基于多重移位復(fù)用的軸承健康監(jiān)測報(bào)警存儲方法研究

顏丙生，張柏，李奇，劉兆亮，劉鵬飛

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

可傾瓦滑動軸承因具有高負(fù)載、低摩擦、運(yùn)行穩(wěn)定、可自動調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械。在高速重載工作環(huán)境下，任何早期軸承故障都可能會引發(fā)災(zāi)難性事故。為保證安全生產(chǎn)，需要開發(fā)軸承監(jiān)測系統(tǒng)[1-5]。報(bào)警存儲是系統(tǒng)的核心，主要用于監(jiān)測異常數(shù)據(jù)和自動記錄報(bào)警前后一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

1986年，美國國家儀器公司(NI)提出虛擬儀器這一概念，它集現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)于一身[6-7]。目前國內(nèi)外主要通過虛擬儀器來搭建監(jiān)測系統(tǒng)。閆鑫等人[8]根據(jù)存儲式測試方法，利用LabVIEW平臺構(gòu)建用于邏輯信息獲取和處理的虛擬邏輯分析系統(tǒng)。江弘杰、賈維敏[9]通過API函數(shù)庫和SQL數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保障了數(shù)據(jù)存儲率。DU、 DONG[10]使用虛擬儀器集成應(yīng)用GPS、AHRS等構(gòu)建一套道路測試系統(tǒng)。SHEN等[11]著眼于動態(tài)測量，設(shè)計(jì)了多通道并行動態(tài)測試虛擬儀器系統(tǒng)。VILLANUEVA-LPEZ等[12]基于LabVIEW開發(fā)了紅外激光光譜測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)存儲方式易造成緩存時(shí)間長度變化、數(shù)據(jù)丟失等問題[13]，將LabVIEW與其他軟件結(jié)合存在不兼容、影響系統(tǒng)運(yùn)行等問題，需要研究其他方法完成報(bào)警存儲。

針對上述問題，本文作者結(jié)合多個(gè)移位寄存器、隊(duì)列和循環(huán)索引提出一種基于多重移位復(fù)用的報(bào)警存儲方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)于某研究所生產(chǎn)的徑向五瓦可傾瓦滑動軸承[14]，硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由采集裝置(傳感器、采集卡、采集卡機(jī)箱)和顯示裝置(上位機(jī))組成。通過布置多點(diǎn)位多類型傳感器對可傾瓦滑動軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖2所示，分為硬件驅(qū)動、信號采集、分析、存儲、回放、報(bào)警、定時(shí)報(bào)表七大模塊，其中存儲模塊分為趨勢存儲、手動存儲以及報(bào)警存儲3種。趨勢存儲用于趨勢圖的繪制，方便觀察所有被測量物在工作狀態(tài)下的變化趨勢；手動存儲是對采集過程中需要存儲的信號執(zhí)行手動操作，對所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；報(bào)警存儲需要實(shí)現(xiàn)將發(fā)生報(bào)警時(shí)以及報(bào)警前后10 s內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動存儲。相較于趨勢存儲和手動存儲，報(bào)警存儲用于分析報(bào)警原因，要求和實(shí)現(xiàn)方式更為復(fù)雜。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

1.2 報(bào)警存儲時(shí)長計(jì)算

報(bào)警存儲作為分析報(bào)警原因的重要方式之一，每次報(bào)警均需要存儲單獨(dú)文件。應(yīng)用戶需求，常規(guī)報(bào)警存儲時(shí)長21 s。根據(jù)不同的報(bào)警類型，報(bào)警存儲時(shí)長會發(fā)生變化。具體計(jì)算過程如式(1)：

(1)

其中：T表示報(bào)警存儲時(shí)長；A表示報(bào)警前時(shí)間長度(A<10取A，A≥10取10)；B表示報(bào)警次數(shù)；C表示報(bào)警總間隔時(shí)長(Cn表示相鄰報(bào)警間隔時(shí)長，Cn≤20，n=B-1)。由式(1)可知報(bào)警存儲時(shí)長最小值為11 s，最大值由實(shí)際報(bào)警情況決定。

1.3 多重移位復(fù)用算法設(shè)計(jì)

