嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置

摘要

嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置，由嵌入式工控计算机主板、信号调理器和信号同步采集器组成，信号调理器的输出端连于信号同步采集器的模拟输入端，信号同步采集器的数字量输出端与信号调理器的AC/DC选择输入端连接，其他数字量输出端S1～S3与信号调理器地址选择输入端连接，信号同步采集器3的数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，计算机主板上的嵌入式计算机数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，在计算机上连接有固态电子盘，固态电子盘用于存放嵌入式操作系统、数据采集软件、诊断软件以及机械设备状态数据。本发明能够实现远程维护、升级。

说明书

                          技术领域

本发明涉及一种机械设备运行状况的监控及故障诊断设备，尤其涉及一种嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置，属于机械设备状态监测与故障诊断领域。

                          技术背景

随着科技的进步和经济的全球化，现代企业的生产规模越来越庞大，相应的生产设备也愈益向着大型化、高速化、自动化方向发展，设备的功能越来越复杂，相互之间的影响也越来越大，对设备的运行状态进行准确的判别和预测，对出现异常的设备进行及时地诊断和处理，已成为安全生产和保证企业经济效益的关键措施。然而，由于设备结构和功能的高度复杂性，单纯依靠设备使用及维护人员解决设备运行过程中出现的问题已变得越来越困难，当设备出现异常时，往往需要设备的设计、制造、安装、使用及维护工程师共同参与来获得设备出现异常的原因和解决措施，这不仅使得对设备运行状态的判别或诊断难以及时进行，而且极大地增加了设备制造商的产品服务费用和设备使用商的维护费用。为了解决上述问题，一种方法是建立设备远程状态监控与故障诊断系统，为设备生产商和设备使用商提供一个交互的远程协同故障诊断平台；另一方法是，利用嵌入式技术提高设备自身的智能化水平，设计制造具有自监测、自诊断能力的智能化机械设备。对于前一方法，随着信息技术、计算机网络技术的飞速发展，尤其是Internet技术和Web的广泛普及，其实现已不存在技术上的瓶颈。国内外已有许多大学和研究机构对其进行了研究，并取得了一定的研究成果，这其中最具吸引力的无疑是面向Internet/Web、基于多代理技术的远程分布式故障诊断理论与方法的研究，一些研究者已开发出了基于多代理技术的远程协同故障诊断原型系统。对后一方法，目前还只是停留在设备状态异常或正常的简单判别，以及一些具有明确因果关系的简单故障的诊断，对于复杂、大型设备的机械故障进行嵌入式智能诊断目前尚无有效的方法。究其原因，一方面，在于嵌入式系统要求具有较强的实时性、高度的可靠性和较高集成度，要求几乎无需人工干预即能自主运行，同时，嵌入式系统体积小，可供用户调度和使用的资源有限，而目前所提出的智能化故障诊断理论与方法并没有考虑到这些应用要求，难以集成到嵌入式系统之中；另一方面，由于机械设备零部件之间的高度耦合，机械故障具有随机性、模糊性的特点，故障现象与故障原因之间不存在简单的一一对应关系，即使是同型号的设备，由于装配及工作条件的不同，其工况状态及故障模式也往往存在差异，这样就要求嵌入式监控及诊断系统在运行过程中必须能够根据设备运行条件的改变，自适应地调节自身的功能来保证监控及诊断的准确性，这一点，恰恰也是目前智能故障诊断理论不足之所在。

现有机械设备状态监测与故障诊断装置主要分为三大类：一是以监测仪表为主体的状态监测与报警装置，此类装置可以在线监测设备的振动以及温度、压力、流量等信息，并根据人工设定的报警门限对异常的监测参数作出报警提示直至联锁停车，其缺点是缺乏对故障的分析诊断能力；二是以便携式仪器或便携式计算机为主的故障分析仪器，主要提供常见的信号处理与故障分析方法，如频谱分析、波形分析、轴心轨迹分析等，此类装置主要用于设备状态的巡检，其缺点是不能完整记录设备运行的状态信息，缺乏预防突发故障的能力；三是以工业控制计算机为主体的在线状态监测与故障诊断装置，此类装置将前两类装置的功能融为一体，并且由于计算机技术的采用，可以实现面向企业内部网甚至面向Internet的远程状态监测与故障分析、诊断。因此，此类装置已成为目前故障诊断领域研究和开发的重点，但此类装置的维护与升级复杂，迄今尚不具备远程系统维护和升级的能力，而且费用昂贵。

                        技术内容

本发明提供一种能够实施远程维护、升级的用于机械设备状态检测的嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置。

