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
基于LabVIEW的輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
摘 要
輸油泵機(jī)組在長距離輸油管道中有著重要作用，實(shí)現(xiàn)輸油泵的在線監(jiān)測(cè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以LabVIEW為工具開發(fā)在線輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)輸油泵結(jié)構(gòu)及其工作原理的研究，搭建輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。通過對(duì)輸油泵故障機(jī)理的研究，利用LabVIEW建立軟件系統(tǒng)即時(shí)對(duì)信號(hào)分析處理來實(shí)現(xiàn)輸油泵在線監(jiān)測(cè)。
本文將在以下幾個(gè)方面對(duì)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做出研究：
1、輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 ：通過對(duì)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(jī)理。
2、監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，主要為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選型及對(duì)不同種信號(hào)的采集硬件
3、信號(hào)采集與分析：進(jìn)行信號(hào)采集原件的選型如各種傳感器，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，頻域分析，小波分析。
4、監(jiān)測(cè)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(hào)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(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：輸油泵; LabVIEW ;監(jiān)測(cè)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(shì) 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(cè)硬件系統(tǒng)的搭建 7
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.2 輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
3.3 硬件系統(tǒng)的選型 9
4 輸油泵信號(hào)分析技術(shù) 10
4.1 時(shí)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(yùn)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的研發(fā) 13
5.1 軟件設(shè)計(jì)的原則與依據(jù) 13
5.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
5.3 功能模塊設(shè)計(jì) 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(dòng)化程度越來越高以及各個(gè)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(shè)備故障而無法即時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，就會(huì)嚴(yán)重威脅到石油加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而會(huì)造成極大的損失[1]。而傳統(tǒng)的人工巡檢的監(jiān)測(cè)監(jiān)查方式由于弊端很多，因此需要一種實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性和高效率的輸油泵監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，通過機(jī)械部件外在表現(xiàn)，以信號(hào)方式對(duì)其經(jīng)過處理分析來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。所以開發(fā)以LabVIEW為平臺(tái)的輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.1 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
國內(nèi)對(duì)泵的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究起步較晚，是從上世紀(jì)80年代開始的。但從1985年以后，由于中國設(shè)備管理協(xié)會(huì)設(shè)備診斷委員會(huì)，中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)機(jī)械故障診斷分會(huì)和中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)備維修分會(huì)等機(jī)構(gòu)的大力推動(dòng)，全國多次召開了全國性的故障診斷學(xué)術(shù)會(huì)議，極大的推動(dòng)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(jià)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(duì)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(gè)方面：一、對(duì)設(shè)備狀態(tài)特征信號(hào)的檢測(cè)，二、對(duì)檢測(cè)到的特征信號(hào)進(jìn)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(gè)世紀(jì)60年代，距今已有50多年的歷史。隨著科學(xué)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(dá)工業(yè)國家，泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)用化。下面介紹國外對(duì)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(gè)階段，對(duì)于泵故障診斷多采用快速傅里葉變換的方法，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得出的結(jié)果與實(shí)際相比較來對(duì)故障進(jìn)行判斷，因此，各種常用的頻譜儀的發(fā)明紛紛問世，一時(shí)間通過頻譜儀檢測(cè)油泵振動(dòng)信號(hào)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(dāng)傳感器采集到振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過放大傳送給頻譜儀進(jìn)行分析時(shí)，由于實(shí)際信號(hào)中常?；煊性胍?，因此信號(hào)特征表現(xiàn)并不明顯，或者在分析中找不到故障信號(hào)，這在對(duì)微小故障引起的振動(dòng)信號(hào)很難預(yù)測(cè)。