移位寄存器可以在循環(huán)之間傳遞值，常見于循環(huán)兩側(cè)，位置相對。右側(cè)接線端用于存儲每次循環(huán)結(jié)束時(shí)的數(shù)據(jù)并傳遞到左側(cè)接線端，作為下次循環(huán)的初始值[15]。利用移位寄存器的短暫存儲特性，通過在循環(huán)左側(cè)連續(xù)布置多個(gè)移位寄存器，擴(kuò)大存儲時(shí)長是多重移位復(fù)用算法的基礎(chǔ)。算法流程如圖3所示。

圖3 多重移位復(fù)用算法流程

2 多重移位復(fù)用報(bào)警存儲實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)獲取

設(shè)置采樣時(shí)鐘內(nèi)部采樣數(shù)等于各通道采樣率之和，信號采集所在循環(huán)每秒循環(huán)一次，根據(jù)這一特性可以控制只存儲報(bào)警前后10 s的數(shù)據(jù)。如圖4所示，以加速度信號數(shù)據(jù)獲取方式為例進(jìn)行說明。將循環(huán)左側(cè)21個(gè)布爾型移位寄存器與“或”函數(shù)并聯(lián)，發(fā)生報(bào)警時(shí)觸發(fā)報(bào)存，保證常規(guī)報(bào)存觸發(fā)時(shí)間為21 s；循環(huán)左側(cè)11個(gè)數(shù)值型移位寄存器依次連接，從最下方移位寄存器中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，即當(dāng)前循環(huán)10 s前所采集的信號數(shù)據(jù)。

圖4 加速度信號數(shù)據(jù)獲取

監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警后，報(bào)存觸發(fā)，此時(shí)10 s前加速度信號數(shù)據(jù)通過隊(duì)列進(jìn)入存儲所在循環(huán)，執(zhí)行報(bào)警存儲。21 s后，加速度信號數(shù)據(jù)對應(yīng)報(bào)存剛觸發(fā)10 s后數(shù)據(jù)，通過隊(duì)列進(jìn)入存儲所在循環(huán)，報(bào)存完成。發(fā)生連續(xù)報(bào)警且間隔小于20 s時(shí)，報(bào)存觸發(fā)時(shí)長與式(1)計(jì)算一致。報(bào)警前監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行不足10 s時(shí)，對應(yīng)加速度信號數(shù)據(jù)輸出為0，報(bào)存觸發(fā)時(shí)長雖為21 s，但是前期無數(shù)據(jù)存儲，實(shí)際存儲時(shí)長仍與式(1)一致。

2.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)存儲處于不同循環(huán)，如圖5所示，采用生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)中的元素入隊(duì)列和出隊(duì)列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。將不同類型、不同狀態(tài)的數(shù)值、數(shù)組、布爾等捆綁成簇，將簇輸入元素入隊(duì)列，元素出隊(duì)列后解除簇捆綁得到各類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)遵循先進(jìn)先出的原則，當(dāng)內(nèi)存被擠滿時(shí)系統(tǒng)就會報(bào)錯(cuò)，可以防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)采集和存儲速度需要把握，最好的狀態(tài)就是完全同步[16]。

圖5 隊(duì)列傳輸

存儲格式采用TDMS，它以二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型進(jìn)行存儲，讀寫速度快、占用硬盤空間小。圖6是報(bào)警存儲子VI控制TDMS文件的條件結(jié)構(gòu)。將“creat”和“close”均與圖4“alarm”關(guān)聯(lián)，觸發(fā)報(bào)警后，“alarm”執(zhí)行真，2個(gè)條件結(jié)構(gòu)均執(zhí)行真分支。創(chuàng)建TDMS文件，不執(zhí)行TDMS關(guān)閉，數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；報(bào)警結(jié)束后，“alarm”執(zhí)行假，2個(gè)條件結(jié)構(gòu)均執(zhí)行假分支，TDMS關(guān)閉，報(bào)警存儲結(jié)束。

