基于LabVIEW的离心式化工泵振动测试系统设计

赵荣珍, 户文刚

(兰州理工大学 机电工程学院, 甘肃 兰州 730050)

现代化生产中,状态监测与故障诊断技术正在广泛地应用于机械、石油、化工、冶金、电力、航天等行业的机械设备中,这是由于在运行过程中,一旦设备发生故障或失效将会引起严重的后果,造成重大的经济损失.其中离心泵是一种工业中常用的旋转机械,它们具有高效率,不同流量和压力范围,流动更平稳,设计简单,易于操作等特点.但是由于高温等恶劣的工作环境,容易使离心泵发生故障,降低离心泵的性能,造成能量浪费,同时影响与之关联的设备乃至整个生产系统的稳定性,严重时甚至造成重大的人员伤亡和经济损失[1-2].因此,开展对离心泵振动监测与故障诊断技术研究具有重大的现实意义.

在国外,欧美等一些发达国家对泵测试技术的研究起步较早,关于测试系统的产品已经比较成熟,特殊泵的研制和泵的特性测试等方面的技术也更加成熟,泵测试系统呈现出集成化高、体积小、可移动、多功能、易操作等特点.但在水泵测试装置中仍存在如数据处理功能薄弱、缺少嵌入式数据处理分析系统、效率不高等缺陷[3].在国内,泵测试技术的发展相对较慢,在传统的振动测试系统中,往往存在所需仪器纷繁复杂、检测结果可靠性较差和成本较高等问题,在实际应用中受到了很大的制约.但是随着计算机技术的发展,出现了不同于传统仪器的虚拟仪器技术,其通过组合具有不同测试功能的软件模块和测量仪器硬件来实现测试功能.其中基于计算机硬件平台的虚拟测量仪器己经在许多行业得到了广泛的应用,其功能灵活、开放,容易与其他外设、网络相连,可构成强大的系统,并能随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级.由于充分利用了计算机资源,与传统仪器相比,虚拟仪器具有运算精确、存储量大、体积小、功能可扩展等优势[4].

LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器开发平台,开发的虚拟仪器可以实现信号的实时采集,并可以对信号进行时域和频域分析等一系列后续处理,能够满足现代信号测试与故障诊断的要求[5].本文以某型号卧式多级单吸离心泵作为研究对象,设计一套基于LabVIEW的离心泵振动测试系统,完成对离心泵试验台的数据采集、数据处理和故障诊断等过程,该系统能实现离心泵运行状态的实时在线监测,并分析诊断可能存在的故障,具有数据实时处理,人机界面友好,操作简单等优点.

1 系统硬件结构组成

基于LabVIEW的离心泵振动测试系统是一个振动信号监测及故障诊断分析处理系统,它的具体功能包含数据采集、处理、存储和故障诊断等.该系统主要由硬件和软件两部分组成,以此来实现离心泵运行状态的监测和常见故障的诊断,硬件是基础,软件是核心[3].信号采集由传感器和数据采集卡组成,传感器将采集的振动信号由物理信号转化为电信号,经信号调理设备进行简单的放大、隔离、滤波之后,再传送到安装在PCI机箱上的数据采集卡进行A/D转换,然后用LabVIEW开发平台编写的专门软件进行采集数据的分析处理、实时显示、故障诊断及存储查询等过程.系统的总体设计如图1所示,系统硬件由循环回路装置、振动加速度传感器、信号调理装置、数据采集卡和计算机组成[6-7].

1.1 循环回路装置

循环回路采用离心泵闭式回路,主要包括离心泵、水箱、电机、管路系统等,如图2所示.其中各管路接头处加装密封胶垫,防止漏水,以保证回路的密闭性,同时应尽量降低其他可能使离心泵产生振动的因素对系统产生的影响,例如调整联轴器的对接使其对中良好,加固地脚螺栓使泵的基础稳固,做好润滑减小摩擦引起的振动等.整个系统调试完成后运行平稳.

