基于LabVIEW的風(fēng)機故障檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊市，830047）王邵然 張新燕 羅智文 楊璐璐 張冠琪

基于LabVIEW的風(fēng)機故障檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊市，830047）王邵然 張新燕 羅智文 楊璐璐 張冠琪

針對風(fēng)力發(fā)電機出現(xiàn)故障會從多個方面反映出來的特點，提出了一種多通道的基于LabVIEW的風(fēng)機故障檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。運用DSP28335采集傳感器數(shù)據(jù)，MAX3232芯片實現(xiàn)DSP到PC的電平轉(zhuǎn)換，通過RS232串口與上位機通信。LabVIEW通過串口命令寫入、讀取數(shù)據(jù)、字符串處理、數(shù)值顯示、數(shù)據(jù)存儲功能，建立了數(shù)據(jù)采集虛擬檢測平臺。通過永磁發(fā)電機實驗臺驗證該系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)機運行時電壓、電流、振動、噪聲多路數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)測與存儲。結(jié)果表明該系統(tǒng)對風(fēng)機故障信息檢測具有可行性，有一定的應(yīng)用價值。

LabVIEW；串口通信；RS232；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；風(fēng)機故障檢測

風(fēng)力發(fā)電機安裝位置較高，工作條件惡劣，出現(xiàn)故障較難維修[1]。為避免風(fēng)機運行中發(fā)生各種異常情況，實時監(jiān)測風(fēng)機的工作狀態(tài)十分重要。已有的單一基于DSP或者基于LabVIEW的風(fēng)機故障檢測系統(tǒng)無法滿足當(dāng)前工況現(xiàn)場實時性、實用性的需求[2]。傳統(tǒng)的利用單一傳感器檢測故障信號得到的信息有限。當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)故障時會從多個方面反映出來，在同一時刻檢測多種信號是非常有必要的。因此結(jié)合DSP運行速度快和LabVIEW可視化的特點，并實現(xiàn)實時多路信號采集，構(gòu)建了風(fēng)機故障檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述

DSP芯片采用TI公司的TMS320F28335。傳感器采集到的振動、噪聲、電壓和電流信號進入信號預(yù)處理電路中進行放大、濾波等處理。預(yù)處理過的信號通過RS232接口傳輸至上位機。上位機檢測到的風(fēng)機運行時的振動、噪聲、電流、電壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；實時顯示其波形圖，并存儲數(shù)據(jù)信息[3]。

圖1 風(fēng)機故障檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

2 下位機串口通信的實現(xiàn)

2.1 硬件串口設(shè)計

對被測電路數(shù)據(jù)的采集采用了DSP28335內(nèi)部集成的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部自帶采樣保持電路，80ns的轉(zhuǎn)換時間，確保了轉(zhuǎn)換的精度。在其內(nèi)部進行相應(yīng)信號的真實數(shù)據(jù)還原，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、濾波、去噪、提取特征參數(shù)，將有效的信號傳送至串口。下位機采用DSP28335芯片的RS232接口以全雙工方式來完成異步通信。通信波特率115 200bps/s，通訊數(shù)據(jù)幀格式采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位。

TMS320F28335內(nèi)部有兩個SCI異步串口，該串行通信接口模塊（SCI）支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。本設(shè)計運用SCI模塊的SCITXD和SCIRXD兩個外部引腳分別連接MAX3232的一路接收發(fā)驅(qū)動器，經(jīng)過RS232接口來實現(xiàn)TMS320F28335和PC之間的互相通信。

2.2 工作原理

MAX3232主要特點：使用專門的低壓差發(fā)送器輸出級，在3.0～5.5V電源供電時利用雙電荷泵可以實現(xiàn)RS-232功能；擁有兩路接收器和兩路驅(qū)動器；數(shù)據(jù)傳輸率不低于250kbps；低功耗，靜態(tài)電流300；用4只0.1小電容配合，能夠得到兩倍正、負電壓，和RS232邏輯電平進行匹配；本設(shè)計為了考慮電源的穩(wěn)定性，另在VCC和GND之間連接電容C4。MAX3232適用廣泛，例如電池供電的筆記本電腦、PDA等各種便攜式小型電子產(chǎn)品[4]。

