（电工理论与新技术专业论文）大离心泵状态监测及故障诊断仪的研究.pdf

t h er e s e a r c ho ft h el a r g ec e n t r i f u g a lp u m pc o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i sd e v i c e a b s 仃a c t i ns h i ps y s t e m ，w h e nt h er o t a t i n gm a c h i n e r y e q u i p m e n ts u c ha sl a r g ec e n t r i f u g a lp u m p s ， g e n e r a t i n gu n i t s ，s p e e dg e a rb o xa n db i gf a n sw o r k s ，v i b r a t i o n sm u s tb eg e n e r a t e d i f t h e v i b r a t i o n sa r et o ol a r g e ，t h ee q u i p m e n tm a yb ed e s t r o y e d ，t h i sm a y b eat h r e a t e nt ot h es h i p s s a i l i n g s o i no r d e rt om a k et h ee q u i p m e n t sw o r ke f f e c t i v e ，t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d a l a r m i n gd e v i c ei sn e c e s s a r y w h e nt h er o t a t i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n tw o r k s ，c o m p a r ew i t h o t h e rp a r a m e t e r s ，v i b r a t i o np a r a m e t e r sc a nb eam o r ed i r e c t ，r a p i da n da c c u r a t er e f l e c t i o no f t h eo p e r a t i o n a ls t a t u so fe q u i p m e n t s s o ，u s u a l l y ，w ec h o o s et h ev i b r a t i o np a r a m e t e r sa st h e b a s eo ft h er o t a t i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n t s c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dr u n n i n gt r e n df o r e c a s t 。 h o w e v e r ，i nn o r m a lu s ec o n d i t i o n s ，w i t ha g i n ge q u i p m e n t s ，t h e i rv i b r a t i o ni n t e n s i t yi so f t e n b e y o n dt h ed e f a u l ta l a r mv a l u ew h i c hm a k e st h ee q u i p m e n ta l a r mt o of r e q u e n t l y s p e c i a l l y ， n o wi nt h es h i ps y s t e m ，t h e r ea r eal o to fo l de v e ne x t e n d e da c t i v ed u t ye q u i p m e n t s c o m p a r e w h i tt h en e we q u i p m e n t , t h e r ei sag r e a t e rs e c u r i t yr i s kw h e nu s et h eo l de q u i p m e n t b u t ， c o n s i d e ro ft h ec o s t 。w ec a n te l i m i n a t et h e mb l i n d l y a i ma tt h i ss i t u a t i o n ，u s eo fm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sad e v i c e w h i c hc a nb eu s e di nl a r g ec e n t r i f u g a lp u m p so n l i n em o n i t o r i n g 1 1 1 ed e v i c eu s e se m b e d d e d c o m p u t e rs y s t e mw h i c hb a s i so nm c ug i v e sa