本发明即一种用于机械设备状态检测的嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置，由嵌入式工控计算机主板1、信号调理器2和信号同步采集器3组成，包含振动传感信号在内的模拟信号由信号调理器2的输入端Ain输入，信号调理器2的输出端Aout连于信号同步采集器3的模拟输入端Analogin，包含转速传感信号在内的脉冲信号由信号同步采集器3的脉冲信号输入端SP输入，包括开关状态在内的数字信号由信号同步采集器3的数字量输入输出端DIO输入，信号同步采集器3的数字量输出端S0与信号调理器2的AC/DC选择输入端AC/DCSEL连接，信号同步采集器3的其他数字量输出端S1～S3与信号调理器2的地址选择输入端ADDRSEL连接，计算机主板1包括嵌入式计算机CPU，信号同步采集器3的数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，嵌入式计算机CPU的数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，在嵌入式计算机CPU上连接有固态电子盘11，固态电子盘11用于存放嵌入式操作系统、数据采集软件、诊断软件以及机械设备状态数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用嵌入式计算机与DSP构成主从式系统，嵌入式计算机通过保存于固态电子盘中的嵌入式Linux操作系统实现嵌入式网络服务，并具有远程软件升级、系统维护能力；信号同步采集器(2)的DSP软件采用动态装载设计技术，系统运行时由嵌入式计算机将保存于其固态电子盘(11)的DSP工作程序下装至信号同步采集器(2)的程序/数据RAM(36)中供信号同步采集器(2)运行。从而可以实现由嵌入式计算机动态更改信号同步采集器(2)的工作程序，调整信号同步采集器的功能，提高了系统的柔性，而且通过嵌入式计算机提供的网络接口可以方便地实现系统远程维护、升级的要求。

2、通过在系统可编程逻辑器件(32)将传统的需要十多片集成芯片才能实现的复杂逻辑功能集中于一片器件中，确保了装置小型化和嵌入式，使之能够与设备融为一体，实现机械设备的信息化、智能化，并可实现设备全寿命周期的状态监控与诊断。

3、保存于嵌入式计算机配置的固态电子盘11中的诊断软件由嵌入式计算机调用执行，嵌入式计算机首先将信号同步采集器2获取的振动幅值、各分频幅值及峭度系数等特征量与各自的正常工作值进行对比，识别设备状态正常还是异常，若各特征量超出正常工作范围，则提示设备异常并报警，然后，启动故障诊断软件模块对当前设备异常的原因进行诊断。故障诊断软件模块根据设备时域、频域等振动特征值与设备相应故障类别之间的对应关系，运用模糊基函数人工神经网络技术自动进行故障分类，获取设备出现异常的原因。该故障诊断软件通过嵌入式代理和移动代理技术实现，嵌入式代理是用于嵌入式系统的软件代理，而移动代理软件可以在网络环境下自动“迁移”到相应的目标主机上运行。利用软件代理的特点，本故障诊断软件可以通过嵌入式计算机提供的网络接口由局域网或Internet与远程故障诊断中心自动交互诊断信息，实现协同诊断，并且可以通过代码移动，实现装置诊断软件的更新和升级。

4、完善的信号监测能力，可以直接对转速以及常见的电涡流振动位移、磁电式振动速度以及压电式振动加速度信号进行检测，也可以检测缓变信号(如温度、压力、流量等)和开关量信号。对常用的ICP型压电式加速度传感器，本装置可提供内嵌的供电电源。

5、装置具有16位可编程数字输入/输出通道、1路转速输入、16路模拟信号输入通道，其中模拟信号输入通道可根据应用需要扩展至256通道。

6、以DSP为核心的16通道信号同步采集模块可根据测量的转速实现16通道模拟信号同步整周期采集，采集频率每通道高达75KHz。此外，16通道信号同步采集模块具有内触发与外触发采样功能，其外触发采样功能可以保证多块16通道信号同步采集模块同时使用，实现更多通道(如32、48等)的同步采样。