由MAX3232組成的RS232通訊接口電路見圖2。MAX3232擁有兩路接收器和兩路驅(qū)動器，本設(shè)計采用其中一路，另一路懸空。其引腳連接方式為：TIN1與F28335的SCITXDA相連，ROUT1與SCIRXDA相連，TOUT1和RIN1分別于DB9的2和3號引腳相連，TTL數(shù)據(jù)輸入到TIN1后轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)經(jīng)TOUT1傳送至上位機DB9插頭，而DB9插頭中的RS-232數(shù)據(jù)輸入到RIN1轉(zhuǎn)換成TTL數(shù)據(jù)再由ROUT1輸出。電容C2和C5組成了MAX2323內(nèi)部倍壓電荷泵。MAX2323的2、6兩管腳分別是兩倍正、負電壓輸出端。C1、C3則分別作為正、負輸出電壓的濾波電容。工作電壓為3.3V。因MAX3232提高了內(nèi)部升壓電路工作頻率，從而升壓、濾波工作僅需使用0.1電容即能完成，本電路設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)。

圖2 MAX3232串行接口電路原理圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 串口參數(shù)配置

在LabVIEW中實現(xiàn)串口通訊有2種方法：一種是運用自身的虛擬儀器軟件構(gòu)架（VISA）程序，另一種是運用VC++等開發(fā)動態(tài)鏈接庫函數(shù)（DLL）中的標(biāo)準(zhǔn)串口通訊函數(shù)供LabVIEW調(diào)用實現(xiàn)串口通信。其中，VISA法編程簡單，界面友好，開發(fā)周期較短，程序可移植性強、易于維護[5～6]。所以，本系統(tǒng)選用VISA串口通訊方式。

VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口（API）。VISA庫中常用的串口通信子函數(shù)有：Serial Port Init（串口配置）、Serial Port Write（寫）、Serial Port Read（讀），它們分別完成對串口設(shè)置和讀寫操作等功能[7-8]。

（1）串口參數(shù)設(shè)置節(jié)點（Serial Port Init.vi）首先進行串口初始化，使計算機串口的各個參數(shù)與儀器設(shè)備的串口相同，保證正確通信。主要參數(shù)為：

VISA resource：端口號，默認值為COM3。

baud rate：波特率，默認波特率為115 200bps。

data bites：一幀信息中的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，默認值為8位。

stop bites：一幀信息中停止位的位數(shù)，默認值為1。

parity：奇偶校驗設(shè)置。默認值為0即無校驗。

（2）串口寫節(jié)點（Serial Port Write.vi）

該節(jié)點為串口寫入子VI，點擊確定按鈕，“發(fā)送值1”控件中的數(shù)據(jù)經(jīng)由串口發(fā)送出去。參數(shù)為：

VISA resource：端口號，同上。

Write buffer：包含要寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。

（3）串口讀節(jié)點（Serial Port Read.vi）

該節(jié)點為串口讀取子VI，當(dāng)串口的輸入緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，讀取數(shù)據(jù)并在接收“返回數(shù)據(jù)（十六進制）”控件中顯示出來，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供條件。參數(shù)如下：

Byte count：用于設(shè)置要讀出的字節(jié)數(shù)，本設(shè)計中為16。

Read buffer：輸出串口讀取的數(shù)據(jù)。

（4）VISA清空I/O緩沖區(qū)（VISA Flush I/O Buffer）

清空屏蔽規(guī)定的串口輸入輸出緩沖區(qū)。參數(shù)如下：

屏蔽：指明要刷新的緩沖區(qū)。按位合并緩沖區(qū)屏蔽能夠同時刷新多個緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)可以分別使用一個屏蔽值。本設(shè)計采用的屏蔽值為16：刷新接收緩沖區(qū)并放棄內(nèi)容。

（5）VISA串口字節(jié)數(shù)（VISA Bytes at Serial Port）

在VISA>>Serial>>advance中使用Bytes at Port串口的屬性節(jié)點，這個屬性節(jié)點查詢當(dāng)前串口緩沖區(qū)所有字節(jié)數(shù)，當(dāng)字符串長度大于0時，將進行串口的讀寫操作；同時將它的輸出連接到“接收到的數(shù)據(jù)”顯示控件，這樣便可以在前面板顯示當(dāng)前緩沖區(qū)的字節(jié)，不會有任何等待。

