基于小波變換的水泵設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣輝 楊娟 劉洋

（1.沈陽天眼智云信息科技有限公司，遼寧沈陽 110000；2.沈陽天眼智云智能技術(shù)研究院有限公司，遼寧沈陽 110000）

0.引言

在水泵故障診斷階段，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自身存在較大的噪聲干擾，導(dǎo)致診斷效率相對(duì)較低[1]。為了解決這一問題，需要從兩個(gè)方面入手：一方面是提高隨設(shè)備數(shù)據(jù)采集階段的精度；另一方面是強(qiáng)化對(duì)數(shù)據(jù)的降噪處理效果。水泵設(shè)備故障主要體現(xiàn)在振動(dòng)方面，因此，從該角度展開對(duì)其故障診斷的研究是十分具有探索空間的[2]。受客觀環(huán)境以及使用情況的影響，水泵設(shè)備故障大多是以逐步發(fā)展的方式存在的，因此，盡早實(shí)現(xiàn)對(duì)其的有效診斷對(duì)于提高設(shè)備的使用壽命具有重要價(jià)值[3]。

為此，本文提出基于小波變換的水泵設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，分別從硬件環(huán)境構(gòu)建和軟件診斷方式兩個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)測試分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可靠性。通過本文的研究，希望可以為相關(guān)實(shí)際檢修工作的開展提供有價(jià)值的參考。

1.硬件設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)傳感器

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是利用小波變換技術(shù)對(duì)水泵設(shè)備故障進(jìn)行診斷，因此，采集數(shù)據(jù)的可靠性直接影響診斷結(jié)果是否準(zhǔn)確[4]。本文選擇ZDHJZ-3500振動(dòng)傳感器作為系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置，振動(dòng)傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 振動(dòng)傳感器工作原理圖

ZDHJZ-3500自帶顯示模塊，采用LCD顯示，并設(shè)置漢字菜單，以此支持按鍵操作調(diào)節(jié)裝置的參數(shù)設(shè)置，并且也可以顯示裝置的工作步數(shù)。采集單元具有對(duì)電池自動(dòng)管理的功能，可以結(jié)合水泵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，包括耗電模式、充電模式以及待機(jī)模式[5]。ZDHJZ-3500還提供了RS232通訊接口，以此適應(yīng)RTU.CDT通訊規(guī)約選擇，可與電機(jī)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)連接。ZDHJZ-3500自帶的監(jiān)控器可以實(shí)現(xiàn)電池電壓、控母電壓、控母電流、電池充放電電流、模塊狀態(tài)檢測，且無需外接線和外接傳感器。內(nèi)置了振動(dòng)測量單元和數(shù)字測量信號(hào)調(diào)理單元，通過無接觸式傳輸，支持選擇調(diào)節(jié)。輸出信號(hào)結(jié)合實(shí)際情況，頻率可調(diào)節(jié)范圍為5kHz～15kHz，不同輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集精度包括0.5%、0.25%、0.1% 3個(gè)等級(jí)。對(duì)于工作環(huán)境的要求較低，當(dāng)相對(duì)濕度不超過90%，溫度在 -5℃～+45℃時(shí)均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，且可聞噪音最大分貝不超過55dB，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響[6]。

1.2 控制芯片

在對(duì)水泵設(shè)備故障診斷過程中，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)其的判斷，為此，本文選擇具ARM Cortex-A5內(nèi)核，主頻為536MHz的ATSAMA5D3X系列處理器SDRAM-DDR2作為系統(tǒng)的控制芯片。SDRAMDDR2上集成了千兆網(wǎng)口，采用工業(yè)級(jí)器件完成結(jié)構(gòu)組件，在200PIN DDR金手指接口的輔助下，可以穩(wěn)定適用于各種現(xiàn)場環(huán)境之中。SDRAM-DDR2還完美支持Linux3.6.9和Android4.0.4，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。其具體結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖2所示。

如圖2所示，SDRAM-DDR2的CPU單元搭載了Cortex-A5處理器，在32KB數(shù)據(jù)Cache和32KB指令Cache的支撐下，內(nèi)存管理單元MMU可以充分滿足片內(nèi)SRAM和ROM的運(yùn)行需求[7]。核心板硬件資源包括大小為256MB的Nand Flash和大小為256MB的DDR2，可以為系統(tǒng)功能的執(zhí)行提供可靠保障。

圖2 SDRAM-DDR2芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2.軟件設(shè)計(jì)

遵循故障診斷流程進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，故障診斷流程如圖3所示。

圖3 故障診斷流程圖

2.1 基于小波變換的水泵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)降噪

SDRAM-DDR2在接收到來自ZDHJZ-3500振動(dòng)傳感器采集的水泵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息后，首先對(duì)其進(jìn)行降噪處理，降低后續(xù)故障診斷計(jì)算冗余，提高故障診斷效率。在具體的實(shí)施過程中，本文采用小波變換的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

考慮到小波的基函數(shù)為有限長的小波基，SDRAMDDR2對(duì)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換處理的方式可以表示為:

