基于LabVIEW的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣方平 莊競(jìng)

（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省濟(jì)寧市 272037）

基于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢修就顯得很有必要，這是提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備微小故障的前提，對(duì)于減少故障發(fā)生率，降低設(shè)備維修成本，提升設(shè)備運(yùn)行效率很有必要。而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器使用成本高，技術(shù)相對(duì)滯后，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器，可以保持技術(shù)水平，降低設(shè)備維修費(fèi)用，還能提升設(shè)備開放性和靈活性，以LabVIEW 軟件來開發(fā)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，可以發(fā)揮虛擬儀器的作用，提升測(cè)試的精準(zhǔn)度和可靠性。

1 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)原理

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是一種以檢測(cè)技術(shù)、識(shí)別理論、信號(hào)處理、預(yù)報(bào)決策等技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，主要服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，能夠提升生產(chǎn)效率，這一技術(shù)融合了多種學(xué)科技術(shù)，屬于前沿的高新技術(shù)之一。目前，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在相關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)和診斷中的有效應(yīng)用，對(duì)于設(shè)備安全、事故分析、性能評(píng)估等工作具有很好的輔助作用，提升了設(shè)備的安全有效運(yùn)行效益。就設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用原理來看，結(jié)合對(duì)于設(shè)備信號(hào)、狀態(tài)等的測(cè)取，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，就該系統(tǒng)功能來看，主要包含以下幾方面：

狀態(tài)監(jiān)測(cè)：借助各類傳感器，對(duì)于設(shè)備的溫度、振動(dòng)、流量、壓力、開關(guān)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行記錄和信息傳送，對(duì)于這些有代表性和故障診斷性的重要特征信號(hào)，為在這些信號(hào)中提取有征兆的信號(hào)提供依據(jù)。

故障診斷：故障診斷也被稱為故障分析，主要作用是對(duì)監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)信息以及相關(guān)輔助信息實(shí)施處理，以降低或者消除噪聲干擾，提取出對(duì)于故障最敏感、最有影響的參數(shù)，以便分析故障源，找到問題的原因，再通過這些信息來對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)受影響情況進(jìn)行綜合評(píng)估，診斷得出故障等級(jí)。

控制決策：結(jié)合特征參數(shù)，結(jié)合具體規(guī)范，來進(jìn)行綜合分析，針對(duì)設(shè)備狀態(tài)開展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。此外，還能夠在系統(tǒng)故障的情況下，結(jié)合故障等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果，來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和修改，或者是執(zhí)行停機(jī)操作，開展進(jìn)一步維修工作。

設(shè)備在運(yùn)行中，必然會(huì)產(chǎn)生力、介質(zhì)、能量、熱、摩擦等物理和化學(xué)參數(shù)的變化和傳遞，也因此會(huì)在過程中產(chǎn)生多種多樣的信息，相關(guān)信息變化對(duì)于設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)或多或少也會(huì)帶來影響，一些信息甚至能夠直接或者間接的反映系統(tǒng)的狀態(tài)。簡(jiǎn)單來說，正常運(yùn)行和異常運(yùn)行中的系統(tǒng)信息參數(shù)變化和規(guī)律是不同的，因此，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)就是通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的相關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。如圖1 所示，為設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷過程。其中，信號(hào)采集以及處理部分將信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出到傳感器，并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的信號(hào)處理程序；而狀態(tài)識(shí)別、故障診斷以及決策中，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜，并進(jìn)行巡回監(jiān)視和停機(jī)檢修，達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的效果。

圖1：設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷過程

2 軟件平臺(tái)選擇

2.1 LabVIEW軟件概述

此次課題研究中，應(yīng)用的是NI 公司的LabVIEW 軟件，屬于虛擬儀器開發(fā)工具的一種，主要在儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析等方面應(yīng)用。借助LabVIEW 軟件，可以產(chǎn)生32 位編譯程序，所以應(yīng)用這一軟件來進(jìn)行編程操作，能夠有效提升數(shù)據(jù)采集、測(cè)試以及運(yùn)行的效率。LabVIEW 軟件編程和傳統(tǒng)編程語言有一定的類型，但是傳統(tǒng)編程語言局限于文本語言編程，而LabVIEW 軟件可以實(shí)現(xiàn)圖形語言的編程目標(biāo)。在機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用LabVIEW 軟件平臺(tái)進(jìn)行編程操作，能夠更好的提升編程效率，還能夠確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以微機(jī)為主要核心，連接了可編程數(shù)據(jù)采集接口、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2：硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的加速傳感器型號(hào)為3200/3193，數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為6024 型多功能采集卡。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW 軟件平臺(tái)的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析功能實(shí)現(xiàn)，需要構(gòu)建數(shù)據(jù)的高效采集和傳輸通道，確保數(shù)據(jù)能夠動(dòng)態(tài)顯示，并對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)施處理和分析。

以LabVIEW 軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，包含了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及主控制器設(shè)計(jì)，這些都是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中的關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)部分。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中，處理器的作用很關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化目標(biāo)，選擇使用低能耗、低成本和高性能的處理器進(jìn)行處理，確保系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)作用能夠有效發(fā)揮。通過串口接收無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息，做好解析和處理，再將相關(guān)信息保存后傳輸?shù)紾PRS 模塊，借助串口接收相關(guān)控制命令或其他信息數(shù)據(jù)，做好分析處理后將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器搶位置，完成軟件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

