基於DSP的滾動軸承實時故障診斷系統設計

tags:    時間:2014-03-11 12:31:07
基於DSP的滾動軸承實時故障診斷系統設計簡介
    摘??要:針對在線式設備故障診斷系統因其昂貴的造價、安裝和維護的不便而不適用於中小型設備故障檢測與診斷的特點,設計了一種基於TMS320C6713的滾動……
基於DSP的滾動軸承實時故障診斷系統設計正文
    摘??要:針對在線式設備故障診斷系統因其昂貴的造價、安裝和維護的不便而不適用於中小型設備故障檢測與診斷的特點,設計了一種基於TMS320C6713的滾動軸承實時智能故障檢測系統,以滿足實時診斷、智能診斷、設備便攜等方面的要求。詳細介紹了系統軟硬體設計的原理和方法,實現了硬體共振解調技術的應用。研究結果表明,該系統能夠方便的應用到工程中去。

關鍵詞:滾動軸承;故障診斷;DSP;共振解調技術

1.引言


滾動軸承是各種旋轉機械中應用最廣泛的一種通用機械部件,它的運行狀態是否正常往往直接影響到整台機器的性能。據統計,在使用滾動軸承的旋轉機械中,由於滾動軸承損壞而引起的故障約佔30%[1]。由此可見,滾動軸承的故障診斷在工程中還是有其重要意義的。


一方面國內企業的重要大型設備往往採用在線系統對設備的工況進行監測,但是在線系統價格高昂、通用性差、安裝和維護不便,不適用於大量的中小型設備。另一方面小型的振動檢測儀只是起到對數據採集和存儲的作用,而且數據的分析需要有豐富經驗的人去從事,難以實現實時診斷的要求。本文設計的以TI公司生產的TMS320C6713為數字信號處理器的滾動軸承實時故障診斷系統,就可以滿足中小型設備實時智能故障診斷的需要[2]。

2.滾動軸承實時故障診斷系統原理


滾動軸承實時故障診斷系統主要包括硬體部分和軟體部分兩個方面:


(1)?硬體部分:主要用模擬電路實現共振解調技術[3-4]和數字信號處理電路設計。故障產生的衝擊信號使得硬體諧振器發生共振,通過諧振器的共振響應將微弱的衝擊信號調製到高頻的共振信號中去,再用解調的辦法對高頻信號處理,進而獲得一種剔除了低頻振動干擾的共振解調波,由此達到精確診斷的目的。最後信號通過A/D轉換后,再送入DSP進行FFT變換。


(2)?軟體部分:主要是基於DSP對共振解調后的振動信號進行故障特徵的識別與診斷。DSP對AD傳送來的數字信號進行時頻轉換,得到振動信號的頻譜圖,系統能自動分析頻譜,得出故障位置、故障類型、嚴重程度等結論並通過LCD顯示出來。


圖1.滾動軸承實時故障診斷系統框圖

3.系統的硬體結構


本系統採用的是硬體共振解調技術來實現軸承的故障診斷,它比軟體共振解調技術的優點是可以有效的提取機械早期故障的微衝擊信號,在故障早期實現預知維修[5],此外用硬體實現比用軟體實現運算速度快,更好的體現了實時診斷的要求。


系統硬體設計的主要原理:


(1)?振動信號處理電路,它主要包括振動信號預處理電路及共振解調處理電路部分,如圖2所示:


圖2.振動信號處理電路原理框圖


①?前端振動感測器檢測到軸承的振動信號(其中包含諧振器的共振信號)。


②?振動信號經調理放大得到易於處理的低頻信號,電荷放大器和程式控制放大器起到感測器輸出和後續處理電路的阻抗匹配和信號放大作用。由於軸承故障振動信號非常微弱,且感測器輸出阻抗很大,因此,需要高信噪比和高增益專用前置放大集成電路。


③?帶通濾波器對信號作預處理,經過帶通濾波器處理后,可有效濾掉低頻振動和高頻干擾,只保留共振頻率附近的頻率段。


④?包絡檢波器檢出共振波的外包絡,將高頻共振信號轉換為低頻包絡信號,即實現共振解調功能。經包絡分析器和低通濾波器處理后,可進一步剔除時域尖峰信號的干擾,為後續故障識別系統提供較穩定的識別信號。


⑤?由於滾動軸承的故障頻率由幾十到幾百赫茲不等,因此在做進一步處理之前有必要濾掉高頻成分。同時,在A/D轉換之前選擇合適的濾波,也能起到抗頻率混疊的作用。


(2)?數字信號處理電路部分,如圖3所示:


圖3.數字信號處理電路原理框圖


①?低頻解調信號被A/D轉換器轉換成適用於DSP處理的數字信號。本設計選用的是TI公司的多採樣頻率、低功耗、單電源供電的A/D轉換晶元AD9221,其最大採樣頻率高達1.5MHz,信噪比70dB,採樣精度高,足以滿足系統設計的需要。


