基于DSP的滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)

任鍇勝，王增才，王保平

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061)

滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最基本的零件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。由于滾動(dòng)軸承早期故障特征并不明顯，人為判斷滾動(dòng)軸承好壞具有很高的誤判率［1－2］。過早更換滾動(dòng)軸承勢必會(huì)增加生產(chǎn)成本，造成不必要的浪費(fèi);過晚更換滾動(dòng)軸承可能會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能損壞其他設(shè)備，引發(fā)安全事故。因此研究適合于滾動(dòng)軸承的在線故障診斷系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)處理量大，因此對硬件設(shè)備提出了較高的要求，傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，無論是IO口數(shù)量還是數(shù)據(jù)處理能力均不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求，而數(shù)字信號處理(digitalsignal process，DSP)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力備受人們的青睞，逐漸走進(jìn)智能測控系統(tǒng)的舞臺，成為智能測控系統(tǒng)的重要組成部分。組態(tài)軟件則以其良好的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，成為智能測控系統(tǒng)的另一重要組成部分。筆者設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)采用DSP和組態(tài)軟件構(gòu)成系統(tǒng)的核心。DSP作為下位機(jī)對采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，組態(tài)軟件作為人機(jī)交互界面對故障軸承進(jìn)行報(bào)警顯示，同時(shí)對下位機(jī)DSP進(jìn)行相應(yīng)的控制。

1 滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于DSP的滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)由信號采集部分、信號預(yù)處理部分、DSP信號處理部分、通信部分和人機(jī)交互界面5個(gè)部分組成［3－5］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，8個(gè)壓電加速度傳感器分別采集8個(gè)滾動(dòng)軸承振動(dòng)加速度信號，信號預(yù)處理部分對采集的振動(dòng)加速度信號進(jìn)行放大、濾波，使之處于DSP工作范圍內(nèi)。DSP處理板對預(yù)處理后的振動(dòng)加速度信號進(jìn)行A/D采樣，同時(shí)對采集的信號進(jìn)行分析、處理，并將分析、處理好的數(shù)據(jù)通過RS485通信部分傳給上位機(jī)。上位機(jī)(工控機(jī))接收DSP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在組態(tài)界面上顯示滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況，同時(shí)對故障軸承進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并對報(bào)警記錄進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖1 滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要硬件設(shè)計(jì)及其選用

系統(tǒng)的主要硬件由壓電加速度傳感器、信號預(yù)處理板、DSP處理板、RS485/RS232通信模塊和上位機(jī) (研華工控機(jī))組成［6］。

1.2.1 DSP 處理板

由于系統(tǒng)是在線故障診斷系統(tǒng)，要求系統(tǒng)響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能進(jìn)行長期監(jiān)測，同時(shí)應(yīng)當(dāng)具備與上位機(jī)通信的串行通信接口，因此該系統(tǒng)選用北京合眾達(dá)公司的SEEDDSP2812信號處理板作為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和分析部分。DSP2812是32位定點(diǎn)DSP芯片，內(nèi)含128 k×16位片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，具備12位的AD采樣，能同時(shí)采集16路數(shù)據(jù)，同時(shí)具備兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART串行通信接口，能很好地滿足多通道數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理分析的要求。

1.2.2 RS485/RS232通信模塊

由于受現(xiàn)場工作條件的限制，目前的智能測控系統(tǒng)通常采用遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制方法，因此系統(tǒng)對通信方式提出了一定的要求。由于傳統(tǒng)的RS232通信方式受通信距離的限制，一般只適合20 m以內(nèi)的短距離通信，因此很難滿足智能測控系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)采用傳輸距離遠(yuǎn)的RS485通信方式。RS485通信方式具有通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，信號最遠(yuǎn)能傳輸1 200 m左右。由于上位機(jī)只有RS232通信接口，因此必須對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)采用ADAM公司的RS485/RS232通信模塊實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

1.2.3 其他硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要用于對礦用天輪滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行在線診斷，礦用天輪滾動(dòng)軸承采用23 176 K型調(diào)心滾子軸承，轉(zhuǎn)速約為30 r/min，屬于低速重載滾動(dòng)軸承，其轉(zhuǎn)頻為0.5 Hz，因此傳感器主要選擇用于低頻長期監(jiān)測的壓電加速度傳感器。壓電加速度傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 壓電加速度傳感器性能指標(biāo)

信號預(yù)處理部分采用高增益、高精度、高性能的儀用放大器NA129芯片，符合國家標(biāo)準(zhǔn)對測量放大器的頻響、噪聲等特性的要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟件部分設(shè)計(jì)。軟件部分由數(shù)據(jù)采集及處理模塊、SCI串口通信模塊和人機(jī)交互界面模塊組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集通過DSP2812自帶的12位ADC對8路傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心部分。通過對采集的8路傳感器數(shù)據(jù)依次進(jìn)行初始濾波、零均值處理和時(shí)域分析，分別計(jì)算出各路傳感器采集數(shù)據(jù)的時(shí)域特征參數(shù)。