圖6 數(shù)據(jù)存儲執(zhí)行方式

在后續(xù)程序調(diào)試過程中報(bào)警存儲出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，原因是觸發(fā)報(bào)警后，“creat”短時(shí)間內(nèi)觸發(fā)條件恒為真，同一個(gè)文件每秒都會被打開一次，占用一定運(yùn)行時(shí)間。以默認(rèn)采樣率為例，每秒存儲29 400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)存儲速度低于數(shù)據(jù)采集速度，導(dǎo)致程序報(bào)錯(cuò)。針對這一問題，提出“左二右一法”來確保在報(bào)警存儲過程中同一TDMS文件僅打開一次。如圖7所示，修改報(bào)警存儲“creat”觸發(fā)條件，將左邊第一個(gè)寄存器連接“與”函數(shù)，第二個(gè)寄存器取“非”后連接“與”函數(shù)，初始附加“F”，輸出結(jié)果連接“creat”，右邊移位寄存器通過隊(duì)列連接“alarm”輸出結(jié)果。報(bào)警觸發(fā)后，左邊第一個(gè)移位寄存器輸出“T”，第二個(gè)移位寄存器取“非”后也輸出“T”，“與”函數(shù)輸出為真，“creat”觸發(fā)條件為真，創(chuàng)建TDMS文件，開始進(jìn)行報(bào)警存儲。1 s后，“T”經(jīng)左邊第一個(gè)移位寄存器傳遞到第二個(gè)移位寄存器，取“非”輸出“F”，“與”函數(shù)輸出為假，TDMS文件不再打開，執(zhí)行第一次創(chuàng)建的文件輸出。報(bào)警結(jié)束后，通過 “close”控制TDMS文件關(guān)閉，報(bào)警存儲完成。存儲文件以當(dāng)前時(shí)間命名，便于實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)找到所需報(bào)警信息。

圖7 三種存儲方式

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8是實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場，為驗(yàn)證多重移位復(fù)用報(bào)警存儲的適用性，將7塊NI采集卡插入機(jī)箱，通過網(wǎng)線與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加速度傳感器連接至NI-9234采集卡0通道，設(shè)置該通道振動烈度報(bào)警值為10 mm/s。分別驗(yàn)證3種狀況下軸承監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警存儲的對應(yīng)結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場

(1)常規(guī)報(bào)警

在監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時(shí)間后(超過10 s)，對桌面施加一定激勵(lì)，振動烈度大于10 mm/s觸發(fā)報(bào)警，10 s后停止采集。進(jìn)入數(shù)據(jù)回放界面，根據(jù)文件名稱找到該報(bào)警存儲文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。箱體振動趨勢回放結(jié)果如圖9所示，趨勢圖中每秒取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以看到報(bào)警發(fā)生在15：12：19，報(bào)警前后各有10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，趨勢圖從15：12：09持續(xù)到15：12：29，對應(yīng)21個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，持續(xù)21 s，符合常規(guī)報(bào)警存儲要求。

圖9 常規(guī)報(bào)警

(2)連續(xù)報(bào)警

在對桌面施加第一次激勵(lì)后，10 s內(nèi)對桌面施加第二次激勵(lì)，觸發(fā)連續(xù)報(bào)警。圖10是連續(xù)報(bào)警箱體振動趨勢數(shù)據(jù)回放結(jié)果?？芍?次報(bào)警間隔8 s，第一次報(bào)警前和第二次報(bào)警后各有10 s數(shù)據(jù)，整個(gè)報(bào)警存儲持續(xù)30 s，與式(1)計(jì)算結(jié)果一致，符合連續(xù)報(bào)警要求。

圖10 連續(xù)報(bào)警

(3)系統(tǒng)運(yùn)行不足10 s發(fā)生報(bào)警

在監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行10 s內(nèi)對桌面施加一定激勵(lì)，觸發(fā)報(bào)警，趨勢回放結(jié)果如圖11所示?？芍涸谙到y(tǒng)運(yùn)行8 s后觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警存儲持續(xù)18 s，報(bào)警前自動存儲8 s數(shù)據(jù)，與式(1)計(jì)算結(jié)果一致。

圖11 系統(tǒng)運(yùn)行不足10 s發(fā)生報(bào)警

通過對3種報(bào)警類型存儲結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)回放分析，結(jié)果表明多重移位復(fù)用報(bào)警存儲符合用戶要求，存儲時(shí)長在不同報(bào)警類型下均與式(1)一致，數(shù)據(jù)完整。

4 結(jié)論

(1)以可傾瓦軸承實(shí)驗(yàn)臺為研究背景，在其監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開發(fā)出基于多重移位復(fù)用的報(bào)警存儲方法。解決了傳統(tǒng)報(bào)警存儲緩存時(shí)間長度隨采樣率變化、緩存數(shù)據(jù)丟失、單次報(bào)警等問題，滿足用戶實(shí)際需求，目前該系統(tǒng)已成功用于某車間性能監(jiān)測。

(2)多重移位復(fù)用報(bào)警存儲無需調(diào)用其他軟件，無軟件兼容問題，不影響監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行，適用于多數(shù)虛擬儀器測試系統(tǒng)。