第二階段：利用沖擊脈沖技術(shù)診斷泵故障。這個(gè)階段對(duì)于泵故障診斷技術(shù)有了較大的提高和進(jìn)步，主要方法為通過使用沖擊脈沖計(jì)對(duì)泵軸承表面進(jìn)行沖擊脈沖幅值測(cè)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(cè)量方法在對(duì)軸承測(cè)得到的特征值可以很好地評(píng)價(jià)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(jìn)行頻譜分析，并且可以有效地檢測(cè)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(dá)國家所采用[6]。隨著這一項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研發(fā)，產(chǎn)品也在不斷更新，如今SPM不僅可以監(jiān)測(cè)軸承損傷故障，也應(yīng)用到對(duì)油膜潤滑及厚度的測(cè)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(duì)軸承的檢測(cè)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(duì)信號(hào)的分離和提取上的特殊作用，因此，對(duì)于故障信號(hào)的檢測(cè)具有很好的效果。通過包絡(luò)頻譜分析出的結(jié)果，判斷故障發(fā)生的具體部位，對(duì)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(yīng)用。共振解調(diào)技術(shù)與SPM相比，相當(dāng)于在SPM的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，不僅可以檢測(cè)出故障信息，更能具體定位出故障源，對(duì)于泵軸承損傷檢測(cè)屬于精密診斷方法[7]。
第四階段：利用計(jì)算機(jī)開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測(cè)于故障診斷系統(tǒng)[8]。隨著科技的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的日新月異，20世紀(jì)80年代以后，利用計(jì)算機(jī)開發(fā)出泵監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)時(shí)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(yīng)用在鍋爐給水泵組的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)和故障診斷上。其系統(tǒng)包含參數(shù)監(jiān)測(cè)，長期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通訊，故障診斷和維修計(jì)劃等模塊。1992年，自動(dòng)式振動(dòng)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(xué)公司，以及美國以專門從事振動(dòng)咨詢的斯韋公司聯(lián)合推出。該系統(tǒng)采用三級(jí)推理，可診斷泵的內(nèi)部摩擦，不對(duì)中，不平衡和共振等故障[9]。如美國的本特利·內(nèi)達(dá)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(cè)出給水泵和往復(fù)式泵是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件松動(dòng)，轉(zhuǎn)子彎曲等現(xiàn)象及泵的摩擦程度，軸裂紋和由油膜導(dǎo)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(cè)控系統(tǒng)，工業(yè)檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。主要研究內(nèi)容為以下幾項(xiàng)：
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(jìn)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(dòng)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(shí)活塞彈簧被壓縮[11]。當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)過滾輪后，彈簧的彈力使活塞上行，此時(shí)，止回閥和開啟，而另外兩個(gè)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(shí)，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(cè)系統(tǒng)研究：輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的是信號(hào)的采集和信號(hào)的分析處理[13]。信號(hào)采集主要是對(duì)于輸油泵關(guān)鍵部位的溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)及位移信號(hào)的采集。信號(hào)的分析處理主要經(jīng)過計(jì)算機(jī)和一些相關(guān)信號(hào)處理硬件和軟件實(shí)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(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)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(gè)完成任何編程任務(wù)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(chǔ)等等?
LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)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(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制[19]。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。
4、輸油泵在LabVIEW平臺(tái)下的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hào)采集使用傳感器采集溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)傳輸輸送至信號(hào)處理裝置[20]。經(jīng)過處理分析的信號(hào)可以進(jìn)行狀態(tài)分析與故障診斷，再進(jìn)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(jí)單吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有單級(jí)雙吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有兩級(jí)單吸兩端支承式結(jié)構(gòu)，有兩級(jí)雙吸的兩端支承式結(jié)構(gòu)，還有多級(jí)分段式等多種結(jié)構(gòu)形式。輸油泵實(shí)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(diǎn)：
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(jìn)而造成泵軸的移位而影響泵的正常運(yùn)行，所以有時(shí)需要輸送一些高溫油類時(shí)，需要在泵底安裝定位滑道以保障泵的正常運(yùn)行。
填料箱、軸承、支座都需要使用冷卻機(jī)構(gòu)。
油類易燃，必須使用防暴電機(jī)，這樣可以十分有效地避免產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。
2.2 輸油泵的工作原理
輸油泵工作原理：油泵啟動(dòng)前先在泵殼內(nèi)灌滿油（或泵殼內(nèi)自身存有油）。啟動(dòng)后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的油流向渦殼，這時(shí)入口形成真空，使進(jìn)油逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進(jìn)入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達(dá)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(dòng)。然后與右回油孔流來的油匯合，順著蝸殼流動(dòng)。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(qiáng)烈攪拌混合，生成氣油混合物，并不斷地流動(dòng)致使氣油不能分離?；旌衔镌谖仛こ隹诒粍冸x，沿短管進(jìn)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(fù)循環(huán)，逐漸將吸入管路中的空氣排盡，使油進(jìn)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(shí)間內(nèi)輸送的油量?常用單位有L/S?
