基于LabVIEW数据采集的大型机械故障诊断分析系统

刘晓燕，吴 娜，陈宇佳

(中船重工第713 研究所，河南 郑州450052)

随着现代化程度的不断提高，大型机械设备的组成也越来越复杂，造成故障的原因也越来越多，对设备进行故障诊断，及时判断故障类型及故障位置，可以预防和消除设备故障，保证设备安全运行［1］.大型机械故障诊断的内容包括状态检测、分析诊断和故障预测3 个部分，数据的采集与分析是设备状态检测的重要组成部分.

LabVIEW 软件是由美国NI 公司开发的一种图形化编程语言，是目前应用较广的一种开发软件.它提供了比较直观的图形化编程方式，包含了很多工程应用函数和模块化编程，简单易操作，可节省大量的开发时间［2－3］.笔者预设计的基于LabVIEW 的大型机械故障诊断分析系统，实质上是将机械的传统硬件设备与计算机软件平台充分结合起来，设计出更好的人机交互界面［4］.

1 系统组成

该故障诊断分析系统包括:机械硬件驱动系统、传感器、数据采集卡(振动信号采集系统)和计算机(故障诊断分析系统)等，流程如图1所示.同时，在设计该系统时，应充分考虑各方因素，确保系统的先进性、可靠性和实用性.

该系统软件平台显示主界面主要包括:模拟信号分析系统、频域分析系统和相关分析系统.其中模拟信号分析系统是针对软件生成的模拟信号. 频域分析系统和相关分析系统是和数据采集接口相连的，对采集到的数据进行分析判断.

图1 故障诊断系统设计流程

2 系统设计

2.1 数据采集接口设计

针对该诊断系统，数据采集接口是整个系统数据来源的关键，采集的数据质量直接影响后续对数据的处理，因此数据采集接口设计时，传感器、数据采集卡的选取尤为重要. 该接口设计选用美国PCB公司生产的352C65 型加速度传感器和北京京航公司生产的HG－8900 系列采集箱. 数据采集接口的程序框图如图2所示.

通过传感器测量得到的加速度信号是模拟电信号，对模拟信号进行处理，再通过数据采集接口将处理后的模拟信号转换成数字信号传输给计算机进行分析处理.信号调理是两者之间的桥梁，负责将传感器输出的信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来.

图2 数据采集接口的程序框图

2.2 模拟信号分析模块设计

模拟信号系统利用由仿真信号生成的正弦、方波、三角等信号进行模拟分析，对模拟信号加窗将改变时域信号及其频谱的形状，对加窗后的信号进行周期延拓，可以很大程度上减少信号的不连续性.以正弦信号为例，给出正弦信号在加窗时的幅值谱程序，如图3所示.

图3 正弦信号加窗时的幅值谱程序图

2.3 频域分析模块设计

频域分析是大型机械故障诊断分析中最常用且最重要的信号分析方法，实际工作中所测得的振动信号大部分为时域信号，然而故障的发生往往会引起信号的频率结构发生很大变化.因此，为了通过所测得的时域信号分析大型机械故障所在，往往需要分析振动信号的频域信息［5］. 将时域信号通过傅立叶变换变换为频域信号进而加以分析的方法称为频域分析法.频域分析法是基于信号的频谱分析展开的，频域分析系统是应用数据采集的软件分析平台，通过传感器、采集箱和采集接口将数据采集上来，对采集到的数据进行频域分析. 频域分析系统分为线性谱图分析和对数谱图分析. 线性谱图分析的特点是比较直观，但不易发现许多弱故障信号.针对这种情况，可以使用对数谱图进行分析.对数谱图包括幅值谱、功率谱、功率倒频谱等. 频域分析系统的程序如图4所示.

图4 频域分析系统线的程序框图

2.4 相关分析模块设计

自相关函数是用来确定随机信号中周期性信号或固定性信号的，是大型机械振动信号在时间轴上的描述，用于识别振源，进而分析故障原因，判断故障点及故障类型.自相关分析界面如图5所示.

图5 自相关分析的程序框图

3 系统主界面设计

主界面是进入数据采集及故障诊断的人机交互界面，反映了软件的各项功能.该系统界面采用了模块化的设计思想，每个功能的实现由独立的模块完成.系统主界面程序如图6所示.

图6 故障诊断系统主界面的程序框图

4 结 语

利用LabVIEW 软件的优势，开发出大型机械故障诊断的软件平台，将传感器采集到的振动信号通过数据采集接口传递到计算机上进行数据分析，并判断故障原因及故障点. 该系统简单明了，形象直观，易于操作，人机交互性好，并且能够实现各种硬件设备所能实现的功能.

［1］黄文虎，夏松波，刘瑞岩，等. 设备故障诊断原理、技术及应用［M］.北京:科学出版社，1996.

［2］杨乐平，李海涛，肖相生. LabVIEW 程序设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［3］National Instruments.LabVIEW User Manual［M］.Texas:NI，2001.

［4］赵永立，杨建成，张玉红.基于LabVIEW 的虚拟振动测试分析系统［J］.天津工业大学学报，2006，25(4):77－80.

［5］钟秉林，黄仁.机械故障诊断学［M］.北京:机械工业出版社，1997:78－79.