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作者：白仁明
（北京中科泛化測控技術(shù)有限公司 系統(tǒng)開發(fā)部，北京 100083）
摘要： 本文中的便攜式振動儀采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)采用CompactRIO，在保證系統(tǒng)精確性可靠性的同時減輕了整個系統(tǒng)的重量，上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本電腦，能夠滿足惡劣環(huán)境下移動計(jì)算的要求，使得整個系統(tǒng)能夠適應(yīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械外場測試。同時系統(tǒng)基于柔性測試技術(shù)對測試系統(tǒng)的追求，具有可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性，可用于飛機(jī)裝機(jī)的各型發(fā)動機(jī)靜態(tài)、動態(tài)振動參數(shù)的測試與分析。
關(guān)鍵字： 便攜式、柔性測試技術(shù)
便攜式振動儀是隨著設(shè)備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來的面向現(xiàn)場的測試儀器。傳統(tǒng)的振動分析儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時間長、費(fèi)用高等特點(diǎn)；而基于單片機(jī)的振動采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，不能進(jìn)行復(fù)雜信號的處理任務(wù)，往往不能夠滿足振動分析與診斷的特殊要求。
本文所設(shè)計(jì)的振動分析儀以CompactRIO為采集設(shè)備，以Labview為軟件開發(fā)平臺，不但具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，而且具有強(qiáng)大、靈活的專業(yè)分析能力，能夠?qū)崟r檢測信號的波形及頻譜情況，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時保存，可在后期進(jìn)行階次、軸心軌跡等專業(yè)分析。特別適合于測點(diǎn)分散、而又不需要持續(xù)檢測的測試場合。
系統(tǒng)采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，下位機(jī)將采集到的轉(zhuǎn)速和振動信號，通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與分析。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
系統(tǒng)的功能描述如下所示：
- 轉(zhuǎn)速信號采集：±10V，支持正弦波、方波信號類型；
- 振動信號采集：支持振動數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化，如加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化；
- 在線分析：最大振幅計(jì)算與報(bào)警、功率譜分析；
- 數(shù)據(jù)保存與管理；可以通過報(bào)警時刻，瀏覽數(shù)據(jù)，振動聲音回放等方式迅速找到異常數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性分析；
- 離線分析：時域分析，頻率-時間、階次-時間、頻率-轉(zhuǎn)速、階次-轉(zhuǎn)速等三維譜分析，軸心軌跡分析；通過這些分析工具，可以幫助操作者判斷振動異常的原因，如轉(zhuǎn)子不對中、質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)軸裂紋等；
- 打印報(bào)表：可以將離線分析結(jié)果通過Excel表格輸出。
通過在線分析工具，操作者可以實(shí)時檢測發(fā)動機(jī)振動是否超標(biāo)，離線分析工具可以幫助操作者判斷出現(xiàn)振動異常的原因。
系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上追求柔性測試技術(shù)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性，并且具有專業(yè)的分析能力�，F(xiàn)將系統(tǒng)特性與設(shè)計(jì)做一簡要介紹。
4．1 系統(tǒng)適應(yīng)性
系統(tǒng)具有便攜、防雨淋、防摔防振動的性質(zhì)，能夠使振動儀能夠適應(yīng)外場測試。
便攜性：為了使整個系統(tǒng)攜帶方便，在設(shè)計(jì)選型上選擇性能能夠滿足測試要求質(zhì)量又輕的硬件，比如采集設(shè)備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個系統(tǒng)體積小，重量輕（大概11Kg），方便攜帶。
防雨淋：首先，上位機(jī)選用軍用筆記本，本身具有防雨淋的功能；另外，筆記本拖架進(jìn)行了防雨淋的設(shè)計(jì)，在其左測開有凹槽，接口以及風(fēng)扇出風(fēng)口全部安裝在凹槽里，能有效防止雨淋，適用于雨天作業(yè)。如圖2-2所示。
抗摔抗振動：裝設(shè)備箱體選用軍用箱體，堅(jiān)固耐用，能夠有效保護(hù)箱體內(nèi)的設(shè)備不受損傷。
① 風(fēng)扇出風(fēng)口；② 1號振動接口；③2號振動接口；④3號振動接口；⑤4號振動接口；⑥轉(zhuǎn)速信號；⑦電源接口；⑧電源指示燈；⑨音頻接口；⑩USB接口
圖2-2 接口面板說明
4．2 系統(tǒng)擴(kuò)展性