no n l i n em o n i t o r i n gc o n t i n u o u s l ya n d s a v ed a t a o nt i m e ，t h ed a t aw i l lb ea n a l y z e db yac o m p u t e r i nh a r d w a r e ，t h ed e v i c eu s e st h em c u c 8 0 51f 3 4 0a st h ec o r ec o n t r o lc h i p ，g e t ss i g n a lt h r o u g hs e n s o r s ，s a v e sd a t ab yu s b d i s k s i n s o f t w a r e u s e scl a n g u a g et op r o g r a mt h em c u ，w h i l et h ec o m p u t e rw i l lb ep r o g r a m m e db y v c + + 6 0 ，u s i n gv c + + 6 0 sg o o di m a g ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，g i v e s t h es a v e dd a t aa v i s u a l i z a t i o nd e a l 。t h e nt h ef i n a l l yr e s u l t sw i l lb eg a v e t h ea r t i c l eu s e sas h i p sl a r g ec e n t r i f u g a lp u m pw h i c hi s i ne x t e n d e da c t i v ed u t ya s s p e c i f i cm o n i t o r i n go b j e c t ，e x p l a i n st h el a r g ec e n t r i f u g a lp u m pc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l t d i a g n o s i sd e v i c e sd e s i g np r i n c i p l e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r e si m p l e m e n ta n dt h el a r g e c e n t r i f u g a lp u m p sa l a r m i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fl a r g ea m o u n t so f d a t a ，w eg e t t h er e s u l to ft h el a r g ec e n t r i f u g a lp u m p sf a u l td i a g n o s i ss t a n d a r dw h i c hw a sr e c o g n i z e db y t h ee x p e r t si na na c c r e d i t a t i o nc o u n c i l k e y w o r d s ：s t a t em a i n t e n a n c e ；m c u ；l a r g ec e n t r i f u g a lp u m p i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 磕暨歪鉴歪幽堕唾篮鱼碰迹 作者签名： 鲴： 日期： 型年生月三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：盔赶歪筮莲堕趔壁受蕈堕堕毯卿 作者签名： 签翅日期：丝2 年月羔l 日 导师签名：型日茸牝 日期：j 塑乳年厶月翌日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的背景及意义 船舶系统中类似于大离心泵这样的旋转机械设备在运行时，受到电、热、机械、环 境等各种因素的作用，其性能逐渐劣化，导致其机体振动烈度增大，威胁着自身和其它 设备的正常使用 1 - 3 1 ，给船只的航行带来巨大的安全隐患，有些重要设备的故障对整个 船舶系统的危害甚至是毁灭性的。提高船用设备的可靠性，一种办法是提高设备的质量， 选用优质材料及先进工艺，优化设计，合理选择设计裕度，力求在工作寿命内不发生故 障。但这样会导致制造成本增加。此外，设备在运行中，总会逐渐老化，而很多船用设 备不可能像一次性工具那“用过即丢 。因此，必须对设备进行必要的检查和维修，这 构成了船只设备维护部门的重要工作内容。船用设备维护，主要有以下三种方式： ( 1 ) 事故维修。这种方式多用于设备早期维护工作，对设备使用直到发生故障，然 后维修。对于大型设备，如遇突发性事故，可能会造成巨大损失。 ( 2 ) 预防性维修，即定期实验和维修。目前，定期试验和维修已经在船舶维护过程 中发展成为一种制度，对减少和防止事故的发生起到了很好的作用。但这种维护方式是 以在设备不运转的静态情况下进行的，其依然存在不足之处。