基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 玉，廖 平

(高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

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基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 玉，廖 平

(高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

為研究大型轉(zhuǎn)子性能退化趨勢預(yù)測與故障演變規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號采集系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)。傳感器信號通過轉(zhuǎn)換、濾波等信號處理，輸出給外接A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)由主控芯片STM32f103x進(jìn)行一次數(shù)字濾波后，通過串口輸出給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理?；贚abVIEW設(shè)計(jì)的主機(jī)用戶程序，可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示兩路振動(dòng)信號的波形圖，并將每次采集的數(shù)據(jù)完整存入Excel表格中，還能讀取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，繪制出其頻域圖。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的頻域分析，為大型轉(zhuǎn)子性能退化趨勢預(yù)測與故障演變規(guī)律的研究提供了重要的信息。

STM32；數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)監(jiān)測；振動(dòng)信號

0 引言

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于電力、冶金、 石油、船舶等領(lǐng)域。隨著社會(huì)現(xiàn)代化步伐不斷加快，國家對資源的需求不斷加大，大型水力發(fā)電、火力發(fā)電等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和安全性問題日漸突顯。隨著科技的發(fā)展，早期的人工定期檢測方法已經(jīng)被智能化、自動(dòng)化的監(jiān)測系統(tǒng)逐步代替。現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取、傳遞和處理機(jī)械的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對機(jī)械做出狀態(tài)識別、故障診斷及狀態(tài)預(yù)測。國內(nèi)在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等方面遠(yuǎn)落后于國外，不能滿足實(shí)際的需求[1]。轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，其運(yùn)行情況是影響大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行的重要影響因素之一。振動(dòng)信號的處理、分析和識別，是設(shè)備監(jiān)測和診斷的基礎(chǔ)，是最常見的機(jī)械故障振動(dòng)方法之一。機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中振動(dòng)信號及其特征信號，是反映機(jī)械設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)變化的主要信號[2]。

重型燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域得以運(yùn)用，以成為新一代的動(dòng)力裝置[3]。但組合轉(zhuǎn)子由于長期工作在高溫度梯度、循環(huán)載荷和惡劣環(huán)境工況下，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)容易產(chǎn)生故障，從而影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。為研究重型燃機(jī)組合轉(zhuǎn)子性能退化機(jī)制及其在不同時(shí)間段的表現(xiàn)形式，揭示可能發(fā)生潛在故障的原因，本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號的采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用STM32F103x系列微控制器作為主控芯片，通過外接一個(gè)8通道16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以保證信號的精度要求。系統(tǒng)同時(shí)實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子X和Y方向的振動(dòng)信號，主機(jī)用戶程序可選擇通訊I/O口，設(shè)置采集的波特率和數(shù)據(jù)比特，控制采集開始和結(jié)束。每次從開始到結(jié)束采集數(shù)據(jù)都被完整記錄在一個(gè)Excel表格中，以便之后的數(shù)據(jù)處理與分析。主機(jī)用戶程序還支持對之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并做快速傅里葉變換，以時(shí)域圖和頻域圖的方式顯示在同一界面，便于定期對轉(zhuǎn)子的工況進(jìn)行分析，做好轉(zhuǎn)子的故障維護(hù)。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用STM32F103x系列微控制器為主控芯片。內(nèi)置了ARM Cortex-M3的STM32是現(xiàn)有的最小、能耗最低的32位處理器[4]，上位機(jī)不能直接讀取電渦流振動(dòng)傳感器的輸出信號，而測試現(xiàn)場的工作環(huán)境也將對傳感器輸出信號產(chǎn)生一定的影響，故需要對傳感器信號進(jìn)行一定的處理。STM32系列微控制器集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但由于信號精度要求高，故外接了一塊8通道16位ADC芯片AD7606，以滿足采集系統(tǒng)精度要求。

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控芯片模塊、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊4個(gè)部分。傳感器信號首先經(jīng)信號調(diào)理模塊，進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換、濾波，使信號滿足A/D的輸入要求；外接A/D將輸入信號進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換后輸出給主控芯片；主控芯片通過RS232串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)；電源模塊為整個(gè)電路中的各個(gè)模塊提供工作電壓。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