②?數字信號處理器是本設計的關鍵,它的運算速度直接影響了系統實時性的實現。本系統中的DSP晶元採用TI公司的TMS320C6713。這是一款用於高精度高性能應用的浮點型DSP,它在C67x的基礎上,增加了很多外圍設備和介面。該晶元內核主頻最高可達300MHz,處理能力可達2400MPIS,內部具有可配置的二級Cache,具有豐富的外設資源,32bits的外圍數據存儲器介面(EMIF)可以與SDRAM,FLASH等存儲器件無縫連接,支持HPI,PCI,I2C匯流排。


③?TMS320C6713的內部最多只有256K的L2?SRAM,不能滿足系統大容量數據存儲的需要,需要擴展外部存儲的空間,系統採用Micron公司的32位SDRAM晶元MT48LC4M32B2,擴展了128M的動態存儲空間。


圖4.DSP與SDRAM的連線圖


④?本系統的Flash存儲器採用SST公司的SST39VF160。SST39VF160採用單電源2.7V供電,訪問時間僅為90ns,快速擦除,全片擦除只需15ms,快速燒寫,全片燒寫只需7s。


⑤?TMS320C6713需要高精度、穩定的雙電源供電,以保證系統的正常運行。本系統採用TI公司推出的具有外部補償電路、過流保護電路的高精度電源晶元TPS54310(圖中未畫出)。


⑥?按鍵控制電路和LCD顯示線路比較簡單這裡就不詳細介紹了。

4.系統的軟體設計


本系統軟體功能強大,其軟體系統涵蓋各種演算法的實現;字元、漢字、圖形的顯示;定時器、串列口、USB、外部中斷的響應;程式控制放大器、液晶顯示屏、系統時間的設置控制;通訊協議的實現;文件系統的存儲;內存管理等。


系統軟體主要實現的功能如下:


(1)?AD傳送來的數字信號通過FFT變換,將時域信號變換為頻域信號,進而得到振動信號的頻譜圖。


(2)?系統軟體採用BP神經網路的診斷方法對信號進行智能診斷[6]。把能反映振動信號特徵的信息作為神經網路的輸入,把故障位置、故障類型和嚴重程度等診斷結論作為網路的輸出,用BP演算法對網路進行訓練[7],然後用這一神經網路對實際的軸承解調信號進行自動診斷,報告故障。


(3)?解調波的各分量以及故障位置、故障類型、嚴重程度和軸承號等數據通過大屏幕LCD顯示,便於人工輔助判斷。


(4)?鍵盤具有功能快捷鍵、英文及數字鍵支持人工數據錄入與交互。操作過程中可以通過按鍵設置系統的參數、功能,控制採樣長度等等。


(5)?所有測量數據被有效保存,便於數據管理。系統可將測量數據上傳到上位機中存儲和進行進一步的故障分析,同時也可下載上位機中軸承庫的軸承具體型號參數及其特徵頻率等相關信息。


圖5.系統軟體功能圖

5.結束語


傳統的振動診斷儀一般都是對振動的有效值、最大幅值、峭度等時域特徵信息進行判斷而診斷故障的,診斷方式簡單,信號處理十分粗糙、可信度低。本系統是利用BP神經網路對故障進行診斷的,實現了診斷的智能化,提升診斷速度和診斷精度。另外本系統是採用硬體共振解調技術來實現振動信號分析以及故障診斷的,它比用軟體實現共振解調技術的好處是在故障形成的初期,衝擊故障信號較弱時就可以對故障進行成功的診斷,這樣就可以對早期故障設備進行重點監視,同時也有充裕的時間採購替換件。因此本系統在工程中擁有很廣闊的應用空間。


本文作者創新點:本文利用DSP系統高速信號處理的性能,實現了滾動軸承的實時智能診斷。採用硬體共振解調技術,避免了軟體共振解調技術帶來的早期故障難以發現的不足,能夠廣泛應用於中小設備的滾動軸承故障診斷。

參考文獻


[1]?陳進.機械設備振動監測與故障診斷[M].上海:上海交通大學出版社,1999.1-2


[2]?張曉光,周寧,丁余泉.基於DSP的CMOS圖像採集系統設計[J].微計算機信息,2007,9-2:193-196


[3]?梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷—理論、方法、系統[M].北京:機械工業出版社,1996.29-31


[4]?梅宏斌,閻明印,楊叔子.滾動軸承故障診斷的高頻共振法[J].機械設計與製造,1992,(2),12-16.


[5]?高立新,王大鵬,劉保華等.軸承故障診斷中共振解調技術的應用研究[J].北京工業大學學報,2007,?(1).1-5


[6]?王平.滾動軸承故障在線智能診斷儀[J].軸承,2003,(9).35-38[4]

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