离心泵机组故障诊断系统设计研究

摘要:为了实现离心泵的预测性维护策略实施，基于LabVIEW图形化编程语言，设计了一种离心泵机组远程在线监测与故障诊断系统。通过具体的设计实例，从总体架构设计、硬件选配和系统软件构建三个方面阐述了旋转机械振动信号监测与诊断系统的一般性设计流程及软件系统的LabVIEW实现方法。

关键词:离心泵;状态监测;故障诊断;LabVIEW

离心泵是石油化工生产中的重要设备，石化化工生产的连续性特点要求离心泵机组在运行过程中对故障的发生能够提前做出预测，从而可以根据生产任务制定维修方案［1］。为了满足故障可控的实际需求，对离心泵机组实施在线监测和故障诊断是开展预测性维护策略的前提与基础。在离心泵各部件中，只有轴承的寿命存在很强的离散性，换而言之，若根据轴承的基本额定寿命选型，只能保证90%的可靠性，因此对轴承实施在线监测和故障诊断是实现离心泵预测性维护的首要任务，也是保证离心泵正常运行的最重要途径。目前，针对离心泵等旋转机械的故障诊断理论与技术在学术界得到了广泛的研究［2－4］，本文在此基础上，结合生产实际，搭建了硬件采集系统并开发了基于LabVIEW的软件诊断系统，对离心泵机组运行时的振动信号进行了现场采集，并通过TCP和串口通讯协议远程控制采集动作，实现了离心泵振动信号的波形显示、存储、故障诊断等功能。

1系统总体架构设计

为了适应工业生产严酷的环境，系统选择上下位架构来完成整个系统的构建。在现场，下位机选收稿日期:2021－01－9基金项目:甘肃省教育厅2020年高等学校创新基金项目(2020A－197)作者简介:李彦军(1988－)，男，甘肃秦安人，助教，硕士．择NI公司的cDAQ控制器实现现场采集任务的控制;在集控中心，上位机负责数据显示、数据存储、数据处理、信号分析和指令发送等。数据的传输采用TCP通讯协议，指令通过串口协议发送与接受。总体框架图如图1所示.

2硬件选配

系统硬件主要有振动传感器、NIcDAQ控制器、数据采集卡、PC机和光纤等组成。在传感器的选择上，结合位移、速度和加速度传感器的适用特点与当前的监测需求，由于进行的是较宽频带范围高频信号的排查性监测任务，选择了振动加速度传感器。设备振动信号通常非常微弱，在工业上普遍采用的加速度传感器是自带电压放大器的压电集成电路加速度传感器(IEPE)。考虑到对轴承做包络谱分析时，共振频率带在5000Hz左右，虽然根据采样定理，选择频响范围应大于10000Hz的传感器所采集的信号有幅值失真，但是在包络分析时共振频带幅值的失真并不影响低频分析结果，基于以上分析结果，所选传感器型号如表1所示。cDAQ控制器是NI公司用来替代工业控制计算机的产品，其功能相当于一台微型计算机，可运行Windows、Linux@Real－Time操作系统，可将C系列数据采集卡嵌入其插槽中实现对数据采集卡的控制。以cDAQ－9132为例，可控制C系列I/O模块与集成计算机之间的定时、同步和数据传输，拥有IntelAtom双核处理器和16GB非易失性存储，适用于数据记录和嵌入式监测，并且包含有各种标准连接和扩展选项，包括SD存储器、USB、以太网、RS232串口以及触发器输入等，可以将其与多达四个C系列I/O模块组合，以便自定义模拟I/O、数字I/O、计数器/定时器以及控制器区域网络(CAN)测量和记录系统。在数据采集卡的选择方面，需选择能够为IEPE传感器提供激励电流且与cDAQ控制器适配的C系列板卡。以NI9234为例，包含有四个通道，最大采样率为51．2kHz，集成了IEPE信号图2cDAQ和C系列板卡集成调理功能，各输入通道可同步测量信号，每个通道都内置了能自适应调整采样率的抗混叠滤波器，常用于状态监测信号的频率分析和阶次跟踪等。将cDAQ－9132和NI9234集成后如图2所示。