第一，不工作情况下的设 备状态( 如振动、温度) 和运行中差别很明显，影响判断精确度。第二，由于是定期检查， 而不是连续随时的监测，因此，设备依然有可能在检修间隔期内发生故障，即维修不足。 第三，由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划仍需进行试验和维修，造 成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成损坏，即造成所谓维修过度。 ( 3 ) 针对上述两种设备维护模式的不足，目前正在发展以状态监测( 通常是在线监测) 和故障诊断为基础的状态维修。 “监测”一词的含义是为了特殊的目的而进行的注视、观察与校核。设备的状态监 测是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，其目的 是为了判明设备是否处于正常状态。“诊断”一词原是一医学名词，指医生对收集到的 病人症状( 包括医生的感观所感觉到的、病人自身主观陈述以及各种化验检测所得到的 结果) 进行分析处理、寻求患者的病因、了解疾病的严重程度及制订治疗措施与方案的 过程。设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指这样的过程：专家根据状态监测 所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经 验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 理建议。简言之，“状态监测”是特征量的收集过程，而“故障诊断是特征量收集后 的分析判断过程。 状态维护基本原理可简述如下：设备的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的 速度也有快慢，但大多具有一定的发展期。在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其 电气、物理、化学等特性发生少量渐进的变化。随着电子技术、计算机技术、光电技术、 信号处理技术和各种传感技术的发展，可以对电气设备进行在线的状态监测，及时取得 各种即使是微弱的信息。对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化 趋势，可对设备的可靠性随时做出判断和对设备的剩余寿命做出预测，从而能早期发现 潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作。状态监测( 在线监测) 与故障诊断技术的 特点是可以对设备在运行状态下进行连续或随时的监测与判断，故可避免上述预防性试 验的缺点。在此基础，通过对长时期所记录数据的分析，可以得出对于不同使用条件下 设备的不同故障报警标准，便于设备的日常维。 本课题的目的是基于对船用大离心泵工作振动及温度参数的分析，完成对长期使用 状态下的大离心泵的故障诊断。为了对大离心泵的运行参数状况进行及时是掌握和对数 据进行有效的分析，本课题需要设计一款大离心泵在线监测记录仪，用来测量并保存大 离心泵的运行参数，其中包括了信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块、人机交 互模块以及报警模块【4 1 。此外，为了方便数据汇总分析，还需要设计一套上位机数据分 析软件。因此，本课题的主要任务就是设计一台大离心泵在线状态监测记录仪，用来测 量并保存大离心泵相关工作运行数据，并通过相应的数据汇总分析，得出大离心泵的故 障诊断报告，保证大离心泵的长期安全运行。同时，为实现大离心泵的状态维护提供相 应的数据支持 1 2 论文研究内容 对于大离心泵这样的旋转机械，其工作时必然会产生相应的振动，影响着自身和周 围设备的正常使用。因此大离心泵泵体振动烈度是其工作状态最直观的表征值。而随着 设备的运转，其表面温度也会随之增高，尽管不像振动信号那样直观，泵体温度也能在 一定程度上反映大离心泵的运行状态。因此本课题以大离心泵泵体振动及温度信号为监 测对象，设计了一款大离心泵状态监测仪，并利用上位机数据分析软件对数据进行分析。 论文主要包括以下内容： ( 1 ) 大离心泵在线监测仪信号的采集 信号的采集部分主要包括了选择合适的传感器来测量大离心泵泵体振动及温度参 数，传感器的输出信号的预处理。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在线监测记录仪的研制 该部分工作主要是利用以单片机为基础的现代计算机技术，设计一款对所采集信号 进行处理的装置，包括线号的a d 转换、数据结果的显示与保存、按键显示功能的实现、 现场报警的处理。从这个角度考虑，该设备可以被看作是一台无纸记录仪。 ( 3 ) 数据的分析及故障诊断报告的给出 这部分工作内容就是对数据的分析总结。通过上位机软件对记录数据进行汇总分 析，结合相关工作人员对大离心泵现场工作状况的信息反馈，给出大离心泵的故障诊断 报告，为大离心泵的日常维护工作提供参考意见。这部分内容是由上位机也就是电脑完 成的，似乎并不属于大离心泵状态监测及故障诊断仪中的一部分。但如果没有数据的分 析就不可能有故障诊断报告的给出，那么本课题所设计的设备充其量只能称作为大离心 泵状态监测仪。因此，广义上讲，即使这部分工作由电脑来完成，其依然属于大离心泵 状态监测及故障诊断仪的一部分。 