其中，F(xiàn)(a，t)表示小波變換處理后的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，a和t分別表示變換后小波基的長度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)簽，j表示ZDHJZ-3500振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，xi表示ZDHJZ-3500采集到的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，E表示基函數(shù)。

從公式（1）中可以看出，本文利用小波變換對(duì)水泵設(shè)備變量參數(shù)的處理實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)小波的窗寬度實(shí)現(xiàn)的，也就是對(duì)應(yīng)小波基的長度。通過這樣的方式對(duì)具有相同時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合其發(fā)展情況就可以減少由于重復(fù)分析帶來的大量冗余計(jì)算。

2.2 水泵設(shè)備故障診斷

在上述基礎(chǔ)上，SDRAM-DDR2在完成對(duì)水泵設(shè)備數(shù)據(jù)的降噪處理后，以時(shí)間標(biāo)簽為基礎(chǔ)，對(duì)比連續(xù)n個(gè)周期內(nèi)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，其具體的計(jì)算方式可以表示為：

其中，T表示振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)的周期，Δ表示數(shù)據(jù)變化程度。需要注意的是，當(dāng)故障較為明顯時(shí)，可以通過1個(gè)或幾個(gè)周期內(nèi)具有相同時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)對(duì)其作出診斷，但是當(dāng)故障的作用程度較小時(shí)，需要適當(dāng)增加數(shù)據(jù)分析的范圍。

在此基礎(chǔ)上，利用Δ值實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵設(shè)備故障的診斷，其可以表示為：按照式（3）所示的方式，本文以5個(gè)周期為基準(zhǔn)對(duì)水泵的狀態(tài)進(jìn)行分析，當(dāng)T<5，且Δ=0時(shí)，需要增加分析周期至10，此時(shí)若仍存在Δ=0，則認(rèn)為水泵無故障，當(dāng)Δ≠0時(shí)，則認(rèn)為水泵存在故障，當(dāng)T<5，且Δ≠0時(shí)，則可直接判定其存在故障。

3.應(yīng)用測試

3.1 測試環(huán)境

在測試階段，本文將某國產(chǎn)加工的水泵設(shè)備作為試驗(yàn)對(duì)象，考慮到在水泵運(yùn)行過程中，由于軸承之間存在磨損風(fēng)險(xiǎn)，因此其在裝配、加工等階段出現(xiàn)故障的主要作用方式為主軸轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡，本文將振動(dòng)傳感器安裝于水泵的主軸周圍。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于不同程度不平衡故障的模擬，主要是通過調(diào)節(jié)添加在主軸轉(zhuǎn)子螺栓的偏心質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的。為了更加深入地測試系統(tǒng)對(duì)水泵故障的診斷結(jié)果，共設(shè)置了5個(gè)故障。具體如表1所示。

表1 故障程度設(shè)置

按照表1的故障設(shè)置方法，在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為5000r/min，對(duì)應(yīng)采集卡的運(yùn)行頻率為 12800Hz。振動(dòng)傳感器在進(jìn)行不同等級(jí)故障診斷時(shí)，分別采集 30 組數(shù)據(jù)作為診斷基礎(chǔ)。

3.2 測試結(jié)果

按照上述的試驗(yàn)設(shè)置，利用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出的方法同時(shí)進(jìn)行故障診斷，3種方法對(duì)不同等級(jí)故障診斷的時(shí)間開銷如表2所示。

表2 水泵故障診斷時(shí)間開銷

從表2中可以看出，對(duì)比3種方法對(duì)不同程度水泵設(shè)備故障的診斷情況，其時(shí)間開銷均隨著故障等級(jí)的提高而逐漸增加，其中，文獻(xiàn)[4]中的方法對(duì)特征較為明顯的故障診斷時(shí)間雖然相對(duì)較短，但是當(dāng)作用于主軸轉(zhuǎn)子螺栓的偏心質(zhì)量逐漸減小后，其時(shí)間開銷出現(xiàn)了大幅上升；文獻(xiàn)[5]方法與之相比表現(xiàn)出了更高的穩(wěn)定性，但整體診斷效率仍存在一定的提升空間；對(duì)比之下，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)不同程度水泵設(shè)備故障的診斷效率最為穩(wěn)定，最短耗時(shí)僅為0.85s，最大耗時(shí)也不超過2.00s，僅為1.62s。測試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵設(shè)備故障的高效診斷，這是因?yàn)楸疚脑谔岣卟杉瘮?shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，通過對(duì)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換處理，降低了在故障分析階段的計(jì)算冗余，提高了診斷效率。

4.結(jié)語

水泵設(shè)備故障主要是由于其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了異常引起的，而在通常情況下，這種異常是以相對(duì)發(fā)展的狀態(tài)存在的，這就意味著對(duì)其故障作出及時(shí)診斷是十分必要的。本文提出基于小波變換的水泵設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小故障的高效診斷。通過本文的研究，以期為水泵設(shè)備的維護(hù)管理工作開展提供有價(jià)值的參考。