2、揚(yáng)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(yáng)程是油的重力勢(shì)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(shí)將離心式輸油泵揚(yáng)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(dòng)機(jī)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(shí)間內(nèi)離心泵中流過的油在該段時(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)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(dá)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(huì)直接造成輸油泵的故障。常見的輸油泵軸承有滑動(dòng)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(duì)的嚴(yán)密，會(huì)有很多縫隙，一些沙礫、污垢等異物經(jīng)縫隙進(jìn)入，便會(huì)造成保持架、軸承滾道、滾動(dòng)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(dòng)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(yīng)力作用時(shí)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(dāng)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(huì)發(fā)生氧化進(jìn)而產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)會(huì)造成軸承的腐蝕。還有一些腐蝕方式會(huì)有些特殊，如：氧氣會(huì)對(duì)錫銻合金材料的軸承造成腐蝕、硫會(huì)對(duì)含銀和銅的軸瓦材料造成腐蝕、油會(huì)對(duì)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(cè)硬件系統(tǒng)的搭建
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無論在哪種虛擬測(cè)試系統(tǒng)，都是將硬件設(shè)備搭載到PC端平臺(tái)，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是由這個(gè)基本機(jī)構(gòu)組成：由傳感器從輸油泵采集基本信號(hào)，然后由傳感器傳至信號(hào)調(diào)理裝置。然后信號(hào)經(jīng)過硬件設(shè)備，再由PC端進(jìn)入應(yīng)用軟件進(jìn)行信號(hào)分析處理。如圖3.1。
信號(hào)調(diào)理裝置
輸油泵機(jī)組
傳感器
數(shù)據(jù)采集卡
PC
LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)
圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
3.2 輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
搭建輸油泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)首先要考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確性，準(zhǔn)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(jī)械的軸承座的振動(dòng)信號(hào)是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷最普遍使用的特征值。采集該信號(hào)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(dòng)信號(hào)后，壓電晶體在受到振動(dòng)的重物作用下產(chǎn)生電荷，且其產(chǎn)生的電荷量與振動(dòng)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(shí)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(gè)重要的考量指標(biāo)。而轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡可以通過轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的交流分量來確定。因?yàn)檗D(zhuǎn)軸工作時(shí)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以對(duì)轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量無法使用接觸測(cè)量的方式，由此我們可以選用電渦流傳感器，同樣對(duì)軸向位移信號(hào)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(yīng)，由磁場(chǎng)和電流的相互作用反映振動(dòng)變化。本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)信號(hào)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(hào)采集時(shí)，將一個(gè)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(hào)是方波，而方波的谷底恰好反映轉(zhuǎn)軸的實(shí)際軸向位移。電渦流傳感器實(shí)物圖如圖3.3。
圖3.3 電渦流傳感器
輸油泵機(jī)組設(shè)備狀態(tài)的另一個(gè)重要參數(shù)是軸承的溫度。軸承溫度信號(hào)采集常用熱電阻傳感器，常用的熱電阻是Pt100，即0度時(shí)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(yīng)，即不同溫度下電阻阻值的變化來改變電流從而測(cè)量溫度變化。熱電阻封裝有不銹鋼圓套筒形式和有機(jī)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(duì)于熱電阻信號(hào)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(shí)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(cè)系統(tǒng)共需要采集四個(gè)振動(dòng)信號(hào)，四個(gè)溫度信號(hào)和一個(gè)軸向位移信號(hào)。本文采用下列設(shè)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(jī)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(jì)算機(jī)
圖3.5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖
在輸油泵相對(duì)應(yīng)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(hào)經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理，傳導(dǎo)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(hào)分析技術(shù)