3.2編程流程

本檢測軟件后面板程度設(shè)計流程圖如下：

圖3 上位機程序流程圖

首先進行串口初始化，一般的計算機上有2個COM口，整個程序放在一個無限循環(huán)的While語句中，單擊“開始”鍵，上位機發(fā)送“1234”4個字節(jié)數(shù)據(jù)至DSP，分別為起始位、功能位、數(shù)據(jù)位1、數(shù)據(jù)位2，DSP接收到的起始位和功能位完全對應(yīng)上，才會接收、采集、傳輸數(shù)據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)的處理：是將下位機DSP傳輸?shù)缴衔粰CPC機的數(shù)據(jù)處理成真實的電機運行信息。由于采集到的數(shù)據(jù)是字符型的，所以用截取字符段函數(shù)分別截取8路數(shù)據(jù)的十六進制字符串，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值。正確的字符串處理是準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。第一路振動字符串是開始命令發(fā)送后由下位機傳送過來的前1～2個字符，無線振動、噪聲、電壓、電流信號依次類推。通過截取字符串節(jié)點截取前2個字符即為所測振動信號的值。通過字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換節(jié)點，將截取的字符串轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組。通過索引數(shù)組分別輸出二維數(shù)組中與輸入所以對應(yīng)的元素。文中利用整數(shù)拼接將索引出數(shù)組中的元素拼接起來（注意順序與索引數(shù)值相反）并進行計算，使計算結(jié)果可以真實反映電機運行信息。通過While循環(huán)結(jié)構(gòu)可以一幀一幀的提取數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)有序有效地進行處理。

圖4 數(shù)據(jù)處理局部框圖

（2）數(shù)據(jù)的存儲：為了方面后來分析和參考，把處理后的數(shù)據(jù)進行保存。本程序在風(fēng)機檢測信息實時顯示之前完成數(shù)據(jù)的存儲，目的是發(fā)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)有誤時可以及時分析存儲數(shù)據(jù)，判斷出錯環(huán)節(jié)。程序利用寫入電子表格文件節(jié)點實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)存儲。“file path”控件規(guī)定寫入的表格路徑，“append to file”控件判斷是否寫入表格。具體程序圖如圖：

圖5 數(shù)據(jù)存儲局部框圖

（3）數(shù)值的顯示：LabVIEW具有對顯示的圖形局部放大、顯示時間波形位置等功能。波形圖表控件和波形圖控件最為常用。波形圖表控件能夠顯示歷史數(shù)據(jù)，將新得到的數(shù)據(jù)追加到原有數(shù)據(jù)上顯示。波形圖控件不保存歷史數(shù)據(jù)，一次性顯示當(dāng)前波形。本程序選擇波形圖表控件來實時觀察風(fēng)力發(fā)電機的運行信息，利用圖表的分格顯示曲線功能分路顯示波形。

（4）退出程序：單擊STOP按鈕控件可以停止While循環(huán)，退出串口界面。

4 應(yīng)用實例

圖6 串口采集系統(tǒng)程序界面

利用本校直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機實驗臺，該試驗臺主要由變頻器、異步電動機、行星減速齒輪箱、永磁同步發(fā)電機、負載箱組成。振動傳感器采用CAYD-103壓電式加速度傳感器，電流傳感器采用LA-50P霍爾電流傳感器。振動采用頻率為2kHz，采樣時間34s；電流采樣頻率1kHz，采樣時間34s。使用上述程序采集下位機DSP28335接收的振動信號、無線振動信號、2路噪聲信號、發(fā)電機側(cè)電壓UAC、UBC信號、發(fā)電機側(cè)A、B相電流信號共8路信號，進行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲。實現(xiàn)了在程序前面板實時顯示8路風(fēng)機信號的波形信息，圖6為采集到的風(fēng)機8路數(shù)據(jù)波形。

實驗表明，整個串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有如下特點：

（1）動態(tài)數(shù)據(jù)的實時顯示。上位機能夠動態(tài)接收RS232串口數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換處理，實時顯示在前面板波形圖表上，方便實時觀察。通過分欄鍵可以清晰觀察各路數(shù)據(jù)；通過面板右側(cè)偏移量的設(shè)置可以區(qū)分各路波形。