1.1 電源模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的所有元件提供工作電壓。本設(shè)計(jì)中采用DC 24 V開關(guān)電源，通過K78XX-1000系列的高效開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換，為各個(gè)元件分別提供±12 V、±5 V和3.3 V的工作電壓，圖2為24 V轉(zhuǎn)換為+12 V的電源模塊電路圖。

圖2 24 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊電路圖

1.2 信號處理模塊

傳感器產(chǎn)生的電信號由于其電氣特性一般不能直接輸入給上位機(jī)。 此外,實(shí)驗(yàn)室及測控現(xiàn)場環(huán)境中,傳感器信號一般會(huì)受到現(xiàn)場的電磁干擾、傳感器以及放大電路本身的影響,含有多種頻率的噪聲信號。未經(jīng)過處理的信號可能存在一些誤差，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。為正確地獲取信號,必須對信號進(jìn)行調(diào)理。信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，電路圖如圖4所示。

圖3 信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖

為防止傳感器輸出信號隨傳送距離衰減，本設(shè)計(jì)中采用電流型傳感器，而ADC的輸入需為電壓，故選用RCV420高精度電流環(huán)接收器，它能夠高精度地將4～20 mA的電流輸入信號轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓輸出信號[5]。

圖4 信號調(diào)理模塊電路圖

高頻噪聲信號的引入會(huì)對采集的數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重的干擾，為進(jìn)一步提高A/D輸入的精度，本設(shè)計(jì)中采用二階壓控電壓源低通濾波器可以有效衰減高頻噪聲信號，具有良好的濾波作用[6]。

為使前后電路不相互影響，接入電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)隔離效果。電壓跟隨器可以有效地降低前級電路的輸出阻抗，提高電路的負(fù)載能力，同時(shí)提高輸入阻抗，增強(qiáng)電路的抗干擾能力，減少負(fù)載對電路的影響。

1.3 ADC模塊

為滿足設(shè)計(jì)精度要求，本設(shè)計(jì)選用AD7606作為ADC模塊的轉(zhuǎn)換芯片。該芯片支持8通道同步采樣輸入，所有通道均可具有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，采樣速率可達(dá)到200KSPS。AD7606采用5 V單電源供電，并支持±5 V信號輸入，所以信號調(diào)理模塊無需再對輸出信號進(jìn)行放大處理。ADC模塊電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分：固件程序設(shè)計(jì)和主機(jī)用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。整體系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ADC模塊電路圖

2.1 固件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中固件程序(單片機(jī)程序)采用ARM公司推出的集成開發(fā)環(huán)境Keil4為開發(fā)平臺(tái)。采用模塊化設(shè)計(jì)，簡化了程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集、處理中，由定時(shí)器每隔一個(gè)采樣周期觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。由于硬件電路信號處理模塊中的低通濾波電路無法有效地過濾突發(fā)的脈沖干擾信號，故在每次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中位值平均濾波。中位值平均濾波，又稱防脈沖干擾平均濾波，融合了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)，可有效地消除由于脈沖干擾所引起的采樣偏差[7]。

2.2 主機(jī)用戶程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中主機(jī)用戶程序采用LabVIEW進(jìn)行通訊、應(yīng)用界面的開發(fā)和數(shù)據(jù)庫的訪問。其主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)分析2個(gè)部分。LabVIEW是基于流程圖的圖形化編程方式，其子控件NI-VISA可控制各類接口一起，并能根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序[8]，大大降低了開發(fā)難度。

在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測中，實(shí)時(shí)監(jiān)測界面可同時(shí)顯示X、Y方向的振動(dòng)信號波形圖及當(dāng)前振動(dòng)信號的數(shù)據(jù)，以便于監(jiān)測現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子的工作狀況做出初步判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)異常。每次監(jiān)測開始時(shí)，主機(jī)用戶程序都會(huì)提醒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)保存。監(jiān)測結(jié)束后，此次監(jiān)測的全部數(shù)據(jù)都將記錄保存在一個(gè)Excel表格中，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析中。

