功能靈活、開(kāi)放,容易與其他外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)相連,可構(gòu)成強(qiáng)大的系統(tǒng),并能隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求進(jìn)行儀器與系統(tǒng)的升級(jí).由于充分利用了計(jì)算機(jī)資源,與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有運(yùn)算精確、存儲(chǔ)量大、體積小、功能可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)[4].

LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),開(kāi)發(fā)的虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,并可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析等一系列后續(xù)處理,能夠滿足現(xiàn)代信號(hào)測(cè)試與故障診斷的要求[5].本文以某型號(hào)臥式多級(jí)單吸離心泵作為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)一套基于LabVIEW的離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),完成對(duì)離心泵試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障診斷等過(guò)程,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)離心泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),并分析診斷可能存在的故障,具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理,人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

基于LabVIEW的離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)及故障診斷分析處理系統(tǒng),它的具體功能包含數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和故障診斷等.該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)離心泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和常見(jiàn)故障的診斷,硬件是基礎(chǔ),軟件是核心[3].信號(hào)采集由傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成,傳感器將采集的振動(dòng)信號(hào)由物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大、隔離、濾波之后,再傳送到安裝在PCI機(jī)箱上的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)的專門(mén)軟件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的分析處理、實(shí)時(shí)顯示、故障診斷及存儲(chǔ)查詢等過(guò)程.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示,系統(tǒng)硬件由循環(huán)回路裝置、振動(dòng)加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成[6-7].

1.1 循環(huán)回路裝置

循環(huán)回路采用離心泵閉式回路,主要包括離心泵、水箱、電機(jī)、管路系統(tǒng)等,如圖2所示.其中各管路接頭處加裝密封膠墊,防止漏水,以保證回路的密閉性,同時(shí)應(yīng)盡量降低其他可能使離心泵產(chǎn)生振動(dòng)的因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,例如調(diào)整聯(lián)軸器的對(duì)接使其對(duì)中良好,加固地腳螺栓使泵的基礎(chǔ)穩(wěn)固,做好潤(rùn)滑減小摩擦引起的振動(dòng)等.整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試完成后運(yùn)行平穩(wěn).

1.2 傳感器及測(cè)點(diǎn)的選取

本系統(tǒng)選用朗斯LC0110系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器,其電量輸出正比于所測(cè)量的加速度值.該傳感器具有低測(cè)量噪聲、輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)和低阻抗輸出等優(yōu)點(diǎn),它的主要性能參數(shù)為：靈敏度100 mV/g,量程50 g,諧振頻率20 kHz,分辨率0.000 2 g,頻率0.5～5 000.0 Hz(±10%).

流量測(cè)點(diǎn)通過(guò)安裝在出水管道上的閘閥進(jìn)行流量控制,通過(guò)安裝在出水管道上的流量計(jì)進(jìn)行流量的測(cè)量.振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)該滿足所測(cè)的信號(hào)盡可能地能對(duì)設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)作出全面描述[8],具體布置情況如圖3所示.

1.3 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理設(shè)備在數(shù)據(jù)采集設(shè)備與傳感器之間起到一個(gè)連接作用.由于傳感器直接獲取的振動(dòng)信號(hào)幅值較大,而數(shù)據(jù)采集卡一般適用的幅值范圍較窄,且經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)含有測(cè)量噪聲,所以需要在傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間添加信號(hào)調(diào)理設(shè)備,進(jìn)行調(diào)理和處理,提高信噪比,并把信號(hào)轉(zhuǎn)換成更便于數(shù)據(jù)采集卡處理、接受和顯示的形式.本系統(tǒng)利用虛擬儀器LabVIEW自備的內(nèi)置電路實(shí)現(xiàn)調(diào)理功能.

1.4 選用的數(shù)據(jù)采集卡

選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí),要同時(shí)考慮采集卡的性能參數(shù)、兼容性和穩(wěn)定性情況.離心泵振動(dòng)測(cè)試包括不同方向上多測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的采集,需同時(shí)采集多個(gè)信號(hào),應(yīng)使用多通道的數(shù)據(jù)采集模塊.根據(jù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)際要求的分析,本系統(tǒng)選用了Adlink公司的DAQ2214數(shù)據(jù)采集卡,它是基于PCI總線的、可直接插在任一PCI插槽的高性價(jià)比多功能DAQ卡,它擁有16路單端或8路差分輸入和2通道12位帶波形發(fā)生的多模擬輸出,支持16位分辨率,最高采樣率可達(dá)250 kHz/s,具有全自動(dòng)校準(zhǔn)、多卡同步等功能.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW軟件模塊化程序的設(shè)計(jì)思想和圖形化的編程方式[9],將系統(tǒng)的整體功能劃分為幾個(gè)模塊,通過(guò)各功能模塊間的相互協(xié)作,完成系統(tǒng)的預(yù)設(shè)目標(biāo).離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是實(shí)時(shí)多任務(wù)的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng),需同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和故障診斷等功能.系統(tǒng)主要由用戶登陸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和診斷分析幾個(gè)主要模塊組成.采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,將龐雜的系統(tǒng)細(xì)分為具有不同功能的模塊,降低了設(shè)計(jì)難度,便于系統(tǒng)的修改、調(diào)試和擴(kuò)展.LabVIEW使用圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序,產(chǎn)生框圖程序縮短了開(kāi)發(fā)周期,具有良好的人機(jī)界面,方便檢測(cè)人員操作[10].

2.1 用戶登錄模塊

用戶登陸模塊是離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的初始模塊,該模塊通過(guò)比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中登陸用戶的身份信息,授權(quán)登陸用戶進(jìn)入振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)內(nèi)部程序調(diào)用,直接跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)主界面.