7、16通道信号同步采集模块内嵌128K字程序存储器、128K字数据缓充存储器、1M字节的串行非易失性存储器，确保设备异常停机时可以实现“黑匣子”功能。

8、装置具有硬件自检能力，可在线检测端口及传感器状态，以保证系统功能正常。

                        附图说明

图1是本发明电路框图。

图2是信号同步采集器的原理框图。

图3是信号调理器的原理框图。

图4是抗混滤波器的原理框图。

图5是可编程逻辑器件功能框图。

图6是信号调理单元电路图。

图7是信号同步采集器主电路图。

图8是信号同步采集器模拟信号缓冲单元(16通道)电路。

图9是信号同步采集器A/D转换器电路(16通道)。

图10是信号同步采集器存储器电路。

图11是信号同步采集器DSP电路。

图12是信号同步采集器可编程逻辑器件电路(a)。

图13是信号同步采集器PC总线接口及可编程逻辑器件电路(b)。

图14是信号同步采集器电源及信号输入输出接口电路。

图1 5是嵌入式计算机系统监控、诊断软件工作流程。

                    具体实施方案

实施例1：

本实施例是一种用于机械设备状态检测的嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置，由嵌入式工控计算机主板1、信号调理器2和信号同步采集器3组成，包含振动传感信号在内的模拟信号由信号调理器2的输入端Ain输入，信号调理器2的输出端Aout连于信号同步采集器3的模拟输入端AnalogIn，包含转速传感信号在内的脉冲信号由信号同步采集器3的脉冲信号输入端SP输入，包括开关状态在内的数字信号由信号同步采集器3的数字量输入输出端DIO输入，信号同步采集器3的数字量输出端S0与信号调理器2的AC/DC选择输入端AC/DC SEL连接，信号同步采集器3的其他数字量输出端S1～S4与信号调理器2的地址选择输入端ADDRSEL连接，计算机主板1包括嵌入式计算机CPU，在嵌入式计算机CPU上连接有固态电子盘11，信号同步采集器3的数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，嵌入式计算机CPU的数据线和地址线分别与PC总线的数据线和地址线连接，信号同步采集器3至少包括2个信号同步采集单元，该信号同步采集单元由数字信号处理器31、系统可编程逻辑芯片32、模拟信号缓冲单元33组成，模拟信号缓冲单元33的输出端与A/D转换器34的输入端连接，A/D转换器34的数据线D0～D13分别与数字信号处理器31的内部总线311的数据端连接，在数字信号处理器31的内部总线311上连接有数据RAM35、程序/数据REM36和数据闪存37，数据RAM35的数据端D0～D15和地址端A0～A15分别与数字信号处理器31的内部总线311连接，程序/数据REM36的数据端D0～D15和地址端A0～A15分别与数字信号处理器31的内部总线311连接，程序/数据RAM36的芯片选择端CS1与数字信号处理器31的程序存储器选择端PS连接，数据闪存37的串行外围接口SPI与数字信号处理器31的多通道缓冲串口McBSP连接，系统可编程逻辑芯片32接受来自编程口JTAG1的编程代码后，使其产生采样脉冲产生电路321、端口译码控制逻辑322、HPI接口逻辑323、分频电路324和可编程数字输入输出口325。可编程数字输入输出口325的数据端D0～D15与数字信号处理器31的内部总线连接，可编程数字输入输出口325的读写控制端与端口译码控制逻辑322的读写控制端I/ORD/WR连接，端口译码控制逻辑322的数据端D0～D15和地址端A0～A15分别与数字信号处理器31的内部总线311连接，端口译码控制逻辑322的芯片选择端和写信号端分别与数据RAM35的芯片选择端RAMCS和数据RAM35的写信号端MWR、程序/数据RAM36的写信号端连接，端口译码控制逻辑322的AD中断信号端ADINT与数字信号处理器31的终端输入端INT0连接，端口译码控制逻辑322的输入输出和存储器读写控制端IO/MEM CTRL分别与数字信号处理器31的输入输出和存储器读写控制端IO/MEM CTRL连接，数字信号处理器31的终端输入端INT1与分频电路324的输出端连接，包括转速传感信号在内的脉冲信号经脉冲整形后作为分频电路324的输入信号，数字信号处理器31的复位端RESET与HPI接口逻辑323的复位控制端DSPRST连接，数字信号处理器31的主机接口与HPI接口逻辑323的主机接口总线HPIBUS连接，HPI接口逻辑323的PC总线接口PCBUS与PC总线连接，数字信号处理器31的零输出端TOUT0与采样脉冲产生电路321的时钟输入端CLKIN连接，采样脉冲产生电路321的触发脉冲选择端Select与端口译码控制逻辑322的触发脉冲选择端连接，采样脉冲产生电路321的启动端Start与AD转换器340启动转换端CONVST连接，在采样脉冲产生电路321上设置外部触发输入端TRIGCLK。上述数字信号处理器31采用TMS320VC5402芯片。系统可编程逻辑芯片32采用XC95144XL芯片，通过其上的JTAG口对其逻辑功能进行编程，使该芯片由DSP HPI接口与PC总线的接口逻辑、DSP端口译码及控制逻辑、A/D采样脉冲产生电路、脉冲分频电路、以及可编程数字量输入输出DIO端口逻辑组成。模拟信号缓冲单元采用运算放大器构成的跟随器进行模拟输入信号的缓冲，A/D转换器34采用4通道同步采样的AD7865芯片，数据RAM35以及程序/数据RAM36均采用IS61LV12816芯片，数据闪存37采用AT45DB081B，用于实现最近24小时以内设备历史数据记录的非易失保存(掉电不丢失数据)。信号调理器2包括交直流分离器21，包含振动传感信号在内的模拟信号经交直流分离器21进行交直流分离后，交流分量信号再经信号放大器放大、低通滤波器滤波后输出，该交流输出信号经电子开关S1后输至信号调理器2的输出端，经交直流分离器21进行交直流分离后的直流分量信号经信号衰减后输出，该直流输出信号经电子开关S2后也输至信号调理器2的输出端，电子开关S1和S2受控于输出控制器22，该输出控制器22由地址比较器221、非门222及与非门223和224组成，地址比较器221以信号同步采集器3的数字量输出端S1～S4的输出信号和信号调理器2的地址码信号作为其输入信号，其输出端与与非门223和224的一个输入端连接，非门222的输入端作为信号调理器2的AC/DC选择端并与与非门223的另一输入端连接，非门222的输出端与与非门224的另一输入端连接，与非门223和224的输出端分别与电子开关S1和S2的控制端连接，上述交直流分离器21由电阻、电容构成的高通(交流信号提取)及低通滤波器(直流信号提取)实现，交流信号放大及低通滤波器采用运算放大器及电阻、电容构成的有源滤波电路实现。在信号调理器2与信号同步采集器3之间设有抗混叠滤波器4，信号调理器2的输出端Aout与抗混叠滤波器4的输入端In连接，抗混叠滤波器的输出端Out与信号同步采集器3的输入端AnalogIn连接，信号同步采集器3内的系统可编程逻辑芯片320的时钟输出端与抗混叠滤波器4的时钟输入端CLKIN连接，上述抗混叠滤波器4采用开关电容滤波器TLC04实现，用于保证经A/D采集的信号不发生频率混叠。