其中前两部分内容是数据的获取，对应的是由下位机系统来完成，这两部分内容是 本课题的主要任务，占据了本论文的主要篇幅。第三部分是数据的分析工作，对应的由 上位机来完成。 1 3 相关研究领域的国内外发展概况 1 3 1 设备状态监测与故障诊断技术的发展概况 对设备状态监测与故障诊断的研究最早是从电气设备开始的【1 】。国外对状态监测与 故障诊断技术的研究，始于6 0 年代。各发达国家都很重视。但直到7 0 8 0 年代，随着 传感、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。 加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘封闭 组合电器( g i s ) 等的局部放电，电容型设备的介质损耗因数( t g s ) 等特性，交链聚乙 烯电缆的泄漏电流等等的在线监测系统。其中少数已发展成为正式产品。国际大电网会 议于1 9 9 0 年发表了关于电气绝缘诊断技术的综述性报告，对这一领域截止8 0 年代未的 研究成果作了系统的总结。 我国对状态监测与故障诊断技术的重要性也早已认识。6 0 年代就提出过不少带电试 验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。8 0 年代以来，随着高 新技术的发展与应用，我国的电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展。由于我国工业 发展迅速，用电一直紧张，加之部分设备故障率较高，因此，对于推行在线诊断技术以 提高电力系统的运行可靠性更为迫切。我国高等院校和电力部门科研院所的不少有关专 业都相继开展了这方面的研究。自1 9 8 5 年以来，由电力部主持，先后三次( 分别在安 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 徽、湖北、广东三省) 召开了全国电力设备绝缘带电测试、诊断技术交流会，不仅进行 了学术交流，而且就如何发展和推广在线诊断技术开展了讨论。可以认为，我国电气设 备状态监测与故障诊断技术的研究和国际上是同步发展的，处于几乎相同的水平。 近年来，随着状态监测与故障诊断技术的广泛应用，其优点也越来越多的为人们所 认可，对其应用也逐渐扩展到工业生产的各个领域。 1 3 2 振动测量技术的发展概况 振动测量技术形成与2 0 世纪初，经过几代科学工作者的探索，正逐步走向完善， 而传感测量方法也在不断发展和成熟【5 1 。振动测量通常包括振动的位移、速度、加速度； 噪声的声压、声强和激振力的测量，这些参数通常称为动态参数，因此振动测量属于动 态测量范围，加速度反映了物体振动的本质特征【6 】，从加速度信号中可以提取相关的信 号诸如速度、位移等来提供振动物体的状态特性参数，振动测量技术是解决工程振动问 题的重要手段。 目前，振动测量的方法主要有机械式测量、电气式测量、光学式测量三类【7 1 。其中， 电气式测量传感器是将振动参数转换成电信号，然后用电量测试仪表进行测量。这是目 前应用较为广泛的测量方法，技术比较成熟，灵敏度较高。 1 3 3 温度测量技术的发展概况 温度测量技术发展较早，目前已经应用于过敏经济发展的各个领域。温度测量技术 主要依赖与各种传感器，将温度信号转换为对应的电信号，目前，主要有以下三钟传感 器： ( 1 ) 利用热电效应制成的传感器 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今 仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、 热惯性小等特点。 常用的热电偶有以下几种： 镍铬镍硅，型号为w r n ，分度号为k ，测温范围0 9 0 0 ，短期可测1 2 0 0 。 镍铬康铜，型号为w r k ，分度号为f ，测温范围0 - 6 0 0 0 ，短期可测8 0 0 。 铂锗铂，型号为w r p ，分度号为s ，在1 3 0 0 ( 3 以下的温度可长期使用，短期可 测1 6 0 0 0 c 。 铂锗铂铐，型号为w r r ，分度号为b ，测温范围3 0 0 1 6 0 0 ，短期可测1 8 0 0 。 ( 2 ) 利用热阻效应技术制成的温度计 大连理工大学硕士学位论文 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种： 电阻测温元件，它是利用感温元件( 导体) 的电阻随温度变化的性质，将电阻的变 化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻f 分度号为 p t l 0 0 、p t l o 两种) 和铜热电阻( 分度号有c u 5 0 、c u l 0 0 两种) 。 导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是 说温度升高时，其阻值降低。 陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作 而成的热敏元件，常称为p c t 或n c t 热敏元件。p c t 热敏元件分为突变型及缓变型二 类。突变型p c t 元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功 能，多数用于保护电器。