系統(tǒng)能夠直接通過插拔增加或者減少FPGA硬件，能夠根據(jù)用戶的要求增加離線分析算法，可以很方便的增加系統(tǒng)的功能。
設(shè)計(jì)時將功能比較集中，應(yīng)用次數(shù)較多的程序設(shè)計(jì)成模塊，各模塊之間耦合性小，不但使得系統(tǒng)易于維護(hù)，哪部分出問題就檢查特定的模塊，而且使得系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實(shí)現(xiàn)FPGA設(shè)備的可擴(kuò)展性，通過一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫到程序中，然后根據(jù)host下獲取的板卡信息讀取相應(yīng)板卡的數(shù)據(jù)，滿足板卡增減的要求。
本系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件又分為TCP/IP模塊，系統(tǒng)配置模塊，數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲模塊；下位機(jī)軟件分為TCP/IP模塊，Order manage模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。
圖2-3 軟件結(jié)構(gòu)圖
- 下位機(jī)軟件：能夠進(jìn)行2路轉(zhuǎn)速信號以及4路振動信號的測試，三個模塊功能如下。
- TCP\IP模塊：負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊，接收并處理上位機(jī)的命令、將運(yùn)行狀態(tài)或采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。
- Order manage模塊：負(fù)責(zé)接收TCP\IP線程接收的命令，向TCP線程返回狀態(tài)信息，并驅(qū)動采集模塊采集數(shù)據(jù)。
- 采集模塊：配置采集參數(shù)，采集數(shù)據(jù)并向order manage模塊返回采集數(shù)據(jù)。
- 上位機(jī)軟件
- TCP/IP模塊：負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行通信，向下位機(jī)發(fā)送命令并接受下位機(jī)返回來的狀態(tài)以及采集數(shù)據(jù)。
- 系統(tǒng)配置模塊：負(fù)責(zé)采集通道選擇，通道邏輯名稱的命名，波形顏色的設(shè)置，標(biāo)定系數(shù)以及通道閾值的設(shè)定。
- 數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊是整個軟件的核心部分，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時在線分析以及離線分析。
- 存儲模塊：負(fù)責(zé)對離線分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。操作者根據(jù)波形的情況進(jìn)行有選擇的存儲，只有當(dāng)存儲按鈕被按下時才開始保存數(shù)據(jù)，當(dāng)按鈕恢復(fù)時系統(tǒng)不存儲。
4．3 系統(tǒng)可靠性
系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論MTBF指標(biāo)（平均無故障時間）大概3500小時， MTTR指標(biāo)（系統(tǒng)平均修復(fù)時間）小于等于30分鐘；為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)，首先在硬件選擇上注意每個硬件的MTBF指標(biāo)，然后通過理論計(jì)算確保整個系統(tǒng)的MTBF指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，另外，在筆記本拖架上裝有排風(fēng)扇，設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口，能夠及時將CRIO與電源產(chǎn)生的熱量排出，確保了儀器的正常使用；其次， 在振動儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號波形不顯示、信號波形顯示為噪聲以及軟件故障診斷方法流程圖，可以保證MTTR指標(biāo)在30分鐘以內(nèi)。
4．4 系統(tǒng)靈活性
在離線分析模塊，為了增加系統(tǒng)的靈活性與操作的方便，從數(shù)據(jù)文件中迅速找到異常數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)者重中之重，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種方法，分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形，重放振動聲音以及通過報(bào)警記錄來查找數(shù)據(jù)。
瀏覽波形數(shù)據(jù)類似于Media Player中拖動游標(biāo)瀏覽影片，當(dāng)用鼠標(biāo)拖動如圖2-4所示的紅色游標(biāo)時系統(tǒng)會讀取相應(yīng)時間段的波形顯示在波形圖中。
圖2-7 瀏覽數(shù)據(jù)波形界面
重放振動聲音就是把每個通道特定時間段的振動數(shù)據(jù)通過聲音進(jìn)行播放，通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。
通過報(bào)警記錄，就是調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動發(fā)生異常的時間，然后將該時間鍵入瀏覽波形界面中的開始時間來讀取出現(xiàn)異常時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的分析。
