一種基于多源信息融合的軸承監(jiān)測系統(tǒng)研制

吳云鋒，劉 波

(91872部隊(duì)，山東 青島 266012)

準(zhǔn)確檢測和診斷設(shè)備故障是設(shè)備維修效率和維修質(zhì)量的基本保證。軸承是船舶上各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常用的通用零部件之一，也是船舶動力系統(tǒng)中最容易產(chǎn)生故障的部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有30%是由軸承故障引起的。及早地發(fā)現(xiàn)軸承故障，并進(jìn)行更換，可以有效防止故障進(jìn)一步惡化。最原始的方法是將聽音棒 (或螺絲刀)接觸軸承座部位，靠聽覺來判定有無故障，固然練習(xí)有素的人能覺察到軸承剛發(fā)生的疲勞剝落與損傷部位，但受主觀因素的影響較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在近幾十年來得到了日益廣泛的應(yīng)用，世界各國競相開展研究工作，不斷推出新產(chǎn)品，已經(jīng)有許多成功的在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。這些研究成果主要是通過外置傳感器檢測軸承的某一類狀態(tài)信息，并采用智能信息處理手段提取信號特征，建立該類信息與軸承典型故障間的映射模型，忽略了復(fù)雜系統(tǒng)故障間的耦合特性，本文所介紹的軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過多個傳感器及信息采集裝置，將運(yùn)行過程中軸承的溫度、轉(zhuǎn)速、電流、振動加速度、振動頻率，直觀地反映在PC機(jī)上，以便操作人員可以隨時分析判斷，通過實(shí)驗(yàn)證明該監(jiān)測系統(tǒng)有較高的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多源信息融合的軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)是以構(gòu)建信息融合的軸承故障監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)為總體目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，揭示軸承故障與溫度、振動、轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、工況之間的映射模型，編制數(shù)據(jù)采集和軸承故障監(jiān)測、預(yù)報(bào)軟件，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵故障的在線監(jiān)測。

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括軟件和硬件2大部分，硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要有各種傳感器 (電流傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器)、CAN總線數(shù)據(jù)采集電路板、CAN－232轉(zhuǎn)換器及臺式計(jì)算機(jī)組成。軟件包括運(yùn)行在CAN總線數(shù)據(jù)采集電路板的數(shù)據(jù)采集程序和運(yùn)行在臺式計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件。上位計(jì)算機(jī)與CAN總線之間通過CAN－232轉(zhuǎn)換器連接。CAN－232轉(zhuǎn)換器可以將CAN總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行通信數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是指運(yùn)行在PC端的軟件。上位機(jī)軟件通過RS232串口與CAN－232雙向轉(zhuǎn)換器連接，主要功能是按照串行通信協(xié)議，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得各傳感器的測量值，并把這些測量值顯示在圖形用戶界面上，保存在數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)查詢和利用。用戶及數(shù)據(jù)庫管理模塊功能是提供對數(shù)據(jù)和用戶的管理等操作;故障監(jiān)測模塊是整個上位機(jī)軟件的核心部分，其功能是根據(jù)軸承當(dāng)前的信號、信號特征及數(shù)據(jù)庫中的案例庫的案例，判斷當(dāng)前軸承是否存在故障。

如圖2所示，上位機(jī)軟件包括串口通信模塊、數(shù)據(jù)解析接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示記錄模塊、用戶及數(shù)據(jù)庫管理模塊和故障監(jiān)測模塊，各模塊功能如下。

串口通信模塊。串口通信模塊將從計(jì)算機(jī)串行口接收緩沖區(qū)中接收數(shù)據(jù)采集板發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)采集板發(fā)送的數(shù)據(jù)保存在接收字符串中。

數(shù)據(jù)解析接口模塊:數(shù)據(jù)解析接口模塊將利用CRC16規(guī)則檢驗(yàn)接收字符串是否正確，并按照與數(shù)據(jù)采集板約定的格式解析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊。將解析后的數(shù)據(jù)分別保存在各變量中，得到測量數(shù)據(jù)。

顯示記錄模塊。將計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)中，并且以實(shí)時更新曲線的形式顯示在虛擬示波器中，以數(shù)字的形式顯示在虛擬的七段數(shù)碼管中。