（2）數(shù)據(jù)完整存儲。LabVIEW數(shù)據(jù)采集平臺能夠?qū)崟r存儲接收到的數(shù)據(jù)，方便事后分析。存儲數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入MATLAB等軟件進行診斷分析。

（3）波形圖的操作和存儲功能。用戶可以局部放大前面板圖像，改變波形圖的幅值，XY軸，導(dǎo)出簡化波形。實現(xiàn)用戶對各路波形或者某一區(qū)域進行實時分析。

4.1 發(fā)電機側(cè)電流數(shù)據(jù)分析

表1 電機參數(shù)

實驗永磁電機參數(shù)如表1。設(shè)機側(cè)電流頻率為50Hz，機側(cè)三相電流波形如圖7。由于三相不控整流外加實驗條件的多重影響，機側(cè)電流畸變嚴重。將發(fā)電機側(cè)電流進行FFT變換得到圖8所示機側(cè)電流頻譜。從圖8可得，機側(cè)電流基波頻率為50Hz，5次諧波頻率為250Hz，7次諧波頻率為350Hz，11次諧波頻率為550Hz。通過頻譜圖可得，諧波電流的次數(shù)主要是5、7、11次等奇數(shù)次諧波。

造成發(fā)電機側(cè)三相電流諧波的因素很多。發(fā)電機側(cè)變流器開關(guān)頻率較低，輸入輸出端諧波含量較高。電機設(shè)計過程中，定子開槽會產(chǎn)生齒槽諧波。氣隙磁場非正弦分布由氣隙飽和等因素導(dǎo)致，此種情況也會引入諧波。電機設(shè)計等因素決定氣隙磁場中高次諧波的產(chǎn)生。測量裝置會影響諧波的測量。測量裝置的響應(yīng)速度、帶寬等參數(shù)都可能對測量結(jié)果和諧波分析有一定影響。永磁同步發(fā)電機機側(cè)定子電流中存在大量諧波，使得電機的銅耗與鐵耗大幅增加，發(fā)電機組效率下降，引起轉(zhuǎn)矩脈動，對電機運行及壽命有極大影響[9]。諧波的出現(xiàn)是故障發(fā)生的早期征兆。系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可以通過諧波頻譜來判斷問題根源。

圖7 發(fā)電機側(cè)三相電流檢測結(jié)果

4.2 振動信號數(shù)據(jù)分析

第一路振動信號的波形見圖8(a),振動傳感器安裝在主軸處，其波形主要反映軸承的運行信息[10]。當(dāng)軸承不同部位出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生一定頻率的沖擊，引起軸承振動。根據(jù)軸承產(chǎn)生缺陷零件的不同，元件的故障特征頻率也不相同[11]。軟件采用FFT變換功率譜方法和希爾伯特變換對其進行分析。直接對振動信號進行FFT變換(圖8(b)),故障特征頻率的幅值相對較小，直接用FFT很難識別[12]。通過希爾伯特變換頻率分析(圖8(c))，得到基頻45Hz，與理論基頻頻率50Hz存在一些誤差，在允許的誤差范圍內(nèi)同時存在倍頻和分頻。有一倍頻(50Hz)、3倍頻(150Hz）、5倍頻(250Hz）、1/4倍頻(12.5Hz)、1/2倍頻(25Hz）的出現(xiàn)，判斷永磁風(fēng)機有連接松動、滾動體故障等故障趨勢，應(yīng)及時采取措施避免事故發(fā)生。

圖8 振動信號檢測結(jié)果

5 結(jié)論

風(fēng)機故障檢測的串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，在不對監(jiān)測的風(fēng)機進行拆卸或不影響其日常運作的條件下，得到設(shè)備運行的數(shù)據(jù)信息。通過實驗證實，該平臺界面直觀，操作簡單，可以實時監(jiān)測風(fēng)機運行數(shù)據(jù)的正確性，也可以事后分析存儲的數(shù)據(jù)；通過對發(fā)電機側(cè)電流和振動信號的分析，該系統(tǒng)對風(fēng)機進行故障診斷，避免突發(fā)事故發(fā)生具有重要意義。

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