实施例2：    

本实施例是一种用于机械设备状态检测的16通道嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置，由嵌入式工控计算机主板1、16通道信号调理器和16通道信号同步采集器(图7～图14)组成，包含振动传感信号在内的16通道模拟信号分别由16通道信号调理单元的输入端Ain输入，16通道信号调理单元的16个输出端Aout分别连于16通道信号同步采集器的模拟输入端SigIn[0..15](图7)，包含转速传感信号在内的脉冲信号由16通道信号同步采集器的脉冲信号输入端J3输入(图13)，包括开关状态在内的数字信号由16通道信号同步采集器的数字量输入输出端IO[0..15]输入(图7)，16通道信号同步采集器的8位数字量输出端S[0..7]的S0～S4信号与16通道信号调理器的S0～S4连接，其中S0作为AC/DC选择输入(AC/DC SEL)，S1～S4作为16通道信号调理器的地址选择输入(ADDRSEL)。嵌入式工控计算机主板1的构成与实施例1相同。16通道信号调理器由16个信号调理单元(图6)并列构成，每个信号调理单元有独立的交直流分离器，交流信号放大器、低通滤波器、直流信号衰减器以及独立的电子开关S1和S2控制交流或直流信号输出，所有16通道的电子开关S1统一由与非门223的输出控制，S2统一由与非门224的输出控制，保证16个通道同时输出交流或直流信号。在16通道信号调理器与16通道信号同步采集器之间设有由实施例1中的16个抗混滤波单元并列构成的16通道抗混叠滤波器，16通道信号调理器的16个输出端Aout分别与16通道抗混叠滤波器的16个输入端In连接，16通道抗混叠滤波器的16个输出端Out与16通道信号同步采集器的16个输入端SigIn[0..15]连接。16个抗混滤波单元的时钟输入端CLKIN连于一起与16通道信号同步采集器内的系统可编程逻辑芯片320的时钟输出端连接。16通道信号同步采集器(图7～图14)由16通道模拟输入缓冲器(图8)、4片4通道同步采样A/D芯片AD7865AS-1构成的16通道A/D转换器(图9)以及实施例1中的其它电路单元如数字信号处理器(图11)、数据存储器(图10)、程序/数据存储器(图10)、可编程逻辑器件(图12、图13)以及电源和输入输出端口电路(图14)等组成。