缓变型p c t 元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大， 起温度补偿作用。n c t 元件特性与p c t 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它 的阻值减小【8 1 。 ( 3 ) 数字式温度传感器 近年来，随着嵌入式技术的应用，市面上出现了越来越多的数字式温度传感，这些 传感器内部集成a d 转换功能，将温度信号转换为对应的数字信号，使用时，各种嵌入 式处理器按照规定号的通信协议获取保存在传感器中的温度数据。由于采用了数字式的 数据模式，这种传感器在应用时具有更好的抗干扰能力。但数字式温度传感器的成本一 般高出模拟式温度传感其很多。 1 3 4 无纸记录仪的发展概况 目前监测记录装置广泛应用于石化、冶金、电站、机械、医药、轻工等行业，用来 指示记录温度、压力、流量、振动等参数，出于成本上的考虑，般的监测记录装置都 是针对多种不同信号进行处理的，使用时只需配备不同传感器，将各监测对象转换为通 用的标准信号即可。而随这存储技术的发展，越来越多的记录仪采用无纸记录方式，因 此这类监测记录装置又被成为“无纸记录仪”。 ( 1 ) 无纸记录仪的由来 记录仪在工业自动化控制系统中起着十分重要的作用【9 】，记录仪的技术发展也经历 了从模拟技术到数模混合技术到数字技术一个不断进步的过程。在7 0 年代开始生产的 x w b 、x w c 、x w d 等自动平衡记录仪，即采用随动跟踪检测原理，将输入信号与标准 信号进行比较，如不相等，则放大器输出一个值驱动可逆电机转动，直到相等为止。电机 停转，指针指示到输入值，并同时记录。在8 0 年代中期，四川仪表四厂在国内占有很大 份额的e r 系列记录仪也是采用此原理。到9 0 年代，由于各种技术的发展，出现了数模 混合记录仪，其代表产品是四川仪表四厂生产的ur 系列及h r 系列产品，该产品采用 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 了许多新技术，也大量采用专业集成电路a s i c 。例如：将可编程放大器、a d 转换器 等单片化的a d l s i ，将伺服控制电路单片化的伺服l s i 等等。采用非接触或超声波位 置传感器作用位置反馈器中，大大提高了仪表的检测精度及可靠性。采用d c 无刷伺服 电机实现了长期可靠的记录等等。但有纸记录仪始终存在日常使用中所需大量的纸、笔、 墨等消耗材料，并且现场维护量较大。为解决这一矛盾，在9 0 年代中期，无纸记录仪 应运而生。作为大量采用数字技术的无纸记录仪，深受用户的欢迎，目前正处于发展阶 段。 ( 2 ) 国内无纸记录仪的发展概况 无纸记录仪采用液晶显示器作为显示器件，使显示值及曲线醒目、直观，采用3 5 英寸磁盘或s r a m 作为数据存储载体，仪表内无机械传动部分，可靠性高，在现场使用中， 不需要纸、笔、墨等消耗材料，减少了日常维护工作。目前，国内生产无纸记录仪的厂家 主要有浙大中控、重庆川仪四厂、北京西姆森公司等厂家，其技术水平差异不大。 ( 3 ) 国外无纸记录仪的发展概况 国外无纸记录仪的最早生产厂家是英国的p e n n g + g i l e s 公司。目前技术水平最高及 产量较大的是日本横河公司、美国的h o n n e y w e l l 公司。其中，以日本横河公司1 9 9 9 年 推出的d a q s t a t i o n 系列的d x l 0 0 d x 2 0 0 产品技术水平最为先进。d x 系列产品采 用高分辨率的t f t 彩色液晶显示器实时显示测量数据，数据能存储到3 5 英寸软磁盘， a t a 快闪存储卡和z i p 磁盘等可转移媒体，d a q s t a l o n 包括一个标准的以太网适配 器，允许直接连接到1 0 b a s e t 网络，附加串行接口包括支持m o d b u s 协议的r s 2 3 2 或r s 4 2 2 a 4 8 5 ，任一接口允许p c 进行数据文件传送或实时数据采集，d x 系列还提供 丰富多彩的显示功能，能完成各种监控应用。 ( 4 ) 无纸记录仪发展趋势【l o l 记录仪的发展己有几十年的历史。近年来随着微电子技术、计算机技术、软件技术 和网络技术的高度发展及其在电子测量领域中的应用，记录仪表的结构不断发生变革， 功能不断得到完善和加强。随着微处理器的处理能力的加强，存储容量数量级上的增加， 记录仪的有些特点更突出，主要表现在：输入信号类型增多；量程范围可以设定；测量 显示和记录精确度提高；显示记录功能增加；具有计算调节功能；报警和附加功能；可 靠性提高。 本课题所设计的监测记录装置紧跟现在无纸记录仪的发展趋势，在信号输入类型、 最大测量通道数、信号可调节功能、存储容量方面在同类产品中都处于领先水平。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 4 论文结构安排 论文第一章为绪论，对论文的研究背景和意义、主要研究内容、该研究领域当前发 展概况以及论文结构安排进行了说明。 第二章为总体设计方案，从整体上概述了大离心泵状态监测及故障诊断仪的功能与 各部分组成，对其个组成模块做了初步简要的说明。 第三章为系统硬件设计方案，介绍大离心泵状态监测及故障分析仪的硬件组成以及 各部分电路的连接，包括单片机控制模块，电源模块，时钟系统模块、按键显示模块， 存储模块以及报警模块的具体详细的介绍。 第四章为系统软件设计方案，主要介绍了系统软件的编写过程及各程序模块作用， 主要包括时钟模块、按键模块和l c d 模块3 个部分。 第五章为数据的分析总结，特别的，针对很多国家标准对老旧设备的使用状况已无 法进行评价这一事实，通过对记录仪对某船一超期服役的大离心泵监测数据的汇总分 析，在给出该大离心泵故障诊断报告的同时，对老旧设备故障评价标准做了新的探讨。 第六章为结论，对全文的成果做出了总结，并指出本设计方案的优点与不足之处。 一7 一 人离t l , 泵状奋监测与故障诊断仪的研究 2 总体设计方案 2 1 系统综述 图21 为系统框图，系统总体上分为上位机和下位机两部分，两者之间的联系为存 储数据所用的u 盘。下位机系统完成大离心泵泵体振动烈度、温度等相关数据的采集、 处理工作，并将结果保存在u 盘中。上位机读取u 盘中的数据，并利用编写的数据分 析软件对数据进行分析，得出相应故障诊断结果。在本设计中，上位机就是一台安装了 专门编写的数据处理软件普通的家用电脑。下位机部分足整个系统的核心，只有下位机 系统的合理设计才能保证_ ；6 乏时准确的获取有效数据，后续的数据分析工作才能顺利展 开。 h2 1 系统总体框削 f i g2 l s y s t e mb l o c kd i a g r a m 在下位机系统中，由传感器将振动烈度及温度等非电信号转换为电信号模拟量，再 山单片机i 控制模拟开关量依次选通采样通道，将要采集的信号依次引入单片机，由单 片机内部a d 转换器将模拟信号转换为单片机可处理的数字量，单片机i 在完成相应的 数据处理后，将需保存的数据传给单片机i i ，由单片机i i 通过存储芯片c h 3 7 5 将数据 保存入u 盘中，这里之所以要引入单片机i i ，是因为向u 盘中写数据所需时间较长， 而且写入时间还具有不确定性，若由一块单片机完成所有工作，无法保证数据存储的完 整性。除此之外，由键盘与液晶显示屏组成的人机交互系统完成埘系统的设置以及现场 数据的显示工作。时钟芯片为系统提供准确的时间系统。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 现场信号采集方案 本设计的最终目的要完成对船舶大离心泵状态监测及故障诊断，实现这个目标的第 一步就是准确获得要采集信号。针对大离心泵的特点，本课题选取大离心泵泵体振动烈 度及温度信号作为监测对象。 对于振动烈度信号，图2 2 为我们描述了经由传感器处理后的振动烈度信号的特点， 从图中我们可以看出传感器将振动信号转换成随振动频率和振幅大小输出相对应的振 幅和频率波形的交变电压信号( 类似于正弦波信号) ，其波形变化较快，很难利用单片机 自带的a d 转换装置获取准确的振动数据。因此，我们要对此信号加以处理，使其由一 个类似于正弦波的信号转换为稳定一个电平信号，以便于后续的采样处理工作。设计过 程中，在振动传感器后添加一个专用信号变送器，将传感器类似与正弦波的信号转换为 4 一- 2 0 m a 标准信号，再将电流信号转换为电压信号。 1 2 v 4 v o a f a aaa 刀7 v v vvvv vvv 7 b 图2 2 振动传感器输出信号波形 f i g 。2 2v i b r a t i o ns e n s o ro u t p u ts i g n a lw a v e f o r m s 对于温度信号，可选用的传感器种类就比较多了，并且相关技术也比较成熟。笔者 就曾经使用过数字式的温度传感器d s l 8 8 2 0 、瑞士盛恩的s h e e t l 5 以及模拟式的温度传 感器p t l 0 0 ，h n 2 3 等。一般而言，数字式温度传感器在精度以及防干扰方面要强于模 拟式的温度传感器。但数字是温度传感器一般需要使用软件驱动才能获取结果，这就大 大降低了其通用性。本着增强产品的通用性，便于日后维护的思想，笔者最终选用模拟 式传感器p t l 0 0 作为设备的温度传感器。 2 3 信号处理方案 获取信号是实现系统功能的第一步，那么系统接下来的任务就是如何处理这些信 号。本设计方案使用c 8 0 51 f 3 4 0 单片机对信号进行相关处理。我们知道不管是简单的单 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 片机还是大型复杂的计算机都只能处理数字信号，c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机自带1 0 位a d 转 换器，可较为精确的将传感器获取的模拟信号转换为数字信号。在获取相关的数字信号 后，利用单片机对其进行简单计算与分析，现场可利用l c d 显示出大离心泵当前工作 状态下的振动烈度及温度数据，有利于操作人员做出合理的现场判断。前面已经说过， 本设计的最终目的是实现对大离心泵的状态监测及故障诊断，需要有大量的数据记录， 本设计通过双机系统联合工作，以u 盘为存储介质，实现了数据即时采集与海量存储功 能。最大限度的解决了较高的采样频率与较慢的数据存储之间的矛盾。同时，系统辅以 按键显示为主的人机交互相系统，大大提高了系统的现场可操作性。这部分工作将有在 线监测记录仪来完成。 2 4 数据分析方案 数据分析就是对监测仪记录的数据进行分析，得出大离心泵故障诊断报告的过程。 这一过程是建立在对大量数据的分析汇总上的，对于大量数据的汇总分析工作，仅仅使 用8 位的5 l 单片机显然是无法完成的，因此数据的分析就要借助与电脑的强大的数据 处理功能。通过编写相应的数据分析软件，帮助我们对数据进行合理的汇总分析，从而 得出最终的大离心泵故障诊断报告。 2 5 系统软件简介 硬件系统是一个设计的骨架，而软件系统则是一个设计的灵魂。软件代码编写质量 的好坏，直接影响到设计既定能的能否顺利实现。本设计中软件系统分为下位机和上位 机两部分。 2 5 1 下位机代码简介 下位机软件代码就是指单片机的片内代码，现在对于单片机而言，有c 语言和汇编 语言两大编程语言。其中c 语言凭借其可读性好、浮点运算能力强以及可移植性好等特 点，已成为当前最流行的单片机编程语言【1 2 , 1 3 。本设计的下位机系统就是使用c 语言作 为编程语言的。在程序的编写过程中，尽量做到程序的模块化设计，便于日后程序的维 护及升级换代。 2 5 2 上位机代码简介 上位机软件主要是借助于p c 机进行数据的分析处理。p c 机的编程软件较多，在 w i n d o w s 环境下常用的有v b 、v c 、d e l p h i 、b r o l a n dc + + 等。v c 是微软推出的在 w i n d o w s 操作系统上建立应用程序的编程软件。v c + + 使用方便，借助于其生成代码的 向导，就能在数秒内生成可运行的w i n d o w s 应用程序的基本外壳【1 4 1 。v c + + 自带的类库， 大连理工大学硕士学位论文 即m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ( m f c ) 经成为许多c + + 编译器进行w i n d o w s 软件开 发的工业标准。选用v c + + 能够很好的利用w i n d o w sa p i 对底层硬件操作，大大减轻编 程者的工作量【1 5 】。因此，本设计方案最终选用v c + + 6 0 作为上位机编程软件。 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 3 系统硬件设计方案 硬件部分是整个系统的骨架，是软件的载体，是获取和存储数据的实体，在系统中 起着最为基础的作用，整个系统硬件框图如图3 1 所示。本章将按照图3 1 中所示各部 分对硬件系统进行详细介绍。 广一一一 i i 电 源 传 感 器 键盘 显示屏 8 it 路 模 拟 主控存 量 单片机 赭 开 系统 芯 片 关 工 时钟芯片 l j 图3 。1 系统硬件框图 f i g 3 1s y s t e mh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 3 1 电源系统设计 电源是向电子设备提供功率的装置，没有电源，整个系统自然也就无法工作，电子 设备的故障有6 0 来自电源，电源越来越受到人们的重视，因此可以说电源是电子设备 的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性1 6 , 1 7 1 。系统要正常工作，首先 要有一个高品质的供电电源。明显的，本设计中使用的传感器、单片机、u 盘等设备都 属于弱电系统，而船舶中往往只能提供2 2 0 v 的交流或直流电，因此本设计中的电源的 作用就是将船用系统中的2 2 0 v 交流或直流电转换为系统所需的电源。 3 1 1 主电源 如前文所述，本设计电源的作用是将2 2 0 v 交直流电转换为符合后续电路要求的直 流稳压电源。这里就出现一个问题，船舶中存在交流与直流两种电源系统，而且很多大 型用电设备的启动与关闭等操作都会给船舶电源系统带来很大干扰，这就要求了我们所 大连理工大学硕士学位论文 选用的电源还必须能够兼容交直流输入，并且具有较强的抗干扰性。根据以上的分析， 我们选用开关电源作为系统的主电源。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持 稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和 m o s f e t 构成。高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源 进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小 型化、轻便化【1 8 】。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方 面都具有重要的意义【1 6 】。在输入抗干扰性能方面上，由于开关电源自身电路结构的 特点( 多级串联) ，一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技 术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达( 0 5 1 ) 。本 设计所选用的开关电源在输入9 0 - - 一2 6 4 v 交直流电情况下都能正常工作，完全克服 了供电电源波动较大这一不利因素。 本设计中各用电设备工作电压不同，分别为：传感器及其变送器要求为1 2 v 直 流电源供电，u 盘及存储芯片要求为5 v 直流电源供电，单片机及显示屏要求为3 3 v 直流电源供电。