1.2 传感器及测点的选取

本系统选用朗斯LC0110系列内装IC压电加速度传感器,其电量输出正比于所测量的加速度值.该传感器具有低测量噪声、输出信号抗干扰能力强和低阻抗输出等优点,它的主要性能参数为：灵敏度100 mV/g,量程50 g,谐振频率20 kHz,分辨率0.000 2 g,频率0.5～5 000.0 Hz(±10%).

流量测点通过安装在出水管道上的闸阀进行流量控制,通过安装在出水管道上的流量计进行流量的测量.振动传感器测点的选取应该满足所测的信号尽可能地能对设备振动状态作出全面描述[8],具体布置情况如图3所示.

1.3 信号调理

信号调理设备在数据采集设备与传感器之间起到一个连接作用.由于传感器直接获取的振动信号幅值较大,而数据采集卡一般适用的幅值范围较窄,且经传感器转换成的电信号含有测量噪声,所以需要在传感器和数据采集卡之间添加信号调理设备,进行调理和处理,提高信噪比,并把信号转换成更便于数据采集卡处理、接受和显示的形式.本系统利用虚拟仪器LabVIEW自备的内置电路实现调理功能.

1.4 选用的数据采集卡

选择数据采集卡时,要同时考虑采集卡的性能参数、兼容性和稳定性情况.离心泵振动测试包括不同方向上多测点振动信号的采集,需同时采集多个信号,应使用多通道的数据采集模块.根据对系统实际要求的分析,本系统选用了Adlink公司的DAQ2214数据采集卡,它是基于PCI总线的、可直接插在任一PCI插槽的高性价比多功能DAQ卡,它拥有16路单端或8路差分输入和2通道12位带波形发生的多模拟输出,支持16位分辨率,最高采样率可达250 kHz/s,具有全自动校准、多卡同步等功能.

2 系统软件设计

系统软件设计采用LabVIEW软件模块化程序的设计思想和图形化的编程方式[9],将系统的整体功能划分为几个模块,通过各功能模块间的相互协作,完成系统的预设目标.离心泵振动测试系统是实时多任务的监测诊断系统,需同时完成数据采集、处理、存储和故障诊断等功能.系统主要由用户登陆、数据采集、数据处理、数据存储和诊断分析几个主要模块组成.采用模块化的设计思路,将庞杂的系统细分为具有不同功能的模块,降低了设计难度,便于系统的修改、调试和扩展.LabVIEW使用图形化编辑语言编写程序,产生框图程序缩短了开发周期,具有良好的人机界面,方便检测人员操作[10].

2.1 用户登录模块

用户登陆模块是离心泵振动测试系统的初始模块,该模块通过比对数据库中登陆用户的身份信息,授权登陆用户进入振动测试系统,通过内部程序调用,直接跳转到系统主界面.

2.2 数据采集模块

数据采集模块是虚拟仪器的基本组成部分.该部分提供了整个测试系统的数据来源,采集的反映离心泵实际运行状态信号的准确与否直接关系到对离心泵振动分析的可靠性[11].根据奈奎斯特采样定理确定振动测试的采样频率,同时根据LabVIEW对数据采集卡采集精度的要求确定采样点数.应用信号拆分功能将各通道信号分离,利用Waveform Graph函数显示的离心泵振动波形图如图4所示.

2.3 信号分析处理模块

在离心泵振动测试系统中,在对采集信号进行分析之前,需要对其进行一系列的预处理操作,因此借助LabVIEW中的高级信号处理工具包进行信号分析处理模块的设计.由于系统所处测试环境中的各种电子干扰及测试系统本身的影响,传感器采集到的振动信号中往往会叠加各种频率成分的噪声,为了抑制这些测量噪声,消除振动信号的高频部分,选择巴特沃斯低通滤波器来实现对振动信号的滤波,滤波效果如图5所示.LabVIEW可以实现实时的数据处理,使用FFT快速傅里叶变换频域分析函数对滤波后的时频信号进行实时的数据处理,得到离心泵振动信号的实时频谱,并利用波形函数来显示[12-13].