3系统软件设计与实现

由美国NI公司推出LabVIEW图形化开发语言不仅能够快速的搭建采集程序，同时也拥有强大的前端开发能力。因此系统选择LabVIEW为开发语言进行软件系统地构建。根据系统架构设计，软件系统分为两层:在下位机中布置的采集层和在上位机布置的诊断层。采集层程序包括数据采集模块、TCP驱动模块、TCP发送模块、VISA驱动模块。在数据采集模块，NI－MAX是当前所有NI数据采集卡的驱动，在LabVIEW中有相应的VI函数库NI－DAQmx，通过调用相应VI，设定物理通道，采样速率，采样模式等相关参数就能快速实现程序对传感器的控制以及数据的采集，程序设计框图如图3所示。TCP驱动模块在设定的端口不断侦听用户，当有用户访问时根据用户ID与诊断层建立连接，通过TCP发送模块发送数据，程序设计框图如图4所示。VISA模块主要完成串口通讯连接，首先配置串口:选择串口名称，设定波特率和数据比特;读取数据后通过字符串的模式匹配实现命令类型和命令数据的分离。诊断层功能包括TCP数据接收、串口指令发送、波形数据存储、波形显示、特征指标提取、故障诊断、故障预警等。TCP发送数据只需调用读取TCP数据VI，读取字符串数据后经过还原处理，就可得到与下位机采集的数据格式相同的结构化数据。串口指令发送模块相对简单，串口配置完成后仅需调用VISA函数，依据下位机VISA模块已正则化的字符串格式写入即可。在波形存储模块，LabVIEW虽可以实现与MySQL、SQLServer等关系型数据库的交互，但是数据库的功能受到了很大限制，考虑到在本系统中只需完成数据的存储与检索，数据间并不存在复杂的逻辑关系，当选择TDMS格式存储为宜;TDMS格式是LabVIEW专属的一种二进制数据存储类型，适合存储海量数据，兼有高速、方便和易存取等优点，其功能实现只需调用TDMS各VI就能完成波形数据的写入与读取。在故障诊断模块，所要显示的波形图有时域波形以及波形的时域自相关图、时域能量值、均值、均方根值、歪度、峭度和峰峰值，频谱图和包络谱图。自相关图表征了测量信号的随机性，可作为是否是周期信号的判断依据;均方根值反映信号能量大小，相当于电学中的有效值，能够评价振动等级和烈度;若旋转机械等设备当存在某一方向的摩擦或碰撞，或者某一方向的支撑刚度较弱时，会造成振动波形概率密度函数的不对称，其歪度会增大;峭度指标对冲击成分最为敏感，当早期发生故障时，大幅值的脉冲还不是很多，因此其均方根变化不大，但是其峭度指标变化明显，当故障逐步发展时，峭度指标上升明显。除了以上时域指标，频谱波形可以作为轴系不对中、不平衡、松动、油膜涡动等故障的诊断依据。特别地，为了能够发现轴承的早期故障，在系统中加入加速度包络分析技术解调处理轴承故障信号。其原理为:采集得到振动信号后，通过高通或带通滤波，消除掉低频干扰成分，提高信噪比后会得到一个周期性的调幅信号，载波是轴承和轴承座的共振频率。通过包络检波器检波后，去除掉高频振动衰减成分，得到只包含轴承故障特征信息的低频包络信号。对这一信号进行FFT变换便可得到轴承故障特征频谱图。而滚动轴承的内圈、滚动体、保持架和外圈都有各自的特征频率，若在故障特征频谱图上出现某一特征频率峰值过大及其高次谐波，便说明轴承的相应部件已经存在损伤。诊断过程如图5所示，包络谱分析的程序框图如图6所示。图5诊断过程实现流程

4结束语

本系统通过上下位机架构分别选配NI系列数据采集设备搭建了硬件采集系统，基于LabVIEW图形化编程语言编写了软件诊断系统，实现了离心泵机组在运行过程中振动信号的采集与分析，完成了轴系不对中、不平衡，轴承内部缺陷等故障的诊断，为生产现场离心泵的预测性维护策略的实施提供了很好的实践经验。

参考文献:

［1］赵荣珍，卢文刚．基于LabVIEW的离心式化工泵振动测试系统设计［J］．兰州理工大学学报，2020，46(04):33－37．

［2］郭小帅．电动机及离心泵组在线监测与故障诊断方法研究［D］．北京:北京化工大学，2020．

［3］雷亚国，贾峰，等．大数据下机械智能故障诊断的机遇与挑战［J］．机械工程学报，2018，54(05):94－104．

［4］朱兴统．旋转机械智能故障诊断方法的研究［D］．广东:广东工业大学，2020．

作者：李彦军 王宇飞 单位：兰州石化职业技术学院 机械工程学院