4.1 時(shí)域分析技術(shù)
時(shí)域分析
均值：描述信號(hào)的平均變化情況，代表信號(hào)的直流分量。
方差：描述信號(hào)相對(duì)于均值的波動(dòng)情況，反映信號(hào)的動(dòng)態(tài)分量。
波形指標(biāo)K＝有效值/絕對(duì)平均幅值。
峰值指標(biāo)C＝峰值/有效值。
脈沖指標(biāo)I＝峰值/絕對(duì)平均幅度。
裕度指標(biāo)L＝峰值/方根幅值。
時(shí)域分析可以對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行總體的定量分析，但無法做出準(zhǔn)確的定性分析，所以時(shí)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(jī)組是旋轉(zhuǎn)類機(jī)械的一種，輸油泵機(jī)組的頻率特征對(duì)與輸油泵機(jī)組故障分析具有十分重要的意義。
頻譜分析是將動(dòng)態(tài)信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果是以頻率為橫坐標(biāo)，以加速度或者振幅或者功率為縱坐標(biāo)的頻譜圖。頻譜分析是以傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉積分為基礎(chǔ)的。
周期信號(hào)的功率譜為其雙邊幅值頻譜的平方；非周期信號(hào)的功率譜為其幅值譜密度的平方。隨機(jī)信號(hào)屬于時(shí)域無限信號(hào)，其頻率和幅值為隨機(jī)變量。因而采用具有統(tǒng)計(jì)特性的功率譜估計(jì)進(jìn)行分析。
隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)為傅立葉變換偶對(duì)，為了方便，也可用在非負(fù)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(dāng)時(shí)因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上未被證實(shí)，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(jìn)超出當(dāng)時(shí)人們認(rèn)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(jìn)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(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，它可以通過對(duì)信號(hào)的分解來精確提取所需信號(hào)，進(jìn)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(yīng)用與理論相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)今的信號(hào)處理起到了非常重要的作用。尤其在工業(yè)實(shí)踐中，許多的信號(hào)都很隨機(jī)很不穩(wěn)定，依靠傳統(tǒng)傅立葉變換就無法進(jìn)行準(zhǔn)確有效地進(jìn)行信號(hào)分析，此時(shí)小波分析就呈現(xiàn)了它作為信號(hào)分析工具的優(yōu)勢(shì)。
小波變換與傳統(tǒng)的傅里葉變換和短時(shí)傅里葉的相同之處在于它們進(jìn)行信號(hào)的數(shù)學(xué)變換時(shí)采用的是相同的數(shù)學(xué)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(hào)方式?jīng)Q定了傅立葉變換中無法體現(xiàn)頻率隨時(shí)間的變化特性，而短時(shí)傅立葉變換在解決傅立葉變換的缺陷的同時(shí)，又造成了分辨率的無法“隨機(jī)應(yīng)變”。然而相對(duì)一個(gè)實(shí)際信號(hào)而言，低頻信號(hào)總是有比較長的周期，相對(duì)的高頻信號(hào)周期則較短。小波變換的基本小波函數(shù)為
（4.1）
相應(yīng)的積分小波變換為
（4.2）
盡管小波分析有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它的數(shù)學(xué)實(shí)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(fù)原始信號(hào)時(shí)，才是有價(jià)值的小波。為了重建原來的信號(hào)，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(jí)數(shù)會(huì)造成計(jì)算困難。于是Mallat提出了多分辨率信號(hào)分解的理論與算法。它不直接計(jì)算積分表達(dá)式，而是將信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)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(hào)，S經(jīng)過分解得到低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，再由低頻信號(hào)分解出更低頻信號(hào)和次高頻信號(hào)，再由新得到的低頻信號(hào)再分解，依此繼續(xù)。
信號(hào)可以被分解，同樣也可以被合成，由分解信號(hào)合成原信號(hào)的過程稱為小波重構(gòu)，數(shù)學(xué)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(shí)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(gè)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(shí)用）等幾個(gè)用于小波分析的子選板。
小波去噪
噪聲干擾對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說很難被避免，噪聲對(duì)系統(tǒng)性能和信號(hào)分析都會(huì)帶來極大的負(fù)面影響。雖然LabVIEW自帶濾波功能，但是經(jīng)典濾波方法的準(zhǔn)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(huì)削減正常信號(hào)。于是我們?cè)谛盘?hào)降噪中引進(jìn)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(hào)多分辨率分解與重構(gòu)算法，將原始信號(hào)進(jìn)行多級(jí)分解，不斷的對(duì)分解后的低頻信號(hào)進(jìn)行分解，當(dāng)分解的層級(jí)足夠多的時(shí)候，去除噪聲成分所占頻帶，然后將信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，這樣就在不影響所需信號(hào)的情況下完美達(dá)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(duì)信號(hào)分析具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
5 運(yùn)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的研發(fā)
5.1 軟件設(shè)計(jì)的原則與依據(jù)
軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。軟件是硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定功能的必要基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否取決于軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1、正確性