2.2 SCI串口通信模塊設(shè)計(jì)

由于組態(tài)軟件需要與DSP進(jìn)行通信，而組態(tài)王軟件所支持的硬件設(shè)備包括PLC、智能儀表、智能模塊和板卡與變頻器，其中并沒有DSP［7］，組態(tài)王支持與單片機(jī)進(jìn)行串行通信，而DSP2812也支持串行通信方式，并且DSP2812具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART串行通信接口，因此可以采用智能模塊中的通用單片機(jī)ASCII通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與DSP2812的通信。組態(tài)王與DSP通信協(xié)議在組態(tài)王軟件中已經(jīng)對組態(tài)王部分的通信協(xié)議進(jìn)行封裝，因此只需編制下位機(jī)DSP部分的通信協(xié)議便可實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與DSP2812的串行通信。

2.2.1 組態(tài)王與DSP通信格式

組態(tài)王讀取DSP2812的數(shù)據(jù)格式如表2所示［8］。組態(tài)王向DSP2812寫數(shù)據(jù)格式如表3所示。

表2 組態(tài)王讀取DSP2812的數(shù)據(jù)格式

表3 組態(tài)王向DSP2812寫數(shù)據(jù)格式

在表2和表3中，字頭為組態(tài)王與單片機(jī)通信協(xié)議中定義的起始字符，用0x40表示;設(shè)備地址是在組態(tài)王軟件中設(shè)置的與其通信的設(shè)備代號，該系統(tǒng)中設(shè)備地址為0x00;標(biāo)志位用來區(qū)分組態(tài)王讀或?qū)憯?shù)據(jù)，以及讀寫數(shù)據(jù)類型等;數(shù)據(jù)地址為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或者寫入的數(shù)據(jù)地址;數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)長度;數(shù)據(jù)值為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或存入的數(shù)據(jù)值;異或值為一幀數(shù)據(jù)的異或值，用來校驗(yàn)所發(fā)送數(shù)據(jù)正確與否;結(jié)束符為組態(tài)王與單片機(jī)通信協(xié)議中定義的結(jié)束字符，用CR表示;正確標(biāo)識符為DSP應(yīng)答組態(tài)王已經(jīng)接收到的寫入數(shù)據(jù)命令，且數(shù)據(jù)格式正確，用0x23表示;錯(cuò)誤標(biāo)識符為DSP應(yīng)答組態(tài)王讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)格式不正確，用0x2a表示。

2.2.2 組態(tài)王與DSP通信流程

組態(tài)王與DSP通信流程如圖2所示。首先DSP判斷是否接受到一幀完整的數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP接收到一幀完整數(shù)據(jù)后，再判斷是組態(tài)王讀數(shù)據(jù)請求還是寫數(shù)據(jù)請求，然后DSP進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答處理。

圖2 組態(tài)王與DSP通信流程圖

2.3 人機(jī)交互界面模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用北京亞控公司的組態(tài)王6.5軟件作為人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面包括滾動(dòng)軸承參數(shù)的設(shè)置、故障報(bào)警閾值的設(shè)置、報(bào)警結(jié)果的顯示、報(bào)警記錄的存儲(chǔ)和滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等信息的顯示。

3 DSP算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的算法主要通過DSP對采集的8路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，通過時(shí)域特征參數(shù)來判別軸承故障。常用的時(shí)域特征參數(shù)包括有效值、峰值因子、脈沖因子、峭度、波形因子和峰值等。筆者采用峭度和峰值因子作為滾動(dòng)軸承故障診斷的依據(jù)［9］，其計(jì)算公式為:

式中:，xi為傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，i=1，2，…，N;N為采樣點(diǎn)數(shù);x為采樣數(shù)據(jù)的均值。

式(1)為峭度計(jì)算公式，式(2)為峰值因子計(jì)算公式。峭度和峰值因子均不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷大小的影響，能準(zhǔn)確地判斷出軸承的早期故障。研究表明正常軸承峰值因子一般為5左右，峭度為3左右，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)峰值因子和峭度會(huì)明顯增大［10］。

因此以峰值因子和峭度作為判斷軸承早期故障的依據(jù)是合適的。

4 應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)對兗礦集團(tuán)濟(jì)寧2號井煤礦的礦用天輪滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷。通過該系統(tǒng)對礦用天輪滾動(dòng)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，通過組態(tài)軟件對故障軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警記錄進(jìn)行存儲(chǔ)，以便日后查看報(bào)警記錄。礦用天輪滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)報(bào)警界面如圖3所示，該系統(tǒng)對礦用天輪的8個(gè)滾動(dòng)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)某一軸承出現(xiàn)故障時(shí)，通過DSP對采集的滾動(dòng)軸承現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并將分析的結(jié)果采用RS485通信方式傳給組態(tài)軟件，由組態(tài)軟件對故障軸承進(jìn)行報(bào)警。圖3所示為檢測到軸承2和軸承8出現(xiàn)故障，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警界面的報(bào)警指示燈閃爍，同時(shí)出現(xiàn)軸承故障的提示信息。圖4為經(jīng)過DSP處理的8個(gè)滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)界面，通過RS485將這8個(gè)滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給組態(tài)軟件，通過查看這些軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)可以及時(shí)了解軸承目前運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

圖3 礦用天輪滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)報(bào)警界面

圖4 礦用天輪滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)界面

5 結(jié)論

基于DSP的滾動(dòng)軸承在線故障診斷系統(tǒng)利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和組態(tài)軟件良好的人機(jī)交互界面，較好地實(shí)現(xiàn)了對滾動(dòng)軸承的在線監(jiān)測。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于兗礦集團(tuán)濟(jì)寧2號井煤礦，具有較好的應(yīng)用前景。

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