通過軟硬件的設(shè)計(jì)，以LabVIEW 技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，運(yùn)行該系統(tǒng)，可以有效控制并查詢相關(guān)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，可以隨時(shí)隨地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)機(jī)電設(shè)備是否存在故障隱患和問題，檢修人員可以在緊急情況下，及時(shí)做好故障檢查和維修的判斷，這一系統(tǒng)甚至可以為機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)提供正確的決策支持，制定故障檢修計(jì)劃和方案，確保最大效率的完成檢修任務(wù)。將設(shè)計(jì)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，進(jìn)行實(shí)際操作演練，該系統(tǒng)的應(yīng)用精準(zhǔn)性比較高，能夠及時(shí)區(qū)分故障和非故障情況，整體的應(yīng)用成效比較理想，證明該設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的有效性。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

依照上述對(duì)于機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及故障的解析，論文根據(jù)LabVIEW 軟件開發(fā)出一套在Windows 平臺(tái)下運(yùn)作的故障診斷系統(tǒng)軟件。該故障診斷軟件的主要作用是CAN-USB對(duì)于適配器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到機(jī)電設(shè)備CAN 總線的數(shù)據(jù)信息，再將得到的數(shù)據(jù)信息借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，對(duì)于是否存在故障問題進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。這一診斷模型主要是通過傳感器的信號(hào)對(duì)于相關(guān)的故障信息進(jìn)行判斷的，系統(tǒng)對(duì)于CAN 總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，也是來自于各傳感器信息數(shù)據(jù)。該故障診斷系統(tǒng)主要是6 個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)幫助模塊組成，相關(guān)模塊也對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的人機(jī)界面。

3.1 數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

LabVIEW 軟件要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能之一就是數(shù)據(jù)采集，借助LabVIEW 軟件，數(shù)據(jù)采集更高效、更全面。而模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集指只是DAQ 模塊的功能之一，能夠?yàn)橛脩籼峁┕δ軓?qiáng)大且便捷的信號(hào)采集和處理方案。系統(tǒng)借助模擬信號(hào)輸入函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件的有效控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集目標(biāo)。數(shù)據(jù)采集模塊功能實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)多樣化的數(shù)據(jù)采集通道，對(duì)于數(shù)據(jù)文件的保存路徑、采樣頻率、點(diǎn)數(shù)以及通道號(hào)等重要參數(shù)要做好提前的設(shè)置。在數(shù)據(jù)保存路徑選擇上，應(yīng)該選擇便于管理和調(diào)用的數(shù)據(jù)文件保存形式，將數(shù)據(jù)文件保存到固定位置，方便瀏覽查找。對(duì)于采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，應(yīng)該在各個(gè)通道設(shè)置列，便于文件存放。

3.2 數(shù)據(jù)分析的實(shí)現(xiàn)

通過數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示在顯示屏中，形成在線信號(hào)波形，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將采集到的數(shù)據(jù)以文件形式儲(chǔ)存，使用數(shù)據(jù)讀取模塊來對(duì)于保存的文件進(jìn)行讀取，再進(jìn)行均值預(yù)處理，對(duì)于相應(yīng)時(shí)域和頻域的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，針對(duì)時(shí)域波形以時(shí)間軸為間隔，對(duì)頻域波形以頻率軸為間隔。

再進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理模塊，主要對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，主要處理流程包含帶通濾波、包絡(luò)檢波以及低通濾波。對(duì)采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理后轉(zhuǎn)到包絡(luò)檢波環(huán)節(jié)，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和變換，最后進(jìn)入低通濾波，完成數(shù)據(jù)的整體處理過程。

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 軟件來實(shí)施機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要堅(jiān)持模塊化的設(shè)計(jì)理念，相應(yīng)功能模塊的有效實(shí)現(xiàn)，才能夠確保整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析到數(shù)據(jù)處理，包含的數(shù)據(jù)采集模塊、分析以及處理模塊，各個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)都至關(guān)重要。而最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果呈現(xiàn)，需要有一個(gè)個(gè)性化、便利化的人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)，在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)上，要體現(xiàn)便利性和簡(jiǎn)潔性，讓操作者一眼就能夠看清楚界面中的可操作項(xiàng)目，能夠精準(zhǔn)按照指示來進(jìn)行進(jìn)一步的操作，及時(shí)準(zhǔn)確的獲取想要的信息，為機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供有效的交互界面。

4 總結(jié)

采用LabVIEW 建立虛擬診斷設(shè)備，處理電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷問題是目前發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的比較先進(jìn)的故障診斷方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬診斷模型下，對(duì)于機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和診斷?；贚abVIEW 軟件來設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，需要提前構(gòu)建系統(tǒng)的框架，設(shè)置相應(yīng)的功能模塊，對(duì)于各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行有效處理，建立相應(yīng)模塊之間的聯(lián)系，并選擇合理的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，確保LabVIEW 建立虛擬診斷設(shè)備，構(gòu)建有效的設(shè)備好狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，為機(jī)電設(shè)備的有序運(yùn)行提供安全可靠的監(jiān)測(cè)。