正確性是軟件設(shè)計(jì)最基本的要求，設(shè)計(jì)出的軟件要按照設(shè)計(jì)者的
意圖去實(shí)現(xiàn)既定的功能。
2、穩(wěn)定性
輸油油泵安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在一段時(shí)間內(nèi)不間斷對(duì)油泵狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(hù)性好實(shí)際工況復(fù)雜且多樣，因此系統(tǒng)的軟件也要進(jìn)行完善和升級(jí)，以滿足測(cè)量要求的目的。
4、開發(fā)難度低
實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5.1
頻譜分析
信號(hào)處理
信號(hào)采集
信息顯示
小波分析
時(shí)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(cè)系統(tǒng)前面板
輸油泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序框圖如圖5.3。
圖5.3 輸油泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序框圖
功能模塊：主要的功能模塊有信號(hào)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，信號(hào)采集模塊，信號(hào)顯示模塊和信號(hào)處理模塊。信號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)測(cè)點(diǎn)的配置方案，信號(hào)采集模塊主要完成信號(hào)的模擬輸入，信號(hào)顯示模塊則是以波形圖或者波形圖表的方式進(jìn)行信號(hào)的顯示，以完成后期的信號(hào)時(shí)域分析，信號(hào)處理模塊主要完成信號(hào)的頻域分析和小波分析。
5.3 功能模塊設(shè)計(jì)
1、信號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置
信號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置要完成信號(hào)測(cè)點(diǎn)的安排。本系統(tǒng)中將在油泵兩軸承和電機(jī)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(cè)位移信號(hào)。信號(hào)測(cè)點(diǎn)模擬見圖5.4。
圖5.4 信號(hào)測(cè)點(diǎn)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(gè)溫度傳感器和一個(gè)位移傳感器，電機(jī)的每一側(cè)軸承也安裝有一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)位移傳感器。在油泵軸上，安裝有一個(gè)位移傳感器用來監(jiān)測(cè)油泵軸的位移量，而電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝溫度傳感器用來監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度變化。
2、信號(hào)采集
采用USB總線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集模塊。
由傳感器采集的是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。本文中信號(hào)的采集采用模擬輸入的方式，模擬信號(hào)由DAQ采集助手采集。本文中采集卡為NI USB-9201模擬信號(hào)輸入，一共有八個(gè)通道，采樣率設(shè)置為2kHz，采樣長度為1k。振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)分別用兩個(gè)采集助手。因?yàn)榘藗€(gè)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(gè)，一個(gè)用于采集振動(dòng)和位移信號(hào)，另一個(gè)用于采集溫度信號(hào)。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(shè)置見圖5.6。
圖5.6 DAQ采集助手參數(shù)設(shè)置
在此界面里的通道設(shè)置里刪除不需要的通道，采樣模式設(shè)為連續(xù)采樣，待讀取采樣設(shè)置2k，采樣率設(shè)置為2kHz。
信號(hào)采集模塊還需要一個(gè)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(gè)條件結(jié)構(gòu)，外加一個(gè)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(hào)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(shí)，兩個(gè)DAQ采集助手分別開始模擬采集振動(dòng)位移信號(hào)和溫度信號(hào)，再次單擊采集按鈕則采集暫停。另一個(gè)退出按鈕則控制整個(gè)程序的起停，程序運(yùn)行之后，單擊退出按鈕則程序退出。
信號(hào)采集按鈕的程序框圖見圖5.8。
圖5.8 信號(hào)采集起始和結(jié)束的按鈕的程序框圖
將兩個(gè)采集助手放入一個(gè)條件結(jié)構(gòu)循環(huán)，由條件結(jié)構(gòu)引出一個(gè)控制按鈕控件，控制按鈕標(biāo)簽設(shè)置為“采集”。
信號(hào)采集模塊至此搭建完成。
3、采集信號(hào)顯示
信息顯示包括三部分，振動(dòng)信號(hào)的波形圖，位移信號(hào)的波形圖表和溫度信號(hào)的波形圖表。
振動(dòng)信號(hào)的波形圖前面板見圖5.9。
圖5.9 振動(dòng)信號(hào)的波形圖
由DAQ采集助手采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過波形圖顯示控件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的波形圖顯示。振動(dòng)信號(hào)波形圖輸出的程序框圖見圖5.10。
圖5.10 振動(dòng)信號(hào)波形圖程序框圖
位移信號(hào)波形圖表前面板為圖5.11。
圖5.11 位移信號(hào)波形圖表前面板
位移信號(hào)的顯示類似于振動(dòng)信號(hào)的顯示，但是位移信號(hào)采用波形圖表的方式顯示出來。對(duì)于實(shí)際分析來說，波形圖接收的是一個(gè)數(shù)組，是同時(shí)將要顯示的點(diǎn)顯示出來，而波形圖表接收的是一個(gè)數(shù)值，它在具有波形圖功能的同時(shí)，還可以進(jìn)行逐點(diǎn)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(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。
位移信號(hào)波形圖表程序框圖為圖5.12。
圖5.12 位移信號(hào)波形圖表程序框圖
位移信號(hào)的采集后的顯示程序和振動(dòng)信號(hào)的過程大體一致。
溫度信號(hào)波形圖表前面板如圖5.13。
圖5.13 溫度信號(hào)波形圖表前面板
因?yàn)椴杉盘?hào)中所采集的均是采集助手空采的正弦信號(hào)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行下溫度信號(hào)顯示的均為正弦波形。
