基于LabVIEW的机电设备状态监测与故障诊断系统设计

蒋方平 庄竞

（济宁职业技术学院 山东省济宁市 272037）

基于设备运行稳定性考虑，设备状态监测和故障检修就显得很有必要，这是提前发现设备微小故障的前提，对于减少故障发生率，降低设备维修成本，提升设备运行效率很有必要。而传统监测仪器使用成本高，技术相对滞后，借助计算机技术的虚拟仪器，可以保持技术水平，降低设备维修费用，还能提升设备开放性和灵活性，以LabVIEW 软件来开发机电设备状态监测和故障诊断系统，可以发挥虚拟仪器的作用，提升测试的精准度和可靠性。

1 机电设备状态监测和故障诊断系统原理

机电设备状态监测和故障诊断是一种以检测技术、识别理论、信号处理、预报决策等技术为基础的综合性监测诊断技术，主要服务于工业生产，能够提升生产效率，这一技术融合了多种学科技术，属于前沿的高新技术之一。目前，设备状态监测和故障诊断技术已经实现了在相关设备监测和诊断中的有效应用，对于设备安全、事故分析、性能评估等工作具有很好的辅助作用，提升了设备的安全有效运行效益。就设备状态监测和故障诊断系统的应用原理来看，结合对于设备信号、状态等的测取，对设备故障进行诊断，就该系统功能来看，主要包含以下几方面：

状态监测：借助各类传感器，对于设备的温度、振动、流量、压力、开关时间等参数进行记录和信息传送，对于这些有代表性和故障诊断性的重要特征信号，为在这些信号中提取有征兆的信号提供依据。

故障诊断：故障诊断也被称为故障分析，主要作用是对监测到的状态信息以及相关辅助信息实施处理，以降低或者消除噪声干扰，提取出对于故障最敏感、最有影响的参数，以便分析故障源，找到问题的原因，再通过这些信息来对于系统性能指标受影响情况进行综合评估，诊断得出故障等级。

控制决策：结合特征参数，结合具体规范，来进行综合分析，针对设备状态开展趋势预测。此外，还能够在系统故障的情况下，结合故障等级的评价结果，来对系统进行控制和修改，或者是执行停机操作，开展进一步维修工作。

设备在运行中，必然会产生力、介质、能量、热、摩擦等物理和化学参数的变化和传递，也因此会在过程中产生多种多样的信息，相关信息变化对于设备系统运行的状态或多或少也会带来影响，一些信息甚至能够直接或者间接的反映系统的状态。简单来说，正常运行和异常运行中的系统信息参数变化和规律是不同的，因此，设备状态监测和诊断技术就是通过对设备运行中的相关状态信息进行分析，来判断系统是否出现异常。如图1 所示，为设备监测诊断过程。其中，信号采集以及处理部分将信息转换成电信号输出到传感器，并执行数据处理的信号处理程序；而状态识别、故障诊断以及决策中，对照标准图谱，并进行巡回监视和停机检修，达到状态监测和故障诊断的效果。

图1：设备监测诊断过程

2 软件平台选择

2.1 LabVIEW软件概述

此次课题研究中，应用的是NI 公司的LabVIEW 软件，属于虚拟仪器开发工具的一种，主要在仪器控制、数据采集、数据处理和分析等方面应用。借助LabVIEW 软件，可以产生32 位编译程序，所以应用这一软件来进行编程操作，能够有效提升数据采集、测试以及运行的效率。LabVIEW 软件编程和传统编程语言有一定的类型，但是传统编程语言局限于文本语言编程，而LabVIEW 软件可以实现图形语言的编程目标。在机电设备状态监测和故障诊断系统设计中使用LabVIEW 软件平台进行编程操作，能够更好的提升编程效率，还能够确保系统设计的可靠性。

2.2 硬件结构

机电设备状态监测和故障诊断系统的硬件结构以微机为主要核心，连接了可编程数据采集接口、状态监测以及数据分析系统，具体的硬件结构如图2 所示。

图2：硬件系统结构

在该机电设备状态监测和故障诊断系统设计中，采用的加速传感器型号为3200/3193，数据采集卡型号为6024 型多功能采集卡。

2.3 软件结构

基于LabVIEW 软件平台的机电设备状态监测和故障诊断系统的状态监测和分析功能实现，需要构建数据的高效采集和传输通道，确保数据能够动态显示，并对于相关数据进行自动化实施处理和分析。

