高壓隔膜泵運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張朝林，范玉剛

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

近年來，因?yàn)楣艿浪斔偷牡统杀?、高效率、安全快捷等特點(diǎn)，被廣泛用于礦石、鐵精礦等原材料輸送中[1]。高壓隔膜泵是礦漿管道中重要的動(dòng)力設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中，高壓隔膜泵的工作環(huán)境會(huì)產(chǎn)生水錘作用，從而造成高壓隔膜泵單向閥磨損的問題，進(jìn)而引發(fā)閥室擊穿等一系列生產(chǎn)安全事故[2]。因此及時(shí)準(zhǔn)確診斷單向閥故障對(duì)礦漿管道安全生產(chǎn)具有重要意義。隨著無人值守泵站的投入運(yùn)行，如何遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)高壓隔膜泵的運(yùn)行狀態(tài)就成為亟需解決的問題。

高壓隔膜泵單向閥振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)為非線性、非平穩(wěn)性，對(duì)于非平穩(wěn)性的振動(dòng)信號(hào)通常采用小波分解(WD)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)等方法[3-7]，其中WD需要人工選取小波基，甚至自制小波基，因此WD方法逐漸被自適應(yīng)時(shí)頻分析取代； EMD雖然實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)時(shí)頻分析，但是其端點(diǎn)效應(yīng)等問題會(huì)對(duì)信號(hào)分析的正確性產(chǎn)生影響。固有時(shí)間尺度分解方法 (Intrinsic Time scale Decomposition，ITD)方法不僅實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)時(shí)頻分析，而且在抑制端點(diǎn)效應(yīng)方面優(yōu)于EMD等方法，其將復(fù)雜信號(hào)分解成若干相對(duì)獨(dú)立的PR分量之和，計(jì)算速度也優(yōu)于EMD等方法[8]。

因此該文采用ITD方法對(duì)高壓隔膜泵單向閥的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高壓隔膜泵運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32微控制器，采用基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)采集到的單向閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。利用PC機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程傳輸?shù)恼駝?dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行ITD分析，完成對(duì)高壓隔膜泵單向閥運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性與可行性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是基于STM32的嵌入式設(shè)備，其具有振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)分析的功能，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸和PC端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析3部分。系統(tǒng)采用ADXL335來對(duì)單向閥進(jìn)行測(cè)量，TLC5510將測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，并利用以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。其過程主要分為以下步驟：(1)由傳感器ADXL335對(duì)單向閥進(jìn)行測(cè)量；(2)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510與STM32對(duì)高壓隔膜泵單向閥的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集；(3)由STM32將振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到工控機(jī)與PC機(jī)中；(4)在PC機(jī)端利用ITD算法對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

采集系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。由圖1可知，該設(shè)計(jì)方案利用模塊化的方法設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸與數(shù)據(jù)的分析3個(gè)模塊。數(shù)據(jù)的采集模塊主要是利用傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、STM32微控制器等對(duì)高壓隔膜泵單向閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，首先傳感器經(jīng)A/D模塊后，將得到的數(shù)字量送到STM32，然后STM32在收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示，將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程PC機(jī)中。數(shù)據(jù)分析模塊就是為了對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而設(shè)計(jì)的，它把收集到的數(shù)據(jù)在PC機(jī)上顯示，并利用ITD方法進(jìn)行處理，將結(jié)果顯示在上位機(jī)中。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案框圖

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)分析部分。

2.1　數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)最開始也是最重要的一部分，它是所要分析的信號(hào)來源，振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)中分析的數(shù)據(jù)就是由此而來，系統(tǒng)使用ADXL335、TLC5510與STM32在眾多監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，然后在振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)中進(jìn)行分析，其采集的過程為：將傳感器放在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各個(gè)測(cè)量位置進(jìn)行測(cè)量，把測(cè)量到的模擬量傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換模塊，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)SPI口送到STM32中，數(shù)據(jù)在STM32中進(jìn)行打包，打包后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)中，其框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集框圖

(1)STM32片上資源。系統(tǒng)采用STM32F103ZE微控制器，控制器以Cortex-M3為內(nèi)核，最大工作頻率72 MHz，閃存最大為512 kB，以及64 kB的SRAM，具有12位ADC3個(gè)、12位DMA控制器、PWM、USART、USB等片上資源，豐富的片上資源會(huì)大幅降低系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)耗能。因此STM32F103ZE控制器可以作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器使用[9]；