溫度信號(hào)波形圖表程序框圖如圖5.14。
圖5.14 溫度信號(hào)波形圖表程序框圖
4、信號(hào)處理
信號(hào)處理模塊包括通道選擇、信號(hào)處理選擇和頻譜分析、小波分析。
通道選擇功能可以選擇對(duì)哪一個(gè)軸承進(jìn)行觀察分析，信號(hào)處理選擇可以選擇對(duì)信號(hào)進(jìn)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(xì)節(jié)和重構(gòu)信號(hào)，分解層數(shù)，濾除成分和基本小波的選擇。通過觀察細(xì)節(jié)和重構(gòu)信號(hào)可以弄清低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，分解層數(shù)決定信號(hào)分解的級(jí)數(shù)，并且可以了解分解后的信號(hào)特征和重構(gòu)信號(hào)特征，通過濾除成分可以清晰了解濾除的高頻新號(hào)特征?；拘〔ǖ倪x擇可以直觀觀察到各級(jí)母小波的信號(hào)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(dòng)信號(hào)。
信號(hào)處理選擇前面板見圖5.16。
圖5.16 信號(hào)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(xiàng)目，分析項(xiàng)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(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)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(yùn)用單擊選擇的方式選擇觀察細(xì)節(jié)操作或者重構(gòu)信號(hào)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(jí)信號(hào)特征，本文中設(shè)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(hào)中不同層級(jí)濾除的成分?；拘〔姘蹇梢赃x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(shí)的波形中，紅色的即為高頻信號(hào)，白色的為低頻信號(hào)。
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(hào)測(cè)點(diǎn)模擬和DAQ信號(hào)采集模擬實(shí)際的輸油泵監(jiān)測(cè)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(duì)輸油泵機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，了解和掌握設(shè)備在使用過程中的工作狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及其產(chǎn)生原因并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)極其有利于有效地管理和使用這些生產(chǎn)設(shè)備?；贚abVIEW平臺(tái)的輸油泵檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的方式，運(yùn)用多種分析方法，可以及時(shí)且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)輸油泵機(jī)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(shí)現(xiàn)了輸油泵的在線監(jiān)測(cè)功能。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的一次完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低成本和高性能的恰當(dāng)?shù)娜诤?。該系統(tǒng)優(yōu)越性顯而易見，系統(tǒng)開發(fā)過程也對(duì)我們今后發(fā)展提供了新鮮而又強(qiáng)大的動(dòng)力。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄1：外文翻譯
基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，測(cè)量和
太陽能光伏組件監(jiān)控平臺(tái)
摘要
該工作使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)太陽能光伏組件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。 已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)圖形程序來獲得太陽能光伏組件的效率和填充因子。 一個(gè)前面板設(shè)計(jì)，顯示所有采集的數(shù)據(jù)，如:電壓,電流，太陽輻射，環(huán)境溫度 溫度，濕度，電流與電壓和功率對(duì)電壓圖，這使得它非常有用對(duì)于了解太陽能光伏組件的性能。數(shù)據(jù)采集和對(duì)不同等級(jí)的太陽能電池板進(jìn)行監(jiān)控。該工具是實(shí)驗(yàn)室在不同太陽能光伏組件實(shí)驗(yàn)室中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：光伏 儀器 LabVIEW軟件 特點(diǎn) 傳感器
1 引言
太陽能可以是主要的電力來源，可以被光伏系統(tǒng)所利用。這顯示著它貢獻(xiàn)了可持續(xù)能源供應(yīng)。 由于這些優(yōu)點(diǎn)，太陽能已經(jīng)成為一種有吸引力的新興技術(shù)，維護(hù)方便，降低太陽能電池板成本，安裝簡(jiǎn)單，太陽能已經(jīng)成為一種有吸引力的新興技術(shù)。 有幾種監(jiān)測(cè)太陽能光伏系統(tǒng)的方法前正在用于獲取和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),也用于災(zāi)害管理系統(tǒng)。工作提供實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)，并開發(fā)監(jiān)測(cè)測(cè)量氣象參數(shù)的性能LabVIEW前面板。環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在較低的控制條件下進(jìn)行控制。該參考文獻(xiàn)作者 提供的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程太陽能光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)較少。 在本文[4,9-12]中，使用LabVIEW在太陽能模擬器中測(cè)量I-V和P-V特性。 它解釋了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)，以收集數(shù)據(jù)和評(píng)估電網(wǎng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的性能。光伏電池的輸出功率和能量依賴太陽輻射。我們提出了電子學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)為學(xué)生提供一個(gè)平臺(tái)，包括理論和實(shí)踐時(shí)儀器實(shí)驗(yàn)。研究人員[14]使用基于MATLAB的建模與仿真方案研究光伏陣列由于部分遮蔽而導(dǎo)致的非均勻絕緣.的I-V和P-V特性.
這項(xiàng)工作主要集中在測(cè)量參數(shù)上,如; 電壓，電流，溫度，太陽能輻射和濕度等具有太陽能光伏組件的實(shí)時(shí)特性。本研究的目的是開發(fā)一個(gè)平臺(tái)一個(gè)研究光伏組件實(shí)時(shí)性能的教育工具。 提出了基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)可以根據(jù)工程師的需要進(jìn)行擴(kuò)展，和研究。 這項(xiàng)工作是在不同的部分進(jìn)行的,從光伏電池的引進(jìn)開始; 第2節(jié)描述測(cè)量系統(tǒng); 第3節(jié)討論結(jié)果; 和第4節(jié)結(jié)論。
2 光伏電池I-V表征理論
PV電池可以與電流源并聯(lián)建模二極管。 當(dāng)沒有光存在以產(chǎn)生任何電流時(shí)，電池的行為像二極管。 隨著入射光強(qiáng)度的增加，光伏電池產(chǎn)生電流[14]。 在一個(gè)理想單元格，總電流'I'等于當(dāng)前產(chǎn)生的Iph通過由二極管電流ID減去的光電效應(yīng)，根據(jù)等式：
（1）
（2）
I1
跨分流電阻的漏電流
Io
反向飽和電流
Ph
光電流
V
二極管電壓（伏特）
K
玻爾茲曼常數(shù)
Q
電子充電
DAQ
數(shù)據(jù)采集單位
Vm
最大電壓（伏特）
Im
最大電流（Amp。）
Voc
開路電壓（Volt）
Isc
短路電流（Amp。）
R
分流電阻（歐姆）
Rs
系列電阻（歐姆）
N
理想因素
T
溫度（K）
FF
填充因子
Pmax
最大功率
Mp
最大功率電流
Vmp
最大功率電壓
SPV
太陽能光伏
Pt
太陽能電池的總電流
V
電壓（伏特）（V）
I
電流（A）
VI
虛擬儀器
2.1 短路電流（ISC）
短路電流ISC對(duì)應(yīng)于短路端子短路時(shí)的阻抗?fàn)顟B(tài)低電平等于0。
(3)
ISC發(fā)生在正向偏置掃描的開始處，是功率象限中的最大電流值。 對(duì)于理想的電池，這個(gè)最大電流值是產(chǎn)生的總電流太陽能電池通過光子激發(fā)。 ISC = IMAX =正向偏置的Iph。
2.2 開路電壓（VOC）
當(dāng)沒有電流通過電池時(shí)，產(chǎn)生開路電壓。
(4)
2.3 填充因子（FF）
填充因子（FF）本質(zhì)上是衡量質(zhì)量的量度太陽能電池。 通過比較最大功率來計(jì)算在開路時(shí)輸出的理論功率電壓和短路電流在一起。
(5)
典型填充因子范圍為0.5至0.82。 它通常以百分比表示.