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬儀器的基本組成部分.該部分提供了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源,采集的反映離心泵實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到對(duì)離心泵振動(dòng)分析的可靠性[11].根據(jù)奈奎斯特采樣定理確定振動(dòng)測(cè)試的采樣頻率,同時(shí)根據(jù)LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集精度的要求確定采樣點(diǎn)數(shù).應(yīng)用信號(hào)拆分功能將各通道信號(hào)分離,利用Waveform Graph函數(shù)顯示的離心泵振動(dòng)波形圖如圖4所示.

2.3 信號(hào)分析處理模塊

在離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,在對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析之前,需要對(duì)其進(jìn)行一系列的預(yù)處理操作,因此借助LabVIEW中的高級(jí)信號(hào)處理工具包進(jìn)行信號(hào)分析處理模塊的設(shè)計(jì).由于系統(tǒng)所處測(cè)試環(huán)境中的各種電子干擾及測(cè)試系統(tǒng)本身的影響,傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)中往往會(huì)疊加各種頻率成分的噪聲,為了抑制這些測(cè)量噪聲,消除振動(dòng)信號(hào)的高頻部分,選擇巴特沃斯低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的濾波,濾波效果如圖5所示.LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理,使用FFT快速傅里葉變換頻域分析函數(shù)對(duì)濾波后的時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理,得到離心泵振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜,并利用波形函數(shù)來(lái)顯示[12-13].

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)是信息系統(tǒng)的核心,離心泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)對(duì)于其狀態(tài)評(píng)估及故障診斷等具有重要的參考價(jià)值,因此對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)是必要的.考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)量的需求,本系統(tǒng)嵌入了Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)利用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具LabSQL實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)功能.LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫(kù)、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包,它通過(guò)MicrosoftADO以及SQL語(yǔ)言來(lái)完成數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn),并將復(fù)雜的底層ADO和SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs模塊,用戶可以通過(guò)調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)[14].

2.5 故障診斷流程設(shè)計(jì)

離心泵振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)含著豐富的狀態(tài)信息,利用振動(dòng)信號(hào)可以對(duì)離心泵常見(jiàn)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷[15].時(shí)域分析可直接利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)其在時(shí)間歷程中的變化情況進(jìn)行分析和評(píng)估并給出結(jié)果,是振動(dòng)信號(hào)處理最簡(jiǎn)單、最直接的方法.不同的軸心軌跡對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或故障信息,可以作為判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)和故障征兆的重要參考,是時(shí)域分析的重要內(nèi)容之一.常見(jiàn)故障的軸心軌跡圖具有特定形態(tài),比如軸輕微不對(duì)中時(shí)軸心軌跡線就會(huì)變成橢圓形；中等負(fù)載不對(duì)中時(shí)軌跡線就會(huì)變成“香蕉型”；嚴(yán)重不對(duì)中時(shí)軌跡線就會(huì)出現(xiàn)外“8”字[16].

借助傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)變換到頻域中,然后根據(jù)原始信號(hào)的頻率分布情況進(jìn)行故障診斷.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見(jiàn)故障都具有各自的幅頻特性,如轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)1倍頻處高幅值,時(shí)域波形呈正弦曲線；轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)1倍頻、2倍頻占主導(dǎo)地位；基座松動(dòng)時(shí)1倍頻處高幅值,同時(shí)會(huì)有倍頻及半頻的出現(xiàn).據(jù)此可以對(duì)設(shè)備的狀態(tài)作出診斷[17].

采用上述的診斷方法進(jìn)行離心泵故障診斷模塊流程的設(shè)計(jì),結(jié)果如圖6所示.

3 離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性,在離心泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),初步設(shè)定離心泵的運(yùn)行狀況存在泵軸輕微不對(duì)中故障,額定轉(zhuǎn)速定為1 500 r/min,選擇其中某一通道的信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn).采集到的振動(dòng)信號(hào)峰值如圖7所示.根據(jù)圖5和圖7的信號(hào)波形圖可以看出離心泵軸振動(dòng)信號(hào)的波形是畸變的正弦波,無(wú)較大的沖擊現(xiàn)象；其軸心軌跡呈如圖8所示的橢圓狀.根據(jù)常見(jiàn)故障的軸心軌跡圖，可以判斷出離心泵存在輕微不對(duì)中.

圖9為離心泵振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖,圖中振動(dòng)信號(hào)以1倍頻和2倍頻分量為主,參照離心泵的故障信號(hào)幅頻特性也可以得出,離心泵軸存在輕微不對(duì)中故障,與試驗(yàn)中的實(shí)際情況相符.經(jīng)過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能,得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)真實(shí)有效.

4 結(jié)論

基于LabVIEW模塊化、圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和離心泵振動(dòng)測(cè)試閉式試驗(yàn)臺(tái),構(gòu)建了一套離心泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),并通過(guò)離心泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)該振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、顯示、處理、分析和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)能正常穩(wěn)定地運(yùn)行,較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)目標(biāo),得到了真實(shí)有效的結(jié)果和數(shù)據(jù).

2) 離心泵振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析可以顯示振動(dòng)信號(hào)的基本特征,通過(guò)軸心軌跡和頻譜分析可以判斷出離心泵存在的故障.

3) 該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、開(kāi)發(fā)周期短、擴(kuò)展性強(qiáng)、硬件設(shè)備投入少及測(cè)試性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì),可以適應(yīng)振動(dòng)測(cè)試的多種不同方案.與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，它具有人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)單,使用性強(qiáng),數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn).