一種階梯軸零件的數(shù)控加工

一種階梯軸零件的數(shù)控加工,一種,階梯,零件,數(shù)控,加工 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 學 文 題 目：基于 LabVIEW 的輸油泵狀態(tài) 監(jiān)測系統(tǒng)研究 院： 機械工程學院 年 1 月 6 日填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù) 1. 論文（設計）題目及研究領(lǐng)域； 2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內(nèi)容1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設計參數(shù)）； 2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A(chǔ)上遞交相關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1. 論文（設計）題目 基于 LabVIEW 的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)研究 2. 研究領(lǐng)域 主要研究的領(lǐng)域是測控系統(tǒng)，工業(yè)檢測，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，儀器儀表等各個領(lǐng)域。 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 隨著制造工藝水平的提高 ，科學技術(shù)的發(fā)展 ，以及我國大型基礎(chǔ)建設項目的日益增多,大型機泵的應用已經(jīng)越來越廣泛．特別是石油工業(yè),隨著長距離輸油管道建設項目的增多，無論是原油管道還是成品油管道項目中，無一例外 的都要用到大型的電動機和輸油泵,而僅僅依賴于傳統(tǒng)的定期維修保養(yǎng)很 難發(fā)現(xiàn)設備的潛在故障[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式存在以下問題：首先泵房和電機房噪聲較大，溫度高，人工巡檢時工作環(huán)境非常惡劣。其次巡檢的工作方式不能及時準確的發(fā)現(xiàn)設備的故障，另一方面則對無故障機組停機檢修，造成維護成本上升[2]。如果無法達到預防為主的目的，潛在的故障如果沒有做好及時有效的處理 ，很容易導致設備故障的發(fā)生，嚴重影響正常生產(chǎn)．要真正做到預防為主， 對關(guān)鍵設備進行監(jiān)測和故障分析是非常有必要的[3]。 輸油泵機組是原油傳輸過程中非常重要的設備，由于泵機組均為高壓（AC6000V）， 高轉(zhuǎn)速（2000~3000r/min）的機械設備，且原油管道輸送具有的不可間斷性，如何及時，有效，準確地對輸油泵機組進行運行狀態(tài)監(jiān)測，實時反應設備運行狀態(tài)，并且對有故障或者潛在故障地設備進行科學分析，實施預防措施已成為企業(yè)生產(chǎn)的必然要求 [4]。而且輸油泵機組能否安全穩(wěn)定的運行直接關(guān)系著整個石油生產(chǎn)加工行業(yè)，能否安 全穩(wěn)定的運行，還直接影響著石油企業(yè)的經(jīng)濟效益。輸油累機組在在長期運行的工程中難免會出現(xiàn)故障，一些比較常見的故障，比如輸油系機組的軸承故障和轉(zhuǎn)軸故障， 以及轉(zhuǎn)子的不平衡不對中所引起的故障。隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的自動化程度越來越高以及各個產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)系越來越緊密，一旦在輸油過程中發(fā)生設備故障，就會嚴重威脅到石油加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的正常運轉(zhuǎn)，因此會造成難以預料的損失。長期以來石油運輸企業(yè)一直以定期檢修的方式來對輸油累機組進行維護和保養(yǎng)[5]。但是采用這種定期檢修的方法弊端很多，在定期檢修的過程中對輸油累的停輸是不可避免的，而停輸輸油累會造成重大的經(jīng)濟損失。因此在輸油泉日常運行的過程中，采用現(xiàn)代化的監(jiān)測和檢測技術(shù)對輸油親機組進行故障診斷，從而及時有效的發(fā)現(xiàn)輸油累機組運行的潛在故障特 征，避免輸油聚機組突發(fā)事故造成重大損失，這項工作對于石油儲運行業(yè)就具有了非常重要的意義[6]。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國內(nèi)對泵的工況監(jiān)測與故障診斷的研究起步較晚，是從上世紀 80 年代開始的。 但從 1985 年以后，由于中國設備管理協(xié)會設備診斷委員會，中國振動工程學會機械故障診斷分會和中國機械工程學會設備維修分會等機構(gòu)的大力推動，全國多次召開了全國性的故障診斷學術(shù)會議，極大的推動了我國故障診斷技術(shù)的發(fā)展，使得國內(nèi)先后產(chǎn)生了許多十分有價值的研究成果[7]。其中較為突出的是航天航空部于 1984 年開發(fā)成功的基于共振解調(diào)原理的 JK8241 輸油泵分析儀，此診斷系統(tǒng)成功地做到了對輸油泵不解體故障診斷[8]。 泵診斷技術(shù)在國內(nèi)研究方向也主要體現(xiàn)在兩個方面：一、對設備狀態(tài)特征信號的檢測，二、對檢測到的特征信號進行提取，獲取特征值[9]。 國外在泵故障診斷技術(shù)中發(fā)展的比較早，始于上個世紀 60 年代，距今已有 50 多年的歷史。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，泵的故障診斷技術(shù)也在日新月異。在歐美日等發(fā)達工業(yè)國家，泵的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已經(jīng)形成一種流行，并漸漸商品化和實用化。下面介紹國外對泵故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展研究的概況。 第一階段：利用頻譜分析儀來診斷泵故障[10]。在這個階段，對于泵故障診斷多采用快速傅里葉變換的方法，通過對振動信號進行頻譜分析，得出的結(jié)果與實際相比較來對故障進行判斷，因此，各種常用的頻譜儀的發(fā)明紛紛問世，一時間通過頻譜儀檢測油泵振動信號成為了這一階段的主要研究手段[11]。但這種方法存在著許多的弊端。比如說，當傳感器采集到振動信號經(jīng)過放大傳送給頻譜儀進行分析時，由于實際信號中常?；煊性胍?，因此信號特征表現(xiàn)并不明顯，或者在分析中找不到故障信號，這在對微小故障引起的振動信號很難預測。 第二階段：利用沖擊脈沖技術(shù)診斷泵故障。這個階段對于泵故障診斷技術(shù)有了較大的提高和進步，主要方法為通過使用沖擊脈沖計對泵軸承表面進行沖擊脈沖幅值測量[12]。經(jīng)瑞典儀器公司多年在泵故障診斷領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，這種測量方法在對軸承測得到的特征值可以很好地評價泵軸承損傷程度。相比較使用頻譜分析儀的方法，這種方法不需要進行頻譜分析，并且可以有效地檢測出泵軸承出現(xiàn)的損傷故障，因此，這種技術(shù)一經(jīng)發(fā)明便被歐美日等工業(yè)發(fā)達國家所采用。隨著這一項技術(shù)的不斷進步和研發(fā)，產(chǎn)品也在不斷更新，如今 SPM 不僅可以監(jiān)測軸承損傷故障，也應用到對油膜潤 滑及厚度的測量使用中[13] 。 SPM 技術(shù)至今已有 50 多年的歷史，但不少企業(yè)工廠對軸承的檢測仍然采用這種技術(shù)。 第三階段：利用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承故障。共振解調(diào)技術(shù)出現(xiàn)于 1974 年，由美國波音公司的 D.R.Harting 所發(fā)明。由于共振解調(diào)技術(shù)在對信號的分離和提取上的特殊作用，因此，對于故障信號的檢測具有很好的效果。通過包絡頻譜分析出的結(jié)果， 判斷故障發(fā)生的具體部位，這對泵軸承損傷類故障診斷具有很好的效果，在故障診斷技術(shù)中得到了很好的應用。共振解調(diào)技術(shù)與 SPM 相比，相當于在 SPM 的基礎(chǔ)上更進一步，不僅可以檢測出故障信息，更能具體定位出故障源，對于泵軸承損傷檢測屬于精密診斷方法[14]。 第四階段：利用計算機開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測于故障診斷系統(tǒng)[15]。隨著科技的發(fā)展，尤其是計算機領(lǐng)域的日新月異，20 世紀 80 年代以后，利用計算機開發(fā)出泵監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為當時的主流方向。比較著名的有德國 Mannheim 電子廠于 1885 年使用的瑞士 SULZER 泵公司開發(fā)的 SUDIS 系統(tǒng)，應用在鍋爐給水泵組的運行狀況監(jiān)測和故障診斷上。其系統(tǒng)包含參數(shù)監(jiān)測，長期數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通訊，故障診斷和維修計劃等模塊。1992 年，自動式振動咨詢系統(tǒng) EOPLORE-EX 誕生，該系統(tǒng)由美國電力研究所與恩泰克科學公司，以及美國以專門從事振動咨詢的斯韋公司聯(lián)合推出。該系統(tǒng)采用三級推理，可診斷泵的內(nèi)部摩擦，不對中，，不平衡和共振等故障。如美國的本特利·內(nèi)達華公司開發(fā)的工程師幫助軟件，鍋爐泵診斷系統(tǒng)，可以檢測出給水泵和往復式泵是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件松動，轉(zhuǎn)子彎曲等現(xiàn)象及泵的摩擦程度，軸裂紋和由油膜導致的泵的故障。 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 1 輸油泵的結(jié)構(gòu)，工作原理及性能參數(shù)。2、LabVIEW 軟件編程技術(shù) 3、輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的構(gòu)成。 4、輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā)。 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） (1) 輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究： 輸油泵的結(jié)構(gòu) 輸油泵的工作原理輸油泵的性能參數(shù) (2) 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計 輸油泵硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)的選型 (3) 輸油泵信號分析技術(shù)時域分析技術(shù) 頻域分析技術(shù)小波分析技術(shù) (4) 運用 LabVIEW 實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā)軟件設計的原則與依據(jù) 系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計 軟件程序?qū)崿F(xiàn) 3. 本論文（設計）預期取得的成果 了解輸油泵的結(jié)構(gòu)，工作原理及性能參數(shù)，掌握 LabVIEW 軟件編程技術(shù)，完成輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建，完成運用 LabVIEW 實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā)。 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設計參數(shù)）； 利用傳感器采集到輸油泵的振動和溫度的原始信號，通過局域網(wǎng)送入到現(xiàn)場計算機，由計算機進行信號分析和信號處理。這些原始信號經(jīng)過處理之后，利用計算的故障診斷軟件，進行故障識別與診斷，找出故障原因和解決辦法。 1) 信號采集 選用壓電式傳感器和電阻式傳感器，測點分布，電機前后端軸承和泵前后端軸承， 電機定子。 2) 信號分析 u 時域分析 時域分析方法是通過信號的時間進程記錄波形的變化發(fā)展情況，對信號組成和特征參量進行分析。時域分析又可以包括幅域參數(shù)值分析和時域波形分析兩種。 u 頻域分析(1)幅值譜 幅值譜是表征每個頻率分量振動幅值大小的頻譜圖。它是故障診斷中最常用、最直觀的分析手段，由幅值譜圖的變化規(guī)律及故障特征頻率即可診斷一般性故障類型。(2)功率譜 功率譜反映了隨機信號各頻率成份功率能量的分布情況，可以揭示信號中隱含的周期性及靠得很近的譜峰等有用信息，對于機械設備各種特征頻率的確定是對設備進行故障診斷的基礎(chǔ)，當機械設備發(fā)生故障時;多般在某些特征頻率附近出現(xiàn)明顯的峰值，功率譜是反映各頻率成分能量分布的關(guān)系，更容易得到峰值出現(xiàn)位置處所對應的頻率，與設備特征頻率進行對比分析，便可得到設備的故障類型。 u 小波分析 對信號采樣后，可得到一個大的有限頻帶中的一個信號，對這個信號進行小波多尺度分解，其實質(zhì)就是把采到的信號分解成兩個信號，即高頻部分和低頻部分，而低頻部分通常包含了信號的主要信息，高頻部分則常和噪音及擾動聯(lián)系在一起，根據(jù)分析的需要，繼續(xù)對所得低頻部分進行分解，得到更低頻和相對高頻的部分，具體分解層數(shù)可以根據(jù)實際情況而定。小波變換能準確檢測出奇異點的存在和出現(xiàn)的具體位置。 2. 論文（設計）進度計劃 第 1 周：查閱文獻，了解畢業(yè)設計題目的研究意義 第 2 周：查閱文獻，了解畢業(yè)設計題中相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 第 3 周：閱讀文獻，掌握畢業(yè)設計的研究內(nèi)容及技術(shù)路線 第 4 周：撰寫畢業(yè)設計開題報告，準備開題報告答辯 第 5 周：掌握輸油泵的工作原理及常見故障 第 6 周：掌握輸油泵運行參數(shù)的測試系統(tǒng)的硬件組成第 7 周：掌握 LabVIEW 編程技術(shù)，中期檢查 第 8 周：掌握 LabVIEW 編程技術(shù) 第 9 周：實現(xiàn)輸油泵測試系統(tǒng)的框架及功能模塊搭建第 10 周：實現(xiàn)輸油泵測試系統(tǒng)的 LabVIEW 編程 第 11 周：實現(xiàn)輸油泵測試系統(tǒng)的 LabVIEW 編程第 12 周：撰寫畢業(yè)設計論文 第 13 周：撰寫畢業(yè)設計論文 第 14 周：撰寫畢業(yè)設計論文 第 15 周：完成畢業(yè)設計論文修改及答辯 ppt 第 16 周：畢業(yè)答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 王洋. 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[12] Design of the oil pump temperature monitoring system based on Internet of things 2014 IEEE Workshop on Advanced Research and Technology in Industry Applications (WARTIA) [13] 楊宇，于德介.基于 labVIEW 虛擬儀器平臺的測試系統(tǒng)開發(fā)[J]湖南大學，2002 [14]湯寶平，秦樹人，譚善文.虛擬式小波變換信號分析儀的設計及應用[J]重慶大學2000 [15] Virtual Filter Design Based on LabVIEW Development Platform 2016 International Conference on Robots & Intelligent System (ICRIS) 附：文獻綜述或報告 文獻綜述 摘要 基于 LabVIEW 的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)是利用計算機開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[1]。在王洋的虛擬儀器研究中有詳細的論斷。本文針對油泵的機械故障進行故障診斷，通過對振動信號和溫度信號的分析，并以 LabVIEW 為工具，利用信號分析對輸油泵故障進行診斷和監(jiān)測。本文通過用對信號的研究過程和軟硬件系統(tǒng)的搭建完成監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建和診斷和監(jiān)測功能的實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：LabVIEW ，小波分析，趨勢分析，輸油泵監(jiān)測引言 隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的自動化程度越來越高以及各個產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)系越來越緊密，一旦在輸油過程中發(fā)生設備故障，就會嚴重威脅到石油加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的正常運轉(zhuǎn)，因此會造成難以預料的損失[2]。而傳統(tǒng)的人工巡檢的監(jiān)測監(jiān)查方式由于弊端很多，因此需要一種實時性，準確性和高效率的輸油泵監(jiān)測方式，因此開發(fā)一種在線監(jiān)測計算機輔助的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)有重要意義。 一、輸油泵結(jié)構(gòu)與原理 輸油泵結(jié)構(gòu)：主要由偏心輪、主泵、手泵、進出油閥、油管、油箱等組成。 輸油泵工作原理：在噴油泵凸輪軸上的偏心輪通過滾動輪和頂桿，向下壓活塞，這樣使吸入止回閥和增壓閥開啟，同時活塞彈簧被壓縮。當偏心輪轉(zhuǎn)過滾輪后，彈簧的彈力使活塞上行，此時，止回閥和開啟，而另外兩個關(guān)閉。凸輪軸每轉(zhuǎn)一周，輸油泵輸油兩次。如果排出管路上油壓增高大于彈簧彈力時，則活塞便停留在輸油泵下部，待油壓降低后，繼續(xù)供油。 二、輸油泵常見故障及原因 u 滑動軸承 滑動軸承故障來源有三個方面：一個是磨料磨損，一個是疲勞磨損，另一個是黏著磨損。在季行建和湯寶平的研究中發(fā)現(xiàn)造成失效與磨損有幾方面原因，如相接處的兩個面之間空隙太大或太小，接觸面表面形成不規(guī)則的粗糙分布，機油以及保護膜的物理和化學特性[3]。 u 止推軸承： 1. 磨損 軸承的封裝不是密不透風的，常伴隨污垢、沙塵的侵入，以至使保持架、軸承滾道、滾動體等在表面發(fā)生磨損。 2. 疲勞 軸承表面形成變化的凹坑，然后逐漸延伸成片，最終造成滾道表面以及滾動體產(chǎn)生剝落或脫皮。疲勞的產(chǎn)生有很多原因，一種是長時間工作應力所致，另一種是封裝粗糙沒有達到加工要求，進而產(chǎn)生掉皮或腐蝕脫落[4]。 3. 斷裂 鍛造時的折疊、夾雜等缺陷，熱處理產(chǎn)生的裂紋或強大內(nèi)應力、磨削裂紋，車削裂紋等都可能是最后斷裂的原因。 4. 腐蝕 潤滑油在使用過程中不斷氧化，氧化作用的產(chǎn)物是酸性物質(zhì)，它們對軸承材料有腐蝕作用。此外，尚有一些特殊的腐蝕形式應予以注意，如：氧對錫銻軸承合金的腐蝕、硫?qū)y和銅的軸瓦材料的腐蝕、水分對銅鉛合金的腐蝕等[5]。 5. 膠合 常發(fā)生在潤滑不良、高溫、兩滾道表面不平行等情況下，在兩滾道表面不平、潤滑不良、高溫的情況下，滾道和滾動體表面因為過熱而局部融合在一起。 二，信號收集及分析方法 1 傳感器信號采集傳感器和測點分布 壓電式加速度傳感器和電阻式溫度傳感器。 四個振動測點：電機前端軸承，電機后端軸承，泵前端軸承，泵后端軸承 五個溫度測點：電機前端軸承，電機后端軸承，泵前端軸承，泵后端軸承電機定子[6]。2 信號分析方法 （1） 時域分析 經(jīng)典時域分析方法是求解連續(xù)時間 LTI 系統(tǒng)的響應的一種方法。經(jīng)典時域分析方法，是根據(jù)微分方程的理論求解動態(tài)方程式，以得到系統(tǒng)的輸出響應的函數(shù)表達式。輸油泵機組的故障往往首先表現(xiàn)為振動信號的異常。對振動信號進行相關(guān)時域分析可為輸油泵的故障診斷提供粗略的參考依據(jù)。常見的時域特征參數(shù)有均值，方差，分布密度，偏斜度，峰值，波形指標等[7]。王新龍與季濤在各自的研究中表明，由時域的相關(guān)特征的信號研究是對監(jiān)測研究的基礎(chǔ)，是一種初步的信號處理方式。 （2） 頻域分析 振動異常往往是輸油泵機組發(fā)生故障的一種外在表現(xiàn)形式，對振動信號的分析和處理能為輸油泵機組的故障診斷提供重要參考[8]。而長久以來的研究表明，輸油泵機組發(fā)生故障時的振動信號具有非常明顯的頻率特征。這些頻率特征可以幫助我們準確定位輸油泵機組的潛在故障。由傅里葉變換可以將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號分析[9]。 （3） 小波分析：小波變換的概念是由法國從事石油信號處理的工程師 J.Morlet 在 1974 年首先提出的[10]，它與 Fourier 變換、視窗 Fourier 變換（Gabor 變換） 相比，這是一個時間和頻率的局網(wǎng)域變換，因而能有效的從信號中提取資訊，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析（Multiscale Analysis），解決了 Fourier 變換不能解決的許多困難問題，從而小波變化被譽為“數(shù)學顯微鏡”，它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進展[11]。梁瑞年和湯寶平的對小波分析的研究中可以看出由小波分析，振動信號可以利用小波變換的局部化特性，可以識別到信號的任意細節(jié)由此可以精確分析輸油泵產(chǎn)生的振動信號， 從而精確分析故障[12]。 三，LabVIEW 在輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)中的應用 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但 LabVIEW 與其它計算機語言的顯著區(qū)別是：其它計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用圖形化編程語言G 語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。像C 或BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個可完成任何編程任務的龐大的函數(shù)庫[13]。LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫形式顯示數(shù)據(jù)及其通過程序（子 VI）結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。通過 LabVIEW 可以實現(xiàn)信號的處理和仿真模擬，從而實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建[14]。在王洋，梁瑞年及一些國外學者的研究論文中，LabVIEW 作為一種圖形化的平臺和工具，融合了信號分析方式和一些必要的硬件系統(tǒng)，將信號處理和系統(tǒng)仿真完美融合，創(chuàng)建出了可以實現(xiàn)監(jiān)測功能的軟硬件系統(tǒng)和實用的操作流程。 四，總結(jié) 基于 LabVIEW 虛擬儀器平臺的測試系統(tǒng),在以 PC 為核心的硬件平臺支持下，不僅可以通過軟件編程設 計來實現(xiàn)儀器的監(jiān)測功能，而且可通過不同監(jiān)測功 能的軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種診斷監(jiān)測功能，真正實現(xiàn) 了 “軟件即儀器”[15]。 它充分發(fā)揮了現(xiàn) 代計算機的技術(shù)優(yōu) 勢和軟硬件資源，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的多功能和高度靈 活性，與傳統(tǒng)儀器相比， 它不僅價格低， 開發(fā)、 維護費用 少， 而且技術(shù)更新周期短，可與計算機同步， 可用網(wǎng)絡 聯(lián)絡周邊各儀器?？梢灶A見，與計算機同步發(fā)展的虛 擬儀器技術(shù)前景十分光明， 基于計算機的全數(shù)字化測 量分析將是采集測試分析的未來。參考文獻 [1] 王洋. 基于虛擬儀器技術(shù)的輸油泵遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 淮海工學院學報:自然科學版, 2008, 17(3):18-21. [2] 周見行, 李存兵, 季行建,等. 基于虛擬儀器技術(shù)輸油泵遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 浙江工業(yè)大學學報, 2009, 37(4):469-472. [3] 湯寶平, 李碧蓉, 文代剛,等. 輸油泵機組狀態(tài)監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)的設計[J]. 重慶交通大學學報自然科學版, 1999, 18(3):115-120. [4] 徐聰, 湯寶平, 姚金寶. 輸油泵機組遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 重慶大學學報, 2007, 30(7):30-33. [5] 梁瑞年, 郭麗芳, 石博強,等. 基于虛擬儀器的輸油泵監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[J]. 微計算機信息, 2005, 21(6):119-120. [6] 田壘, 劉軍輝, 孫向東,等. 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在輸油泵機組中的應用[J]. 當代化工, 2015(3):567-569. [7] 王新龍. 輸油泵故障診斷系統(tǒng)設計與研究[D]. 青島科技大學, 2015. [8] 祖楠. 離心輸油泵在線狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)[J]. 油氣田地面工程, 2010, 29(10):66-67. [9] Mine Pump Comprehensive Performance Testing System Based on LabVIEW 2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation [10] 季濤. 油泵安全監(jiān)測與故障診斷的研究[D]. 哈爾濱理工大學, 2013. [11]梁瑞年. 輸油泵安全監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D]. 北京科技大學, 2005. [12] Design of the oil pump temperature monitoring system based on Internet of things 2014 IEEE Workshop on Advanced Research and Technology in Industry Applications (WARTIA) [13] 楊宇，于德介.基于 LabVIEW 虛擬儀器平臺的測試系統(tǒng)開發(fā)[J]湖南大學，2002 [14]湯寶平，秦樹人，譚善文.虛擬式小波變換信號分析儀的設計及應用[J]重慶大學2000 [15] Virtual Filter Design Based on LabVIEW Development Platform 2016 International Conference on Robots & Intelligent System (ICRIS) 審核意見 指導教師評閱意見(對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱) 此選題具有一定的理論研究意義及工程應用價值，對于學生以后工作中的科研能力進行鍛煉。閱讀參考文獻較為豐富，研究內(nèi)容及技術(shù)路線清晰明確，開題報告書寫符合規(guī)范要求。同意開題。 簽字：陳建國 日期：2017-03-10 教研室主任意見 同意 簽字：賈衛(wèi)平 日期：2017-03-14 學院教學指導委員會意見 同意 簽字：賈衛(wèi)平 日期：2017-03-14 公章：機械工程學院 基于LabVIEW的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)研究 摘 要 輸油泵機組在長距離輸油管道中有著重要作用，實現(xiàn)輸油泵的在線監(jiān)測有重要的現(xiàn)實意義。本文以LabVIEW為工具開發(fā)在線輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)。通過對輸油泵結(jié)構(gòu)及其工作原理的研究，搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。通過對輸油泵故障機理的研究，利用LabVIEW建立軟件系統(tǒng)即時對信號分析處理來實現(xiàn)輸油泵在線監(jiān)測。 本文將在以下幾個方面對輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)做出研究： 1、輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 ：通過對大型離心式輸油泵的結(jié)構(gòu)，工作原理及相關(guān)性能參數(shù)的分析，分析輸油泵常見故障及產(chǎn)生機理。 2、監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)研究：以系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，主要為監(jiān)測系統(tǒng)的選型及對不同種信號的采集硬件 3、信號采集與分析：進行信號采集原件的選型如各種傳感器，并對采集信號進行時域分析，頻域分析，小波分析。 4、監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)研究：軟件結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，信號處理模塊，狀態(tài)分析與故障診斷模塊，信息管理模塊，并最終完成軟件程序的實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：輸油泵; LabVIEW ;監(jiān)測系統(tǒng) ;小波分析  ABSTRACT The oil pump unit plays an important role in the long distance oil pipeline, and it is of great practical significance to realize the on-line monitoring of the oil pump. This paper uses LabVIEW as a tool to develop an online fuel pump monitoring system. Through the study of the structure and working principle of the oil pump, the hardware structure of the oil pump monitoring system is set up. Through the research on the failure mechanism of the oil pump, the software system is established by LabVIEW to realize the on-line monitoring of the oil pump on the signal analysis and processing. This article will be in the following aspects of the oil pump condition monitoring system to study: 1. The principle of the structure of the oil pump is analyzed by analyzing the structure, working principle and related performance parameters of the large centrifugal oil pump, and analyzes the common faults and generating mechanism of the oil pump. 2. The hardware structure of the monitoring system is based on the overall structure of the system, and the hardware structure of the oil pump monitoring system is set up, mainly for the selection of the monitoring system and the acquisition of different kinds of signals. 3. Signal acquisition and analysis: the original collection of signal acquisition, such as a variety of sensors, and the acquisition signal for time domain analysis, frequency domain analysis, wavelet analysis. 4. Monitoring system software structure research: The software structure mainly includes the data acquisition module, the signal processing module, the state analysis and the fault diagnosis module, the information management module, and finally completes the realization of the software procedure. Key words: oil pump; LabVIEW; monitoring system; wavelet analysis  39 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 1 1.2 論文主要研究內(nèi)容 2 2 輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 4 2.1 輸油泵的結(jié)構(gòu) 4 2.2 輸油泵的工作原理 4 2.3 輸油泵的性能參數(shù) 5 2.4 輸油泵的常見故障 5 3 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建 7 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計 7 3.2 輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計 7 3.3 硬件系統(tǒng)的選型 9 4 輸油泵信號分析技術(shù) 10 4.1 時域分析技術(shù) 10 4.2 頻域分析技術(shù) 10 4.3 小波分析技術(shù) 10 5 運用LabVIEW實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā) 13 5.1 軟件設計的原則與依據(jù) 13 5.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計 13 5.3 功能模塊設計 15 6 結(jié)論 25 附錄1：外文翻譯 27 附錄2：外文原文 32 致 謝 38 1 緒論 隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的自動化程度越來越高以及各個產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)系越來越緊密，一旦在長距離輸油過程中發(fā)生設備故障而無法即時發(fā)現(xiàn)并處理，就會嚴重威脅到石油加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的正常運轉(zhuǎn)，因而會造成極大的損失[1]。而傳統(tǒng)的人工巡檢的監(jiān)測監(jiān)查方式由于弊端很多，因此需要一種實時性，準確性和高效率的輸油泵監(jiān)測方式，在這種情況下，基于虛擬儀器的發(fā)展為該問題的解決提供了方法。以虛擬儀器開發(fā)的輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過機械部件外在表現(xiàn)，以信號方式對其經(jīng)過處理分析來實現(xiàn)監(jiān)測功能。所以開發(fā)以LabVIEW為平臺的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實意義。 1.1 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國內(nèi)對泵的工況監(jiān)測與故障診斷的研究起步較晚，是從上世紀80年代開始的。但從1985年以后，由于中國設備管理協(xié)會設備診斷委員會，中國振動工程學會機械故障診斷分會和中國機械工程學會設備維修分會等機構(gòu)的大力推動，全國多次召開了全國性的故障診斷學術(shù)會議，極大的推動了我國故障診斷技術(shù)的發(fā)展，使得國內(nèi)先后產(chǎn)生了許多十分有價值的研究成果[2]。其中較為突出的是航天航空部于1984年開發(fā)成功的基于共振解調(diào)原理的JK8241輸油泵分析儀，此診斷系統(tǒng)成功地做到了對輸油泵不解體故障診斷。 泵診斷技術(shù)在國內(nèi)研究方向也主要體現(xiàn)在兩個方面：一、對設備狀態(tài)特征信號的檢測，二、對檢測到的特征信號進行提取，獲取特征值[3]。 國外在泵故障診斷技術(shù)中發(fā)展的比較早，始于上個世紀60年代，距今已有50多年的歷史。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，泵的故障診斷技術(shù)也在日新月異。在歐美日等發(fā)達工業(yè)國家，泵的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已經(jīng)形成一種流行，并漸漸商品化和實用化。下面介紹國外對泵故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展研究的概況。 第一階段：利用頻譜分析儀來診斷泵故障[4]。在這個階段，對于泵故障診斷多采用快速傅里葉變換的方法，通過對振動信號進行頻譜分析，得出的結(jié)果與實際相比較來對故障進行判斷，因此，各種常用的頻譜儀的發(fā)明紛紛問世，一時間通過頻譜儀檢測油泵振動信號成為了這一階段的主要研究手段[5]。但這種方法存在著許多的弊端。比如說，當傳感器采集到振動信號經(jīng)過放大傳送給頻譜儀進行分析時，由于實際信號中常常混有噪音，因此信號特征表現(xiàn)并不明顯，或者在分析中找不到故障信號，這在對微小故障引起的振動信號很難預測。 第二階段：利用沖擊脈沖技術(shù)診斷泵故障。這個階段對于泵故障診斷技術(shù)有了較大的提高和進步，主要方法為通過使用沖擊脈沖計對泵軸承表面進行沖擊脈沖幅值測量。經(jīng)瑞典儀器公司多年在泵故障診斷領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，這種測量方法在對軸承測得到的特征值可以很好地評價泵軸承損傷程度。相比較使用頻譜分析儀的方法，這種方法不需要進行頻譜分析，并且可以有效地檢測出泵軸承出現(xiàn)的損傷故障，因此，這種技術(shù)一經(jīng)發(fā)明便被歐美日等工業(yè)發(fā)達國家所采用[6]。隨著這一項技術(shù)的不斷進步和研發(fā)，產(chǎn)品也在不斷更新，如今SPM不僅可以監(jiān)測軸承損傷故障，也應用到對油膜潤滑及厚度的測量使用中。 SPM技術(shù)至今已有50多年的歷史，但不少企業(yè)工廠對軸承的檢測仍然采用這種技術(shù)。 第三階段：利用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承故障。共振解調(diào)技術(shù)出現(xiàn)于1974年，由美國波音公司的D.R.Harting所發(fā)明。由于共振解調(diào)技術(shù)在對信號的分離和提取上的特殊作用，因此，對于故障信號的檢測具有很好的效果。通過包絡頻譜分析出的結(jié)果，判斷故障發(fā)生的具體部位，對泵軸承損傷類故障診斷具有很好的效果，在故障診斷技術(shù)中得到了很好的應用。共振解調(diào)技術(shù)與SPM相比，相當于在SPM的基礎(chǔ)上更進一步，不僅可以檢測出故障信息，更能具體定位出故障源，對于泵軸承損傷檢測屬于精密診斷方法[7]。 第四階段：利用計算機開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測于故障診斷系統(tǒng)[8]。隨著科技的發(fā)展，尤其是計算機領(lǐng)域的日新月異，20世紀80年代以后，利用計算機開發(fā)出泵監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為當時的主流方向。比較著名的有德國Mannheim電子廠于1885年使用的瑞士SULZER泵公司開發(fā)的SUDIS系統(tǒng)，應用在鍋爐給水泵組的運行狀況監(jiān)測和故障診斷上。其系統(tǒng)包含參數(shù)監(jiān)測，長期數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通訊，故障診斷和維修計劃等模塊。1992年，自動式振動咨詢系統(tǒng)EOPLORE-EX誕生，該系統(tǒng)由美國電力研究所與恩泰克科學公司，以及美國以專門從事振動咨詢的斯韋公司聯(lián)合推出。該系統(tǒng)采用三級推理，可診斷泵的內(nèi)部摩擦，不對中，不平衡和共振等故障[9]。如美國的本特利·內(nèi)達華公司開發(fā)的工程師幫助軟件，鍋爐泵診斷系統(tǒng)，可以檢測出給水泵和往復式泵是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件松動，轉(zhuǎn)子彎曲等現(xiàn)象及泵的摩擦程度，軸裂紋和由油膜導致的泵的故障。 1.2 論文主要研究內(nèi)容 主要研究的領(lǐng)域是測控系統(tǒng)，工業(yè)檢測，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，儀器儀表等各個領(lǐng)域。主要研究內(nèi)容為以下幾項： 1、輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究： 輸油泵結(jié)構(gòu)：主要由偏心輪、主泵、手泵、進出油閥、油管、油箱等組成[10]。 輸油泵工作原理：在噴油泵凸輪軸上的偏心輪通過滾動輪和頂桿，向下壓活塞，這樣使吸入止回閥和增壓閥開啟，同時活塞彈簧被壓縮[11]。當偏心輪轉(zhuǎn)過滾輪后，彈簧的彈力使活塞上行，此時，止回閥和開啟，而另外兩個關(guān)閉。凸輪軸每轉(zhuǎn)一周，輸油泵輸油兩次。如果排出管路上油壓增高大于彈簧彈力時，則活塞便停留在輸油泵下部，待油壓降低后，繼續(xù)供油。 輸油泵常見故障：磨損、疲勞、斷裂、腐蝕 [12]。 2、輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)研究：輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的是信號的采集和信號的分析處理[13]。信號采集主要是對于輸油泵關(guān)鍵部位的溫度信號和振動信號及位移信號的采集。信號的分析處理主要經(jīng)過計算機和一些相關(guān)信號處理硬件和軟件實現(xiàn)[14]。 3 、LabVIEW LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境[15]，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框 圖 的 形 式?與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫[16]?LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等? LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試[17]? LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器 (如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面[18]?用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板?使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制[19]。它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 4、輸油泵在LabVIEW平臺下的監(jiān)測系統(tǒng)研究 以LabVIEW為平臺開發(fā)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在輸油泵軸承，定子等關(guān)鍵部位安裝傳感器裝置，信號采集使用傳感器采集溫度信號和振動信號，經(jīng)過相應的信號傳輸輸送至信號處理裝置[20]。經(jīng)過處理分析的信號可以進行狀態(tài)分析與故障診斷，再進行信息的顯示和管理。  2 輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 2.1 輸油泵的結(jié)構(gòu) 離心式油泵有單級單吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有單級雙吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有兩級單吸兩端支承式結(jié)構(gòu)，有兩級雙吸的兩端支承式結(jié)構(gòu)，還有多級分段式等多種結(jié)構(gòu)形式。輸油泵實體如圖2.1。 圖2.1 離心式輸油泵 離心式輸油泵一般有以下的一些結(jié)構(gòu)特點： 泵體一般采用中心支撐的方式以減少溫度可能造成的影響。高溫可能造成熱膨脹，進而造成泵軸的移位而影響泵的正常運行，所以有時需要輸送一些高溫油類時，需要在泵底安裝定位滑道以保障泵的正常運行。 填料箱、軸承、支座都需要使用冷卻機構(gòu)。 油類易燃，必須使用防暴電機，這樣可以十分有效地避免產(chǎn)生火災或爆炸。 2.2 輸油泵的工作原理 輸油泵工作原理：油泵啟動前先在泵殼內(nèi)灌滿油（或泵殼內(nèi)自身存有油）。啟動后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的油流向渦殼，這時入口形成真空，使進油逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達外緣。另一方面，被葉輪排到氣油分離室中的油又經(jīng)左右回油孔流回到葉輪外緣。左回油孔流回的油在在壓力差和重力的作用下，射向葉輪槽道內(nèi)，并被葉輪擊碎，與吸入管路來的空氣混合后，甩向蝸殼，向旋轉(zhuǎn)方向流動。然后與右回油孔流來的油匯合，順著蝸殼流動。由于液體在蝸殼內(nèi)不斷沖擊葉柵，不斷被葉輪擊碎，就同空氣強烈攪拌混合，生成氣油混合物，并不斷地流動致使氣油不能分離?；旌衔镌谖仛こ隹诒粍冸x，沿短管進入分離室。在分離室內(nèi)空氣被分離出來，由出口管排掉，而油仍經(jīng)左右回油孔流向葉輪外緣，并與吸入管空氣相混合。如此反復循環(huán)，逐漸將吸入管路中的空氣排盡，使油進入泵內(nèi)，完成自吸過程。 2.3 輸油泵的性能參數(shù) 1、流量：指輸油泵在單位時間內(nèi)輸送的油量?常用單位有L/S? 2、揚程：又稱壓頭，是單位質(zhì)量流體經(jīng)過油泵后其能量的增加值?從離心式輸油泵的外在表現(xiàn)來理解，泵的揚程是油的重力勢能的提高、油壓的提高以及在輸送油的過程中克服管路阻力做工之和?常用單位有MH20柱、MM汞柱等?也有時將離心式輸油泵揚程表示為泵出口的壓力值，常用單位是KPA，MPA。 3、軸功率：泵的輸入功率，油泵從電動機處獲得的功率?常用單位為KW? 4、有效功率：泵的輸出功率，即單位時間內(nèi)離心泵中流過的油在該段時間內(nèi)獲得的能量? 5、效率：泵的有效功率與軸功率的比值，它表示的是泵對電動機所給予的能量的利用率?小型油泵的效率一般為50%~70%，大型油泵可達90%? 2.4 輸油泵的常見故障 輸油泵的常見故障來源一般在一些敏感部件，比如軸承。軸承的損壞或者失效會直接造成輸油泵的故障。常見的輸油泵軸承有滑動軸承和止推軸承。 輸油泵軸承的常見故障主要有磨損、疲勞、斷裂、腐蝕、膠合，造成各種故障的原因不盡相同。 1、磨損 軸承的封裝并不是絕對的嚴密，會有很多縫隙，一些沙礫、污垢等異物經(jīng)縫隙進入，便會造成保持架、軸承滾道、滾動體等在表面發(fā)生磨損。如圖2.2。 圖2.2 軸承磨損 2、疲勞 軸承表面由于長期摩擦產(chǎn)生凹坑，直至產(chǎn)生大片的缺陷，最終造成滾道及滾動體產(chǎn)生發(fā)生損傷。疲勞的產(chǎn)生有很多原因，其中比較常見的兩種原因是工作應力作用時間過長和封裝過于粗糙。如圖2.3。 圖2.3 軸承疲勞 3、斷裂 斷裂主要指的是軸承套破裂。原因可能是鍛造缺陷，或者熱處理不當或者一些其他原因。斷裂軸承如圖2.4。 圖2.4 軸承斷裂 4、腐蝕 潤滑油在使用過程中會發(fā)生氧化進而產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)會造成軸承的腐蝕。還有一些腐蝕方式會有些特殊，如：氧氣會對錫銻合金材料的軸承造成腐蝕、硫會對含銀和銅的軸瓦材料造成腐蝕、油會對銅鉛合金造成腐蝕等。如圖2.5。 圖2.5 軸承腐蝕 3 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計 無論在哪種虛擬測試系統(tǒng)，都是將硬件設備搭載到PC端平臺，加上應用軟件而構(gòu)成的。該監(jiān)測系統(tǒng)也是由這個基本機構(gòu)組成：由傳感器從輸油泵采集基本信號，然后由傳感器傳至信號調(diào)理裝置。然后信號經(jīng)過硬件設備，再由PC端進入應用軟件進行信號分析處理。如圖3.1。 信號調(diào)理裝置 輸油泵機組 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 PC LabVIEW虛擬儀器平臺 圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 3.2 輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計 搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)首先要考慮監(jiān)測系統(tǒng)的正確性，準確性和可靠性，并在此基礎(chǔ)上盡量讓成本降低。 一般來說，旋轉(zhuǎn)類機械的軸承座的振動信號是對機械設備進行狀態(tài)檢測和故障診斷最普遍使用的特征值。采集該信號最常用的是壓電晶體加速度傳感器。該傳感器主要組成部件有壓電晶體，彈簧和重物。壓電晶體加速度傳感器的使用原理是傳感器接收到振動信號后，壓電晶體在受到振動的重物作用下產(chǎn)生電荷，且其產(chǎn)生的電荷量與振動加速度成正比。在本系統(tǒng)中，可以將壓電晶體加速度傳感器用螺栓安裝在軸承座上使用。壓電晶體實物圖如圖3.2。 圖3.2 壓電晶體加速度傳感器 在輸油泵故障診斷中軸心軌跡是一個重要的考量指標。而轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡可以通過轉(zhuǎn)軸徑向振動的交流分量來確定。因為轉(zhuǎn)軸工作時是高速運轉(zhuǎn)的，所以對轉(zhuǎn)軸徑向振動信號的測量無法使用接觸測量的方式，由此我們可以選用電渦流傳感器，同樣對軸向位移信號的采集同樣使用電渦流傳感器。電渦流傳感器的工作原理是利用電渦流效應，由磁場和電流的相互作用反映振動變化。本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)軸振動信號采集，可以用電渦流探頭與轉(zhuǎn)軸軸線垂直安裝，本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸軸向位移信號采集時，將一個厚0.5MM，寬10MM的金屬片安裝于軸端面，這樣采集到的軸向位移信號是方波，而方波的谷底恰好反映轉(zhuǎn)軸的實際軸向位移。電渦流傳感器實物圖如圖3.3。 圖3.3 電渦流傳感器 輸油泵機組設備狀態(tài)的另一個重要參數(shù)是軸承的溫度。軸承溫度信號采集常用熱電阻傳感器，常用的熱電阻是Pt100，即0度時阻值為100歐姆的鉑電阻。熱電阻傳感器的工作原理是基于電阻的熱效應，即不同溫度下電阻阻值的變化來改變電流從而測量溫度變化。熱電阻封裝有不銹鋼圓套筒形式和有機薄膜形式。這里選擇不銹鋼封裝形式的，在軸承座上打孔安裝。對于熱電阻信號傳輸模塊的選擇，可以選擇美國NI公司生產(chǎn)的NI-USB 9201，USB模塊支持熱插拔，易于系統(tǒng)的搭建和使用。熱電阻的實物圖見圖3.4。 圖3.4 Pt100熱電阻 3.3 硬件系統(tǒng)的選型 輸油泵檢測系統(tǒng)共需要采集四個振動信號，四個溫度信號和一個軸向位移信號。本文采用下列設備建立系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖3.5。 ADAM熱電阻模塊 輸油泵機組 熱電阻 前置器 電渦流 傳感器 電荷放大器 壓電晶體 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 工業(yè)控制計算機 圖3.5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 在輸油泵相對應位置安裝熱電阻傳感器，電渦流傳感器和壓電晶體傳感器，各傳感器采集到的信號經(jīng)過簡單的處理，傳導至數(shù)據(jù)采集卡。 至此，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建完成。  4 輸油泵信號分析技術(shù) 4.1 時域分析技術(shù) 時域分析 均值：描述信號的平均變化情況，代表信號的直流分量。 方差：描述信號相對于均值的波動情況，反映信號的動態(tài)分量。 波形指標K＝有效值/絕對平均幅值。 峰值指標C＝峰值/有效值。 脈沖指標I＝峰值/絕對平均幅度。 裕度指標L＝峰值/方根幅值。 時域分析可以對輸油泵機組進行總體的定量分析，但無法做出準確的定性分析，所以時域分析一般只用來作故障初步診斷的方法。 4.2 頻域分析技術(shù) 輸油泵機組是旋轉(zhuǎn)類機械的一種，輸油泵機組的頻率特征對與輸油泵機組故障分析具有十分重要的意義。 頻譜分析是將動態(tài)信號在頻域內(nèi)進行分析，分析的結(jié)果是以頻率為橫坐標，以加速度或者振幅或者功率為縱坐標的頻譜圖。頻譜分析是以傅里葉級數(shù)和傅里葉積分為基礎(chǔ)的。 周期信號的功率譜為其雙邊幅值頻譜的平方；非周期信號的功率譜為其幅值譜密度的平方。隨機信號屬于時域無限信號，其頻率和幅值為隨機變量。因而采用具有統(tǒng)計特性的功率譜估計進行分析。 隨機信號的功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)為傅立葉變換偶對，為了方便，也可用在非負頻率范圍內(nèi)定義的單邊功率譜密度代替雙邊功率譜密度。 4.3 小波分析技術(shù) 小波變換的概念最早是在1974年，由法國工程師J.Morlet在提出的，但是當時因為在數(shù)學上未被證實，所以不為人們所接收。歷史上有很多這種由于思維太過先進超出當時人們認知油平的創(chuàng)新思想無法被盡快接受的例子。后來隨著越來越多的理論基礎(chǔ)的出現(xiàn)，小波分析逐漸進入人們視線并開始蓬勃發(fā)展。 小波變換與傳統(tǒng)的傅立葉變換不同，它是一個時間和頻率的局域變換，它可以通過對信號的分解來精確提取所需信號，進而解決了之前單純依靠傅立葉變換無法解決的許多問題。小波分析的應用與理論相結(jié)合，對現(xiàn)今的信號處理起到了非常重要的作用。尤其在工業(yè)實踐中，許多的信號都很隨機很不穩(wěn)定，依靠傳統(tǒng)傅立葉變換就無法進行準確有效地進行信號分析，此時小波分析就呈現(xiàn)了它作為信號分析工具的優(yōu)勢。 小波變換與傳統(tǒng)的傅里葉變換和短時傅里葉的相同之處在于它們進行信號的數(shù)學變換時采用的是相同的數(shù)學工具，不同之處在于基本函數(shù)的結(jié)構(gòu)不同。傅立葉變換分解信號方式?jīng)Q定了傅立葉變換中無法體現(xiàn)頻率隨時間的變化特性，而短時傅立葉變換在解決傅立葉變換的缺陷的同時，又造成了分辨率的無法“隨機應變”。然而相對一個實際信號而言，低頻信號總是有比較長的周期，相對的高頻信號周期則較短。小波變換的基本小波函數(shù)為 （4.1） 相應的積分小波變換為 （4.2） 盡管小波分析有許多優(yōu)點，但是它的數(shù)學實現(xiàn)不能直接做到。首先是基本小波的選擇問題。小波變換可以有無限的基本小波可以選擇，但是只有能用得到的小波系數(shù)恢復原始信號時，才是有價值的小波。為了重建原來的信號，基本小波的選擇不能是任意的，正是因此選擇合適的基本小波就是小波變換最大的問題。其次過多的待分析級數(shù)會造成計算困難。于是Mallat提出了多分辨率信號分解的理論與算法。它不直接計算積分表達式，而是將信號進行逐級分解。分解過程如圖4.1。 圖4.1 小波分解樹狀圖 圖4.1中，S即為原始信號，S經(jīng)過分解得到低頻信號和高頻信號，再由低頻信號分解出更低頻信號和次高頻信號，再由新得到的低頻信號再分解，依此繼續(xù)。 信號可以被分解，同樣也可以被合成，由分解信號合成原信號的過程稱為小波重構(gòu)，數(shù)學上表現(xiàn)為小波的逆變換。 NI公司提供的在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。Advanced Signal Processing Toolkit安裝后，在LabVIEW函數(shù)選板的“附加工具包”子選板中增加一個Wavelet Analysis子選板，其中包含Continuous Wavelet(連續(xù)小波)、DiscreteWavelet（離散小波）、Packet Wavelet（小波包）、Feature Extraction（特性提?。┖蚒tilities（實用）等幾個用于小波分析的子選板。 小波去噪 噪聲干擾對于一個系統(tǒng)來說很難被避免，噪聲對系統(tǒng)性能和信號分析都會帶來極大的負面影響。雖然LabVIEW自帶濾波功能，但是經(jīng)典濾波方法的準確性并不十分好，就是說采用經(jīng)典的濾波方法很有可能會削減正常信號。于是我們在信號降噪中引進了小波變換，于是小波濾波和小波包濾波技術(shù)誕生了。 我們可以采用Mallat提出的信號多分辨率分解與重構(gòu)算法，將原始信號進行多級分解，不斷的對分解后的低頻信號進行分解，當分解的層級足夠多的時候，去除噪聲成分所占頻帶，然后將信號進行信號重構(gòu)，這樣就在不影響所需信號的情況下完美達到降噪的目的。這樣的降噪方式可以極大提高降噪精度，極大減小噪聲干擾的影響，對信號分析具有極大的現(xiàn)實意義。  5 運用LabVIEW實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā) 5.1 軟件設計的原則與依據(jù) 軟件是系統(tǒng)設計的核心。軟件是硬件系統(tǒng)實現(xiàn)特定功能的必要基礎(chǔ)。系統(tǒng)設計成功與否取決于軟件系統(tǒng)的設計。 1、正確性 正確性是軟件設計最基本的要求，設計出的軟件要按照設計者的 意圖去實現(xiàn)既定的功能。 2、穩(wěn)定性 輸油油泵安全監(jiān)測系統(tǒng)需要在一段時間內(nèi)不間斷對油泵狀態(tài)信息進行監(jiān)測并分析，因此，較高的穩(wěn)定性可以保證系統(tǒng)的正常使用。 3、可維護性好實際工況復雜且多樣，因此系統(tǒng)的軟件也要進行完善和升級，以滿足測量要求的目的。 4、開發(fā)難度低 實驗成本要低且功能完善，盡量降低開發(fā)成本是開發(fā)人員能力的硬性要求。 5.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計如圖5.1 頻譜分析 信號處理 信號采集 信息顯示 小波分析 時域分析 圖5.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 軟件系統(tǒng)前面板如圖5.2。 圖5.2 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)前面板 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖如圖5.3。 圖5.3 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖 功能模塊：主要的功能模塊有信號測點的設置，信號采集模塊，信號顯示模塊和信號處理模塊。信號測點設置主要實現(xiàn)模擬信號測點的配置方案，信號采集模塊主要完成信號的模擬輸入，信號顯示模塊則是以波形圖或者波形圖表的方式進行信號的顯示，以完成后期的信號時域分析，信號處理模塊主要完成信號的頻域分析和小波分析。 5.3 功能模塊設計 1、信號測點設置 信號測點設置要完成信號測點的安排。本系統(tǒng)中將在油泵兩軸承和電機兩軸承安裝壓電晶體傳感器和溫度傳感器，在輸油泵軸安裝電渦流傳感器檢測位移信號。信號測點模擬見圖5.4。 圖5.4 信號測點分布 由圖5.4可以直觀地看出，在輸油泵每一側(cè)的軸承分別安裝有一個溫度傳感器和一個位移傳感器，電機的每一側(cè)軸承也安裝有一個溫度傳感器和一個位移傳感器。在油泵軸上，安裝有一個位移傳感器用來監(jiān)測油泵軸的位移量，而電機轉(zhuǎn)子上安裝溫度傳感器用來監(jiān)測電機溫度變化。 2、信號采集 采用USB總線設備的數(shù)據(jù)采集模塊。 由傳感器采集的是模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳輸至計算機。本文中信號的采集采用模擬輸入的方式，模擬信號由DAQ采集助手采集。本文中采集卡為NI USB-9201模擬信號輸入，一共有八個通道，采樣率設置為2kHz，采樣長度為1k。振動信號和溫度信號分別用兩個采集助手。因為八個通道并不全部需要，所以刪除沒有使用到的通道。 選用的DAQ采集助手有兩個，一個用于采集振動和位移信號，另一個用于采集溫度信號。DAQ采集助手如圖5.5所示。 圖5.5 DAQ采集助手 DAQ采集助手的參數(shù)設置見圖5.6。 圖5.6 DAQ采集助手參數(shù)設置 在此界面里的通道設置里刪除不需要的通道，采樣模式設為連續(xù)采樣，待讀取采樣設置2k，采樣率設置為2kHz。 信號采集模塊還需要一個采集起始和結(jié)束的按鈕。采集起始按鈕是以DAQ采集助手為內(nèi)容的一個條件結(jié)構(gòu)，外加一個按鈕控件。采集起始按鈕和程序結(jié)束按鈕前面板見圖5.7。 圖5.7 信號采集起始和結(jié)束的按鈕前面板 此模塊功能為單擊采集按鈕時，兩個DAQ采集助手分別開始模擬采集振動位移信號和溫度信號，再次單擊采集按鈕則采集暫停。另一個退出按鈕則控制整個程序的起停，程序運行之后，單擊退出按鈕則程序退出。 信號采集按鈕的程序框圖見圖5.8。 圖5.8 信號采集起始和結(jié)束的按鈕的程序框圖 將兩個采集助手放入一個條件結(jié)構(gòu)循環(huán)，由條件結(jié)構(gòu)引出一個控制按鈕控件，控制按鈕標簽設置為“采集”。 信號采集模塊至此搭建完成。 3、采集信號顯示 信息顯示包括三部分，振動信號的波形圖，位移信號的波形圖表和溫度信號的波形圖表。 振動信號的波形圖前面板見圖5.9。 圖5.9 振動信號的波形圖 由DAQ采集助手采集的振動信號經(jīng)過波形圖顯示控件實現(xiàn)振動信號的波形圖顯示。振動信號波形圖輸出的程序框圖見圖5.10。 圖5.10 振動信號波形圖程序框圖 位移信號波形圖表前面板為圖5.11。 圖5.11 位移信號波形圖表前面板 位移信號的顯示類似于振動信號的顯示，但是位移信號采用波形圖表的方式顯示出來。對于實際分析來說，波形圖接收的是一個數(shù)組，是同時將要顯示的點顯示出來，而波形圖表接收的是一個數(shù)值，它在具有波形圖功能的同時，還可以進行逐點的顯示分析，具有緩存歷史數(shù)據(jù)的功能，波形圖表更適合實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測。 位移信號波形圖表程序框圖為圖5.12。 圖5.12 位移信號波形圖表程序框圖 位移信號的采集后的顯示程序和振動信號的過程大體一致。 溫度信號波形圖表前面板如圖5.13。 圖5.13 溫度信號波形圖表前面板 因為采集信號中所采集的均是采集助手空采的正弦信號，在系統(tǒng)正常運行下溫度信號顯示的均為正弦波形。 溫度信號波形圖表程序框圖如圖5.14。 圖5.14 溫度信號波形圖表程序框圖 4、信號處理 信號處理模塊包括通道選擇、信號處理選擇和頻譜分析、小波分析。 通道選擇功能可以選擇對哪一個軸承進行觀察分析，信號處理選擇可以選擇對信號進行頻譜分析或者小波分析。在小波分析里，依然包括功能選擇和小波分析圖。小波里的功能選擇包括觀察細節(jié)和重構(gòu)信號，分解層數(shù)，濾除成分和基本小波的選擇。通過觀察細節(jié)和重構(gòu)信號可以弄清低頻信號和高頻信號，分解層數(shù)決定信號分解的級數(shù)，并且可以了解分解后的信號特征和重構(gòu)信號特征，通過濾除成分可以清晰了解濾除的高頻新號特征?；拘〔ǖ倪x擇可以直觀觀察到各級母小波的信號特征。 通道選擇前面板形式見圖5.15。 圖5.15 通道選擇前面板 在圖5.15所示的通道選擇面板中，可以通過單擊選擇的方式來選擇要觀察分析的軸承振動信號。 信號處理選擇前面板見圖5.16。 圖5.16 信號處理選擇前面板 在該面板中，可以通過單擊選擇的方式來選擇分析項目，分析項目分為小波變換分析和頻譜分析。 頻譜分析前面板見圖5.17。 圖5.17 頻譜分析前面板 該頻譜分析前面板顯示的是橫坐標為頻率，縱坐標為能量（振幅）的頻譜圖。 頻譜分析程序框圖見圖5.18。 圖5.18 頻譜分析程序框圖 頻譜分析子程序框圖見圖5.19。 圖5.19 頻譜分析子程序框圖 小波分析的功能前面板見圖5.20。 圖5.20 小波分析功能面板 該面板體現(xiàn)了小波分析的結(jié)構(gòu)層次。功能選擇中可以運用單擊選擇的方式選擇觀察細節(jié)操作或者重構(gòu)信號操作，分解層數(shù)面板可以選擇需要觀察分析的小波分解不同層級信號特征，本文中設置最高分解層數(shù)為5層。濾除成分面板中，可以選擇重構(gòu)信號中不同層級濾除的成分。基本小波面板可以選擇不同的基本小波。 小波分析中基本小波顯示前面板見圖5.21。 圖5.21 基本小波 小波分析前面板見圖5.22。 圖5.22 小波分析前面板 在圖5.22中現(xiàn)實的波形中，紅色的即為高頻信號，白色的為低頻信號。 小波去噪的程序框圖如圖5.23。 圖5.23 小波去噪程序框圖 小波分析的程序框圖如圖5.24。 圖5.24 小波分析的程序框圖 在程序模擬中，以信號測點模擬和DAQ信號采集模擬實際的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，在模擬硬件和軟件結(jié)合的情況下，完成系統(tǒng)的總體搭建。  6 結(jié)論 對輸油泵機組的狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，了解和掌握設備在使用過程中的工作狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)設備故障及其產(chǎn)生原因并能預報故障發(fā)展趨勢極其有利于有效地管理和使用這些生產(chǎn)設備?；贚abVIEW平臺的輸油泵檢測系統(tǒng)，以實時在線監(jiān)測的方式，運用多種分析方法，可以及時且準確地發(fā)現(xiàn)輸油泵機組地故障，并找出故障電，診斷故障原因，并提出診斷方案。 該系統(tǒng)較為完美地解決了人工巡檢的種種弊端，又較為高效地實現(xiàn)了輸油泵的在線監(jiān)測功能。它是計算機技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)應用的一次完美結(jié)合，實現(xiàn)了低成本和高性能的恰當?shù)娜诤稀Ｔ撓到y(tǒng)優(yōu)越性顯而易見，系統(tǒng)開發(fā)過程也對我們今后發(fā)展提供了新鮮而又強大的動力。 參 考 文 獻 [1] 王洋. 基于虛擬儀器技術(shù)的輸油泵遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 淮海工學院學報:自然科學版, 2008, 17(3):18-21. 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