2.4 效率（η）
(6)
P作為事件輻照度的乘積光，以瓦特/ m2測(cè)量，具有太陽能電池的表面積（M2）。 Pout是太陽能電池的電輸出。
3 擬設(shè)的系統(tǒng)
3.1 框圖
圖1示出了開發(fā)的系統(tǒng)的塊表示。獨(dú)立的太陽能光伏組件在開放的環(huán)境條件下保持在外面。 數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換NI DAQ模塊和LabVIEW軟件。 NI DAQ可以處理信號(hào)高達(dá)11 V，幾毫安。將太陽能光伏組件的電壓和電流信號(hào)保持在輸入的安全范圍內(nèi)到DAQ，開發(fā)了用作信號(hào)調(diào)理的電路單元。然后這些信號(hào)由DAQ單元處理。LabVIEW的該系統(tǒng)使用軟件將NI DAQ與計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。LabVIEW的軟件由一個(gè)功能工具庫組成。 功能工具是a部分實(shí)時(shí)模擬。 DAQ卡提供模擬輸入數(shù)字形式，轉(zhuǎn)到LabVIEW軟件的DAQ輔助模塊，用于在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)和顯示數(shù)據(jù)。
NI-Multisim軟件用于模擬開發(fā)的電路根據(jù)要求降低電壓和電流DAQ卡的輸入端子。 Multisim是模擬和電路設(shè)計(jì)軟件，適用于電路分析。
3.2 LabVIEW程序的操作順序
圖2顯示了基于主程序的流程圖用于監(jiān)控太陽能光伏組件的LabVIEW軟件。 流圖表顯示了一步一步的過程。 系統(tǒng)收購了傳感器的數(shù)據(jù)，如輻射計(jì)，溫度傳感器和濕度傳感器。數(shù)據(jù)被收集到集群中（功能工具）在LabVIEW前面以表格和圖形的形式顯示面板和太陽能光伏組件的I-V特性獲得。 此外，乘以電壓和電流，計(jì)算輸出功率P-V曲線，并獲得其他參數(shù)，如; VM，IM，VOC和ISC。
3.3 完整設(shè)置說明
采用單晶光伏模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并以不同的（5瓦）額定值測(cè)試性能光伏組件。圖 3顯示用于測(cè)量的測(cè)溫儀太陽輻射計(jì)算太陽能模塊的效率。 它可以測(cè)量直接和擴(kuò)散輻射。 NI-USB-6351是數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于接口，通信并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 虛擬面板使用基于圖形編程的LabVIEW軟件構(gòu)建語言。
太陽能光伏組件保持在開放環(huán)境中條件。 以上面板為5瓦額定功率（Isc = 0.68 AVoc = 10 V），溫度和濕度傳感器在開放環(huán)境下。 太陽輻射計(jì)提供了精確的測(cè)量太陽輻射。 數(shù)據(jù)來自氣象站和日射儀。AMT1001是一種電阻式濕度傳感器濕度和LM-35溫度傳感器來測(cè)量溫度的光伏組件。圖4示出了所提出的系統(tǒng)的硬件設(shè)置，圖5，LabVIEW中的圖形程序?yàn)殚_發(fā)設(shè)置
4 結(jié)果
5W光伏組件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控是在能源中心進(jìn)行。 不同參數(shù)成功獲取并顯示在LabVIEW軟件的前面板上如圖1所示。它顯示了不同參數(shù)的存儲(chǔ)以表格形式和圖表包含太陽能的特點(diǎn)光伏組件。 PV模塊的效率由...計(jì)算12.23％的LabVIEW和模塊的填充因子為78％（0.78）。圖7示出了I-V和P-V特性的更接近的視圖光伏組件。
5 結(jié)論
開發(fā)了基于PC的虛擬平臺(tái)，使用LabVIEW軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽能光伏系統(tǒng)。 在本文中，它不是理論上的工作，而是提供了一種獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并計(jì)算系統(tǒng)各種參數(shù)的實(shí)用方法。 適當(dāng)?shù)仫@示獲得的各種參數(shù)的結(jié)果在LabVIEW的開發(fā)前面板上提供了易于訪問獲取的數(shù)據(jù)。 這個(gè)系統(tǒng)可以很少的修改輕松用于大型太陽能光伏的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控模塊和系統(tǒng)。 開發(fā)的系統(tǒng)可用于工業(yè)應(yīng)用以及教育目的機(jī)構(gòu)。
附錄2：外文原文
致 謝
在此感謝一直陪伴和指導(dǎo)我的導(dǎo)師陳建國老師的無私付出。陳老師淵博的專業(yè)知識(shí)，一絲不茍的教學(xué)態(tài)度，誨人不倦的高尚情操是我現(xiàn)今的學(xué)習(xí)生活和未來的工作生活的指路明燈。
本次論文從選題到開題，從研究到完成，每一步都離不開陳老師的悉心指導(dǎo)，而且從該論文的完成過程，我從陳老師身上學(xué)到的嚴(yán)以律己，寬以待人，細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，精益求精的精神和態(tài)度，在今后的生活中也會(huì)一直深深影響著我。該論文傾注了陳老師大量的心血，也飽含著大學(xué)四年機(jī)械學(xué)院全體老師為教育我們付出的辛勤汗油。
再次對(duì)這次論文中對(duì)我提供過幫助的老師們和同學(xué)們，也為機(jī)械學(xué)院所有老師們奉上最誠摯的謝意，這四年里，這次論文的完成過程中，感謝您們的授業(yè)解惑，也感謝您們的無私教導(dǎo)，謝謝。
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