本发明装置的工作原理如下：

系统上电开机后，嵌入式计算机1首先启动固态电子盘11上定制的嵌入式Linux操作系统，完成计算机系统的硬件检测和系统初始化，然后自动运行存储于固态电子盘11中的用户应用软件。用户应用软件包含两个线程：数据获取、存储及诊断线程以及网络通信与网络服务线程。

其中数据获取、存储及诊断线程首先通过嵌入式计算机主板1与信号同步采集器2间的PC总线接口将信号同步采集器2的工作程序及其工作状态参数(如：采样频率、各特征量报警阈值等)传入信号同步采集器的程序/数据RAM36。信号同步采集器2根据接收并存储到程序/数据RAM36中的工作程序和工作参数进行数据采集及信号分析。当设备工作正常时，数据获取、存储及诊断线程按照预先设定的时间间隔获取并保存信号同步采集器2采集的数据和相应的分析结果；在设备工作出现异常状况时，信号同步采集器(2)通过HPI中断嵌入式计算机的正常执行流程，嵌入式计算机进行异常数据处理及存储，并对设备出现异常的原因进行分析和诊断。

网络通信与网络服务线程为本发明装置提供与外部世界的接口，通过该线程，本发明装置可以在设备出现异常并通过本机内嵌的诊断模块得到诊断结论后自动向本地或远程监控、诊断中心(计算机)发出诊断结论，在本机内嵌诊断模块不能完成当前诊断任务的情况下自动向本地或远程监控、诊断中心提出诊断请求，发送设备当前的状态信息并获取远程监控、诊断中心返回的诊断方法及诊断结论，存储于本地数据库供以后使用，以提高本装置自身的诊断能力。本地或远程监控、诊断中心也可通过本线程，获取设备状态及相关历史记录，并对本发明装置进行配置、维护，远程更新DSP系统软件、设定数据采集、存储方式。

整个发明装置的软件工作流程包括两部分：

嵌入式计算机系统软件工作流程

DSP系统软件工作流程

其中嵌入式计算机系统软件工作流程又分为两大模块，即正常的监控、诊断模块以及网络通信、远程维护模块。图15为嵌入式计算机系统监控、诊断软件的工作流程。

在图15中：

Linux操作系统启动后自动运行用户应用软件，对本发明装置进行初始化和相关工作方式的设置，然后由用户应用软件的数据获取、存储及诊断线程以及网络通信与网络服务线程共同控制整个装置的运行。两个线程按照Linux操作系统分配的时间片交替、准并行地运行，前者负责获取设备的状态信息(原始采样数据以及经DSP系统分析的特征数据)，在设备正常运行情形下，按照设定的时间间隔保存设备的历史运行记录，在设备异常情形下保存设备报警记录并自动启动诊断模块进行诊断，当本机内嵌的诊断模块成功诊断后，自动通过网络通信与网络服务线程向本地或远程监控诊断中心报告诊断结论；当本机内嵌的诊断模块不能作出有效诊断时，自动通过网络通信与网络服务线程向本地或远程监控诊断中心提出协同诊断请求。

网络通信与网络服务线程负责发出本机诊断结论或协同诊断请求，并负责接受本地或远程监控、诊断中心返回的返回的诊断策略及诊断结论保存至本地数据库供诊断模块以后调用。因此，在以后再次遇到类似故障时，本发明装置可根据数据库保存诊断策略和结论直接得到相应的诊断结果，而不必再次请求诊断中心诊断。这样，有效地提高了发明装置自身的诊断能力。

DSP系统软件工作流程如下：TMS320VC5402 DSP上电首先运行自身内嵌的Bootloader程序，装载用户工作程序，由于DSP自身内嵌的Bootloader只提供将用户工作程序装载入其内部程序RAM的功能，而TMS320VC5402内部的程序RAM最大容量只有16K字，不能完全容纳本发明装置DSP部分的工作程序，因此设计了用户Bootloader程序，用于将用户工作程序转载至TMS320VC5402外部程序RAM运行。

本发明装置的DSP用户工作程序运行后，首先检测硬件是否正常并初始化采样控制参数，然后进行转速与开关量采集，直接根据设备起停开关或将测得的转速与设备正常工作转速对比判断设备是否处于起停状态，设定停机标志，以控制黑匣子数据保存。然后根据转速设定整周期采样频率、设置抗混滤波时钟，进行振动、非振动数据采集，提取时域、频域信号特征用于状态识别。

若设备状态出现报警或处于停机，则启动黑匣子数据保存，并向嵌入式计算机提出中断请求，发送异常数据至嵌入式计算机供进一步处理，否则将相关数据存入缓冲存储区，供嵌入式计算机读取。