4．5 專業(yè)的分析能力
該系統(tǒng)不但具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，而且具有專業(yè)的分析能力。設(shè)計(jì)的在線分析算法有振動信號與轉(zhuǎn)速信號時域波形的顯示，振動信號的最大值計(jì)算，振動值是否超標(biāo)的實(shí)時報(bào)警與記錄，振動信號的頻譜分析以及振動信號類型加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化。在線分析實(shí)現(xiàn)最主要的是運(yùn)算速度快，速度要快于采集速度，所以減少屬性節(jié)點(diǎn)使用以及減少寄存器的使用可以滿足條件。
離線分析是將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出進(jìn)行更加詳細(xì)專業(yè)的分析，設(shè)計(jì)算法有：時域波形最大值、有效值計(jì)算，時間-頻率計(jì)算，時間-階次計(jì)算，時間-轉(zhuǎn)速計(jì)算，階次-轉(zhuǎn)速計(jì)算以及軸心軌跡分析等。離線算法運(yùn)算速度要求不高，可以根據(jù)用戶增加算法，現(xiàn)將階次分析與軸心軌跡分析做一簡要介紹。
階次分析：階次是描述旋轉(zhuǎn)機(jī)械中某信號及其諧波的對應(yīng)關(guān)系，該系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號與振動信號進(jìn)行階次分析計(jì)算，找到振動信號與轉(zhuǎn)速信號之間的對應(yīng)關(guān)系，從而能夠比較準(zhǔn)確的找到故障的原因與位置。分析界面如圖2-5所示。
圖2-5 階次分析界面
軸心軌跡分析：軸心軌跡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一個非常重要的狀態(tài)特征參量，形象直觀地反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動狀況，包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動信號以及轉(zhuǎn)子的方向計(jì)算軸心軌跡，軸心軌跡界面如圖2-6所示。
圖2-6 軸心軌跡分析界面
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轉(zhuǎn)速通道 |
支持4通道轉(zhuǎn)速信號，±10V，信號類型可以為正弦波、方波等； |
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振動通道 |
支持4通道振動信號，最大可擴(kuò)展至12通道，自適應(yīng)抗混疊濾波，±5V幅值范圍，24位分辨率，10~10KHz頻率范圍； |
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工作溫度 |
-20~50度 |
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存儲溫度 |
-40度~65度 |
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相對濕度 |
10%~95% |
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平均無故障時間 |
約3500小時（計(jì)算值） |
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平均修復(fù)時間 |
小于等于30分鐘 |
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校驗(yàn)周期 |
一年 |
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系統(tǒng)輸入功率 |
~150w |
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供電電源 |
28V DC或220V AC（需交流供電配件） |
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儀器質(zhì)量 |
~11kg |
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物理尺寸 |
474mm*415mm*214mm |
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操作人員要求 |
適合具有高中或高中以上文化水平、經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員使用 |
本文中所設(shè)計(jì)的便攜式振動儀，下位機(jī)采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO，上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本， 外殼采用軍用箱體，防振防摔，對外接口部分也進(jìn)行了防雨淋設(shè)計(jì)，使得該儀器能夠適應(yīng)戶外以及條件惡劣環(huán)境下進(jìn)行的測試；另外在軟件的設(shè)計(jì)上，也充分考慮了用戶對測試系統(tǒng)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性的需求，其提供的專業(yè)的分析能力能有效測試出發(fā)動機(jī)是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。
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