整个系统出现了三种不同电压等级的用电要求，如果针对这三个不 同的输出电压要求而选用三个不同的开关电源，将会增加系统的成本，同时，过多 的开关电源也会占用较大的安装空间，不利于设备的后续组装工作。本设计采用的 设计方案是选用一个输出1 2 v 的开关电源，其余两个等级的电压由1 2 v 电源利用 集成三端稳压器变换获得。 集成三端稳压器顾名思义就是这种集成i c 只有三个引脚，分别是输入端、接 地端和输出端【1 9 】。电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出7 8 系 列和负电压输出7 9 x x 系列，用7 8 7 9 系列三端稳压i c 来组成稳压电源所需的外围 元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便， 而且价格便宜。该系列集成稳压l c 型号中的7 8 或7 9 后面的数字代表该三端集成 稳压电路的输出电压，如7 8 0 6 表示输出电压为正6 v ，7 9 0 9 表示输出电压为负9 v 。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。本设计中，5 v 电 源选用7 8 0 5 芯片，3 3 v 电源选用专用的3 3 v 集成芯片1 11 7 。 3 1 2 备用电源 ， 备用电源与日常生活中的普通电脑中备用电源类似，我本平时使用的电脑即使在一 次关机后切除主电源后，其时间系统依然能正常工作，待下次开机时，系统依然能显示 正确的时间信息。普通电脑之所以能够实现这种功能，就是因为在其主板上安装有一个 纽扣电池作为备用电源，在电脑主电源掉失后，改由此电池为时钟芯片等一些必须继续 大离心泵状态监测与故障诊断仪的研究 工作的设备供电，这些设备的耗电量又非常低，并且正常情况下是由主电源为其供电， 这就保证了即使是一块纽扣电池供电，也能保证电脑的长时间正常使用。与此相反，我 们平时使用的大多数手机，在拆下电池后再恢复后，我们还会发现其系统时间信息往往 会回到初始值，这就是因其没有为备用电源的缘故【2 0 】。 本设计的一个重要任务就是实现对数据的长期监测与记录，这就要求在检测记录过 程中必须有一个时间系统与检测记录的数据一一对应，因此，在设计过程中，我们也为 时钟芯片提供了一个备用纽扣电池作为备用电源，相关电路将会在介绍时钟系统时做详 细介绍。 3 2 主控单片机 主控单片机是整个系统的核心，它控制着系统的工作状况，可以是整个系统的“大 脑”。单片机作为嵌入式系统中的一员，目前被广大电子设计工程师广泛使用。 3 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统一般指非p c 系统，它是与常见的微型机系统和专用的大型、小型 机系统相对而言的。嵌入式系统一般不以独立的设备或装置的形式出现，而是将 自己隐藏( 嵌入) 在各种设备和装置的内部，根据主体设备和装置的需要，发挥其运 算、处理、存储和控制的作用【2 1 1 。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系统【2 引。 嵌入式系统按形态可分为设各级( 工控机) 、板级( 单板、模块) 、芯片级( m c u 、 s o c ) 。单片机是典型的嵌入式系统【2 3 1 。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点f 2 4 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的设计和开发必须要考虑 特定环境和系统的要求，而它也只需要满足一个特定环境和系统的要求。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。嵌入式系统将操作系统和 应用软件集成于硬件系统之中，简单得说，就是系统的应用软件与系统的硬件一 体化，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 嵌入式系统资源有限，本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常 也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该开发环境提供专 门的开发工具，以完成包括设计、编译、调试、测试等工作，采用交叉的开发方 式进行。 嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在工业控制领 域得到了广泛的应用，如工业过程控制、远程监控、智能仪器仪表、机器人控制、 数控系统等。 3 2 2 选择单片机的原因 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式徼处理器一般就具备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至i x w 级。 根据现状，嵌入式处理器又分为以下4 种【2 3 ，2 4 】： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ( 2 ) 嵌入式为控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o