(2)TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC5510為TI公司生產(chǎn)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用CMOS與半閃速雙工藝，該工藝有效降低了模數(shù)轉(zhuǎn)換器中比較器的數(shù)量，并且可以在高速運(yùn)行的同時(shí)保持低功率。轉(zhuǎn)換器內(nèi)設(shè)置有保持電路，此設(shè)計(jì)會(huì)更加方便轉(zhuǎn)換器的使用。TLC5510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由時(shí)鐘發(fā)生器、編碼器、分壓器與鎖存器等元件構(gòu)成[10-11]；

(3)ADXL335加速度計(jì)。系統(tǒng)利用加速度計(jì)ADXL335對(duì)高壓隔膜泵各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，該加速度計(jì)擁有高線性度、低噪音與低功耗等特性，其小尺寸、寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)非常適合檢測(cè)沖擊信號(hào)，故在數(shù)據(jù)采集部分選用ADXL335[12]；

(4)以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)芯片采用W5200控制芯片，用TCP/IP協(xié)議，并支持低功耗模式與高速SPI接口[13]。W5200經(jīng)過SPI接口與STM32相連接，如圖3所示，以此來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，從而簡(jiǎn)化了控制復(fù)雜度。

圖3　W5200與STM32連接圖

2.2　PC端分析模塊

PC端分析模塊的主要目的是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與顯示，并對(duì)其進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓隔膜泵單向閥的診斷。

該設(shè)計(jì)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信功能，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速傳輸，利用上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示，并與Matlab混合編程，使用ITD方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而判斷出高壓隔膜泵單向閥是否故障。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高壓隔膜泵單向閥振動(dòng)信號(hào)采集的軟件系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看，由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分構(gòu)成。下位機(jī)部分的功能為信號(hào)的采集、處理、傳輸以及以太網(wǎng)的相關(guān)通信協(xié)議等；上位機(jī)部分的功能為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，處理數(shù)據(jù)采集模塊傳輸來的信號(hào)數(shù)據(jù)并在界面顯示，使用ITD方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示。

3.1　下位機(jī)

在下位機(jī)中，主要的功能為加速度計(jì)ADXL335、模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510對(duì)高壓隔膜泵單向閥進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集，通過SPI接口將振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32中，且數(shù)據(jù)在STM32中進(jìn)行打包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集到傳輸。其中在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)要首先對(duì)TLC5510進(jìn)行初始化配置，其主要過程的程序框圖如圖4所示。

圖4　下位機(jī)流程圖

下位機(jī)首先開始整個(gè)程序的初始化工作，在初始化工作完成后開始采集數(shù)據(jù)，每5 s采集一次數(shù)據(jù)，采集后判斷數(shù)據(jù)是否超過程序設(shè)定的采集閾值，若沒有超過采集閾值則繼續(xù)采集，若超過采集閾值則對(duì)上一次采集的數(shù)據(jù)在STM32中進(jìn)行打包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.2　上位機(jī)

上位機(jī)的設(shè)計(jì)目的是保證對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并調(diào)用Matlab對(duì)該數(shù)據(jù)執(zhí)行ITD分解，故要對(duì)界面進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

上位機(jī)利用Visual Studio 2012設(shè)計(jì)，主要分為數(shù)據(jù)顯示與分析窗口，數(shù)據(jù)顯示部分顯示采集到的高壓隔膜泵單向閥振動(dòng)信號(hào)，數(shù)據(jù)分析部分顯示ITD方法的分解結(jié)果與對(duì)PR1分量的Hilbert包絡(luò)譜分析結(jié)果。菜單欄包括3個(gè)采集點(diǎn)選擇、自檢與退出；串口設(shè)置欄包括了對(duì)波特率、停止位、校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)位等方面的設(shè)置；報(bào)警欄設(shè)置了報(bào)警點(diǎn)設(shè)置與消除報(bào)警按鈕；另外還有IP選擇、登陸、斷開與清除窗口等功能，其界面如圖5所示。