2.4 数据存储模块

数据库是信息系统的核心,离心泵现场运行的数据对于其状态评估及故障诊断等具有重要的参考价值,因此对采集数据进行存储是必要的.考虑到实际应用过程中对存储速度和存储量的需求,本系统嵌入了Microsoft Office Access数据库,通过利用数据库访问工具LabSQL实现了数据库的访问功能.LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包,它通过MicrosoftADO以及SQL语言来完成数据库的访问,并将复杂的底层ADO和SQL操作封装成一系列的LabSQL VIs模块,用户可以通过调用子VI的方式实现对数据库的访问[14].

2.5 故障诊断流程设计

离心泵振动信号中蕴含着丰富的状态信息,利用振动信号可以对离心泵常见故障进行准确的诊断[15].时域分析可直接利用振动信号对其在时间历程中的变化情况进行分析和评估并给出结果,是振动信号处理最简单、最直接的方法.不同的轴心轨迹对应不同的转子运动状态或故障信息,可以作为判断转子运行状态和故障征兆的重要参考,是时域分析的重要内容之一.常见故障的轴心轨迹图具有特定形态,比如轴轻微不对中时轴心轨迹线就会变成椭圆形；中等负载不对中时轨迹线就会变成“香蕉型”；严重不对中时轨迹线就会出现外“8”字[16].

借助傅里叶变换将时域信号变换到频域中,然后根据原始信号的频率分布情况进行故障诊断.转子系统常见故障都具有各自的幅频特性,如转子不平衡时1倍频处高幅值,时域波形呈正弦曲线；转子不对中时1倍频、2倍频占主导地位；基座松动时1倍频处高幅值,同时会有倍频及半频的出现.据此可以对设备的状态作出诊断[17].

采用上述的诊断方法进行离心泵故障诊断模块流程的设计,结果如图6所示.

3 离心泵振动测试系统性能验证

为了检验本系统的稳定性、可靠性,在离心泵实验台上进行了振动测试试验,初步设定离心泵的运行状况存在泵轴轻微不对中故障,额定转速定为1 500 r/min,选择其中某一通道的信号进行试验.采集到的振动信号峰值如图7所示.根据图5和图7的信号波形图可以看出离心泵轴振动信号的波形是畸变的正弦波,无较大的冲击现象；其轴心轨迹呈如图8所示的椭圆状.根据常见故障的轴心轨迹图，可以判断出离心泵存在轻微不对中.

图9为离心泵振动信号的频谱图,图中振动信号以1倍频和2倍频分量为主,参照离心泵的故障信号幅频特性也可以得出,离心泵轴存在轻微不对中故障,与试验中的实际情况相符.经过测试,系统能正常稳定的运行,实现了预期的功能,得到的结果和数据真实有效.

4 结论

基于LabVIEW模块化、图形化设计语言软件开发平台,结合传感器技术、计算机技术和离心泵振动测试闭式试验台,构建了一套离心泵振动测试系统,并通过离心泵实验台对该振动测试系统进行了测试试验,试验结果表明：

1) 该系统在数据采集、显示、处理、分析和存储等环节能正常稳定地运行,较好地实现了预设目标,得到了真实有效的结果和数据.

2) 离心泵振动信号的时域分析和频域分析可以显示振动信号的基本特征,通过轴心轨迹和频谱分析可以判断出离心泵存在的故障.

3) 该系统具有数据实时处理、开发周期短、扩展性强、硬件设备投入少及测试性能优良等优势,可以适应振动测试的多种不同方案.与传统的数据采集系统相比，它具有人机界面友好,操作简单,使用性强,数据处理简单、方便等优点.