主機(jī)用戶程序還可以讀取實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)保存的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行快速傅里葉變換，將原本較難處理的時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為相對容易分析的頻域信號。歷史數(shù)據(jù)分析界面將轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號的時(shí)域圖和頻域圖同時(shí)顯示在同一界面，方便了將兩者進(jìn)行對比分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

提取歷史數(shù)據(jù)中的一組異常振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該組數(shù)據(jù)的采樣頻率為5 kHz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為9 600 r/min。主機(jī)用戶程序讀取其歷史數(shù)據(jù)繪制出時(shí)域圖和頻域圖，如圖7所示。

圖7 異常振動(dòng)信號時(shí)域和頻域分析圖

圖7中的頻域信號圖是將原始?xì)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換之后得到的頻域圖，由圖7可以看到信號除了在工頻fx(160 Hz)處有振動(dòng)外，還出現(xiàn)了0.2fx、0.3fx、0.5fx等位置出現(xiàn)分頻信號，在2fx、3fx、4fx、5fx等位置出現(xiàn)了倍頻信號，這是由轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜碰磨引起的。

一般來說，轉(zhuǎn)子碰磨在頻譜中的故障特征為，存在fx、2fx、3fx和4fx成分，且又有大于5fx的高頻成分，2fx和3fx成分的幅值約占fx幅值的20%～50%，4fx、5fx及以上高頻成分的幅值不到fx幅值的1%；同時(shí)存在0～0.39fx、0.4～0.49fx、0.5fx和0.51～0.59fx的分頻成分，這些分頻成分的幅值均不大于fx幅值的0.1[9-11]。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，當(dāng)轉(zhuǎn)子的振幅大于轉(zhuǎn)子與定子間的間隙時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致碰磨的出現(xiàn)，質(zhì)量不平衡、不對中或者由于熱膨脹導(dǎo)致的部件彎曲都可能成為導(dǎo)致碰磨的原因。碰磨作為眾多故障之一，不僅導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組工作效率的下降，嚴(yán)重可能造成整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的損傷。通過定期對轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析，了解隨著工作時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)的異常振動(dòng)及故障，并對轉(zhuǎn)子的狀態(tài)做出預(yù)測，避免更大的故障或造成機(jī)械其他部分的損傷及事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

經(jīng)調(diào)試，基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析功能都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并能夠讀取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，對轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號進(jìn)行頻域分析，用以大型轉(zhuǎn)子長期性能和退化趨勢的研究。

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Design of Large Rotor Vibration Signal Acquisition System Based on STM32

LI Yu ，LIAO Ping

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083,China)

In order to study the performance degradation trend prediction and the fault evolution law of large rotors,a set of large rotor vibration signal acquisition system was designed based on STM32.And a practical circuit experiment was carried out.The sensor signals were processed by conversion,filter and some other signal processing.Then the external AD converter converted it to digital signal.A digital filtering by the main control chip STM32f103x was used in the transformed signals,before it was output to PC for further processing through a serial port.Host user program was designed by LabVIEW.The two channel vibration signals were real-time displayed in the waveform diagram at the same time.And the data were fully saved in the Excel sheet.The fast Fourier transform was used in the historical data,which were read from the Excel sheet,to map out a frequency domain graph.The experiments show that the system can realize real-time vibration signal acquisition and storage.It also can analyze the frequency domain of the historical data.It provides important information for the performance degradation trend prediction and the fault evolution law of large rotors.

STM32;data acquisition;condition monitoring;vibration signal

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275535)；國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB035706)

2015-03-09 收修改稿日期：2015-09-02

TP274

A

1002-1841(2015)12-0065-03

李玉(1990—)，在讀碩士研究生，從事數(shù)據(jù)采集檢測與分析研究。E-mail：121670887@qq.com 廖平(1964—)，教授，從事機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)測控技術(shù)研究。E-mail：liaoping0@163.com