以LabVIEW 软件平台为基础，设计机电设备状态监测和故障诊断系统，系统软件设计中，包含了数据采集节点、协调器节点以及主控制器设计，这些都是设备状态监测和故障诊断系统中的关键软件设计部分。在设备状态监测和故障诊断系统中，处理器的作用很关键，为了实现智能设备状态监测和故障诊断系统设计的自动化目标，选择使用低能耗、低成本和高性能的处理器进行处理，确保系统的网关作用能够有效发挥。通过串口接收无线网络的环境信息，做好解析和处理，再将相关信息保存后传输到GPRS 模块，借助串口接收相关控制命令或其他信息数据，做好分析处理后将其传输到网络中的协调器抢位置，完成软件的基础设计。

通过软硬件的设计，以LabVIEW 技术为基础，设计设备状态监测和故障诊断系统，运行该系统，可以有效控制并查询相关机电设备的运行状态和故障情况，可以随时随地动态监测相关机电设备是否存在故障隐患和问题，检修人员可以在紧急情况下，及时做好故障检查和维修的判断，这一系统甚至可以为机电设备管理系统提供正确的决策支持，制定故障检修计划和方案，确保最大效率的完成检修任务。将设计的设备状态监测和故障诊断系统进行运行，进行实际操作演练，该系统的应用精准性比较高，能够及时区分故障和非故障情况，整体的应用成效比较理想，证明该设备状态监测和故障诊断系统的有效性。

3 系统功能实现

依照上述对于机电设备状态监测和故障诊断系统结构以及故障的解析，论文根据LabVIEW 软件开发出一套在Windows 平台下运作的故障诊断系统软件。该故障诊断软件的主要作用是CAN-USB对于适配器进行转换，以得到机电设备CAN 总线的数据信息，再将得到的数据信息借助神经网络进行传输，对于是否存在故障问题进行准确判断。这一诊断模型主要是通过传感器的信号对于相关的故障信息进行判断的，系统对于CAN 总线数据进行解读，也是来自于各传感器信息数据。该故障诊断系统主要是6 个模块组成：数据采集模块、数据库、神经网络、人机界面、数据显示存储模块、系统帮助模块组成，相关模块也对应着相应的人机界面。

3.1 数据采集实现

LabVIEW 软件要实现的系统设计功能之一就是数据采集，借助LabVIEW 软件，数据采集更高效、更全面。而模拟信号数据采集指只是DAQ 模块的功能之一，能够为用户提供功能强大且便捷的信号采集和处理方案。系统借助模拟信号输入函数来实现对于硬件的有效控制，实现数据采集目标。数据采集模块功能实现，需要设计多样化的数据采集通道，对于数据文件的保存路径、采样频率、点数以及通道号等重要参数要做好提前的设置。在数据保存路径选择上，应该选择便于管理和调用的数据文件保存形式，将数据文件保存到固定位置，方便浏览查找。对于采集数据的存储，应该在各个通道设置列，便于文件存放。

3.2 数据分析的实现

通过数据采集，将数据动态显示在显示屏中，形成在线信号波形，系统会自动将采集到的数据以文件形式储存，使用数据读取模块来对于保存的文件进行读取，再进行均值预处理，对于相应时域和频域的波形数据进行展示，针对时域波形以时间轴为间隔，对频域波形以频率轴为间隔。

再进入到数据处理模块，主要对相应信号进行处理，主要处理流程包含带通滤波、包络检波以及低通滤波。对采集到的时域信号进行带通滤波处理后转到包络检波环节，对于信号进行调整和变换，最后进入低通滤波，完成数据的整体处理过程。

3.3 人机交互界面设计

基于LabVIEW 软件来实施机电设备状态监测和故障诊断系统设计，需要坚持模块化的设计理念，相应功能模块的有效实现，才能够确保整体系统设计的有效性，从数据采集、数据分析到数据处理，包含的数据采集模块、分析以及处理模块，各个模块功能实现都至关重要。而最终的数据处理结果呈现，需要有一个个性化、便利化的人机交互界面来实现，在人机交互界面设计上，要体现便利性和简洁性，让操作者一眼就能够看清楚界面中的可操作项目，能够精准按照指示来进行进一步的操作，及时准确的获取想要的信息，为机电设备状态监测和故障诊断提供有效的交互界面。

4 总结

采用LabVIEW 建立虚拟诊断设备，处理电控发动机故障诊断问题是目前发动机故障诊断中的比较先进的故障诊断方法，能够实现在虚拟诊断模型下，对于机电设备运行状态和故障进行准确判断和诊断。基于LabVIEW 软件来设计机电设备状态监测和故障诊断系统，需要提前构建系统的框架，设置相应的功能模块，对于各个模块的功能实现进行有效处理，建立相应模块之间的联系，并选择合理的软硬件结构设计方案，确保LabVIEW 建立虚拟诊断设备，构建有效的设备好状态监测和故障诊断系统，为机电设备的有序运行提供安全可靠的监测。