信號(hào)采集分析界面主要是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與分析，首先對(duì)IP、校驗(yàn)位、停止位、報(bào)警點(diǎn)設(shè)置與波特率等進(jìn)行設(shè)置，然后連接服務(wù)，使采集到的振動(dòng)信號(hào)能夠正常顯示在數(shù)據(jù)顯示窗口。報(bào)警點(diǎn)設(shè)置后，程序運(yùn)行時(shí)如果超過了報(bào)警點(diǎn)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，可以通過消除報(bào)警來取消報(bào)警。

圖5　高壓隔膜泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

3.3　ITD

令高壓隔膜泵單向閥的振動(dòng)信號(hào)為Xt=[x1,x2,…,xn],令L為基線提取因子，則對(duì)該信號(hào)進(jìn)行一次ITD分解的結(jié)果可以表示為[14-15]

Xt=LXt+(1-L)Xt=Lt+Ht

(1)

式中，Ht=(1-L)；Xt為PR分量；Lt=LXt為基線分量。

ITD的分解步驟為：

(1)令Xt的極值點(diǎn)為τk,k是極值點(diǎn)總數(shù)值，則該信號(hào)分段線性基線提取因子L如下

(2)

(3)

式中，t∈(αk,αk+1);α為控制提取固有旋轉(zhuǎn)分量幅度的增益控制參數(shù)，0<α<1,該文取值0.5。

(2)由已知的基線分量Lt得到PR分量Ht，其公式為

Ht=(1-L)Xt=Xt-Lt

(4)

(3)把Lt作為上文中的原始振動(dòng)信號(hào)Xt，重復(fù)步驟(1)和步驟(2)繼續(xù)進(jìn)行分解，一直分解到基線分量為一個(gè)單調(diào)信號(hào)。

多次ITD分解公式可以表示為

(5)

4　系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)硬件與軟件完成設(shè)計(jì)工作后，為了使硬件與軟件能夠順利運(yùn)行，故要對(duì)所有部分進(jìn)行測(cè)試，使所有的功能能夠順利實(shí)現(xiàn)。第一步需要將硬件連接，即把采集模塊、分析模塊等連接起來；第二步測(cè)試數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)能否在PC端顯示，即測(cè)試采集與通信功能是否成功實(shí)現(xiàn)；第三步測(cè)試對(duì)采集信號(hào)的ITD方法分解是否能成功實(shí)現(xiàn)，即測(cè)試PC端的實(shí)時(shí)診斷功能是否能實(shí)現(xiàn)。

4.1　信號(hào)顯示模塊

首先將傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、STM32、等硬件連接，配置IP地址等，并初始化模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。所有配置完成后，將傳感器安裝到高壓隔膜泵上，開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，通過PC機(jī)顯示。

4.2　ITD分析與顯示

振動(dòng)信號(hào)顯示完成后，通過軟件調(diào)用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 ITD方法分析，該方法連續(xù)分解出4個(gè)PR分量，將分解出的第一個(gè)分量PR1進(jìn)行Hilbert包絡(luò)譜分析，并把振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果依次顯示在窗口中，結(jié)果如圖6所示。

圖6　ITD分析結(jié)果圖

4.3　故障分析

當(dāng)高壓隔膜泵單向閥出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)的頻率會(huì)發(fā)成突變，如圖7所示，圖中包括原始信號(hào)與連續(xù)分解4次得到的4個(gè)PR分量，在PR1與PR2中可以看出明顯的沖擊成分，將該故障信號(hào)分解的PR1分量進(jìn)行Hilbert包絡(luò)譜[16]分析，其結(jié)果如圖8所示。

圖7　故障信號(hào)分解出的PR分量

圖8　故障PR1的Hilbert包絡(luò)譜分析

對(duì)正常工作時(shí)的高壓隔膜泵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行ITD分解時(shí)的PR分量如圖9所示，在PR1分量與PR2分量中沒有明顯的沖擊成分，將該正常信號(hào)分解的PR1分量進(jìn)行Hilbert包絡(luò)譜分析，如圖10所示。

圖9　正常信號(hào)分解出的PR分量

圖10　正常PR1的Hilbert包絡(luò)譜分析

5　結(jié)束語

該文提出的高壓隔膜泵運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ω邏焊裟け脝蜗蜷y的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸與PC端分析3部分組成，采用模塊化的方法有利于系統(tǒng)的調(diào)試。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性好、功耗低，遠(yuǎn)程傳輸穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好，故障診斷準(zhǔn)確性較好，為無人值守泵站的高壓隔膜泵單向閥遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了一種方案。

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