故障監(jiān)測模塊。對采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行時域、頻域的處理，得到故障對應(yīng)的特征，并基于故障案例庫預(yù)測或者監(jiān)測軸承的故障。

圖2 上位機(jī)軟件框架圖

圖3為軸承監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)軟件主程序流程圖，程序啟動后首先加載MFC框架，然后加載當(dāng)前測試軸承參數(shù)，連接數(shù)據(jù)庫及串口，在此基礎(chǔ)上，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集及故障監(jiān)測執(zhí)行循環(huán)。在該循環(huán)中各種傳感器數(shù)據(jù)被實(shí)時采集、保存和處理。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前各傳感器的特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)級、特征級和決策級的融合，以實(shí)現(xiàn)故障的監(jiān)測，其中在決策級融合中提出了基于案例相似性的故障監(jiān)測方法。

1.3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件2部分。其中的硬件設(shè)計(jì)方面選擇最新型的STM32F373VC型ARM處理器作為接口電路的處理器。STM32F373VC型ARM處理器內(nèi)部帶有16位多路A/D轉(zhuǎn)換器和1－32倍的信號放大器，最高工作頻率為72MHz，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集處理能力。根據(jù)軸承監(jiān)測的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，確定各傳感器的安裝位置。將采集的信號分為2類:一類是模擬信號，本項(xiàng)目選擇4～20 ma電流輸出型傳感器，如電流傳感器、溫度傳感器，傳感器輸出的電流信號通過電流－電壓變化電路變換為3.3 V以內(nèi)的電壓信號，傳輸給STM32F373VC型ARM處理器的A/D轉(zhuǎn)換器;另一類是脈沖信號，如霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，將該類脈沖信號接入STM32F373VC內(nèi)部的基數(shù)器引腳，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速。

圖3 軸承監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)軟件的主程序流程圖

設(shè)計(jì)CAN轉(zhuǎn)換接口電路，選擇PCA82C250芯片作為CAN總線收發(fā)器 (STM32F373VC內(nèi)部集成有CAN總線控制器)，按照CAN總線協(xié)議在KEIL集成開發(fā)環(huán)境中編寫程序，將采集到的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議發(fā)送到CAN總線式上，從而實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集功能。下位機(jī)軟件運(yùn)行在STM32F373型ARM處理器上，通過A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口和485接口采集溫度、電流、轉(zhuǎn)速、振動等信息，并按照Modbus協(xié)議通過CAN總線接口發(fā)送到上位機(jī)。如圖4所示，該軟件使用STM32F373處理器提供的開發(fā)接口進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換接口程序、I/O口輸入及中斷計(jì)算程序、485驅(qū)動程序和CAN總線驅(qū)動程序。其中的CAN－232轉(zhuǎn)接口選擇商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

圖4 下位機(jī)軟件框架圖

圖5所示為下位機(jī)軟件主程序流程圖，上電以后，先是對ARM各外設(shè)進(jìn)行初始化，硬件初始化完畢之后，開始CAN協(xié)議棧初始化，最后主程序進(jìn)入一個無限循環(huán)。再循環(huán)中，首先等待CAN總線其它節(jié)點(diǎn)的消息，如果有新的消息，則校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否符合Modbus CRC16算法，若符合，則進(jìn)行命令解析，以確定上位機(jī)查詢電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速中的哪一項(xiàng)數(shù)據(jù)，隨后讀取相應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，并按照Modbus格式生產(chǎn)和發(fā)送從機(jī)的反饋數(shù)據(jù)，從而完成一次主機(jī)查詢、從機(jī)反饋的通信過程。主程序隨后返回到等待其它節(jié)點(diǎn)的CAN消息。

圖5 下位機(jī)軟件流程圖

2 測試及總結(jié)

2013年11月到2014年6月期間，項(xiàng)目組用激光焊接機(jī)對軸承進(jìn)行了不同部位的破壞，模擬軸承故障，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對該軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于信息融合的故障類型識別的可行性，故障識別率超過了90%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。該成果能夠有效解決船舶軸承故障在線監(jiān)測、故障診斷和壽命預(yù)測等問題，為船舶的穩(wěn)定運(yùn)行和“精確維修”提供技術(shù)支持和保障，同時為其它船舶設(shè)備的故障監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究提供參考。