基于wia-pa无线振动仪表的故障诊断装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断装置，工业以太网与上位机、服务器、无线网关连接，无线网关与安装在工业设备上的无线振动仪表进行无线通信。方法包括：无线振动仪表入WIA无线网络；如果无线振动仪表为初次使用，则上位机设定诊断过程参数下发，该仪表保存诊断过程参数；如果不是初次使用，则无线振动仪表判断运行时间是否达到自身的数据采集刷新周期；未达到则结束本次诊断；达到则启动无线振动仪表完成操作；上位机接收处理后的数据，并下发结束命令；然后将数据上传至数据库用于故障分析。本发明可解决自供电无线仪表低功耗需求，以提高仪表电池工作寿命。
【专利说明】 基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种执行设备故障诊断的方法及装置。装置基于振动执行故障诊断，并通过WIA-PA无线网络传输振动数据至上位机，进一步实现高级诊断。
【背景技术】
[0002]在石油、化工、冶金和电力等现代企业中，风机、压缩机、泵、电机等设备都是关键的生产工具，对这些设备开展状态检测与故障诊断工作，保障设备安全可靠的运行，可以取得巨大的经济效益和社会效益。振动对这些工作中的设备具有破坏性，例如转子的不平衡或冲击，零件间的滚动及相互摩擦，零件间产生的间隙或松动，零件表面产生的剥落或裂纹等等。这些振动将导致元件故障或失效。
[0003]振动仪表通过直接安装于机器表面的振动传感器感测设备产生的振动噪声信号，识别异常振动幅值并结合上位机数据库判别故障零件及故障类型，从而维修或更换故障或性能降低的零部件，避免停机故障造成的损失。例如，将仪表安装至脱氧机泵，实时检测脱氧机泵的振动，分析振动信号发现机泵潜在的故障如不平衡、不对中、轴承故障等，实现基于状态的维护。
[0004]振动诊断可以提前发现故障或性能降低的零部件，提前更换或维修，降低维护成本及避免突然停机造成的经济损失。传统有线仪表安装布线复杂，电缆购置、铺设及维护成本高。基于WIA-PA网络的无线仪表可以很好的满足系统监测的需求。智能无线网络WIA (Wireless Networks for Industrial Automation)基于短程无线通信 IEEE802.15.4标准，使用自由频带，解决在大型器械、金属管道等对无线信号反射、散射造成的多径效应，以及电机、器械运转产生的电磁噪声对无线通信干扰，提供高可靠、实时无线通讯服务。智能无线网络WIA技术特别适用于工业控制与工厂自动化过程控制，并广泛应用于石油、化工、冶金、矿山等领域。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种执行设备故障诊断的方法及装置。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断装置，工业以太网与上位机、服务器、无线网关连接，无线网关与安装在用于大型旋转设备上的无线振动仪表进行无线通信。
[0007]所述设备包括泵、电动机、压缩机。
[0008]所述无线振动仪表包括:微控制器与复位电路、时钟电路、存储器电路、A/D转换电路、无线收发模块连接；振动传感器与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与A/D转换电路的模拟输入端连接。
[0009]基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，包括以下步骤:
[0010]网关搜索无线振动仪表，无线振动仪表入WIA无线网络；
[0011]如果无线振动仪表为初次使用，则上位机设定诊断过程参数下发到该仪表，该仪表保存诊断过程参数；如果不是初次使用，则无线振动仪表判断运行时间是否达到自身的数据采集刷新周期；未达到则结束本次诊断；达到则启动无线振动仪表完成一次处理操作；
[0012]上位机通过工业以太网接收无线振动仪表处理后的数据，并下发结束命令至无线振动仪表；然后将数据上传至故障诊断数据库用于故障分析，实现无线振动仪表的故障诊断。
[0013]所述诊断过程参数包括仪表刷新速率，仪表工作模式，被测设备基频，故障分析频谱倍频数，数据采样频率，数据采样长度。
[0014]所述无线振动仪表处理操作包括以下步骤:
[0015]无线振动仪表内的微控制器根据载入的数据采样频率及数据采样长度将仪表内A/D转换电路所接收的传感器的电压信号转换为传感器反馈数据进行数据标定和传感器状态的判断:
[0016]数据标定具体为将传感器反馈数据转换为振动加速度信号；
[0017]传感器状态的判断具体为:根据传感器反馈数据判断传感器是否在正常状态；如异常，不启动仪表工作；如果正常，则采用傅里叶变换方法将振动数据转化为频谱；
[0018]无线振动仪表通过无线收发模块请求WIA无线网络发送一次采集运算结果；数据传输完成后，无线振动仪表处理结束并进入休眠状态。
[0019]所述采用傅里叶变换方法将振动数据转化为频谱数据具体为:将振动加速度信号转换为时域的振动幅值，并应用快速傅里叶变换得到频域的频谱。
[0020]所述采集运算结果包括振动幅值数据和频谱。
[0021]所述得到故障诊断结果包括以下步骤:
[0022]根据每次数据采集刷新周期的振动幅值数据汇总出振动趋势图，根据振动阈值判定是否有异常振动；如果超出阈值，则将该异常数据输入故障诊断数据库得到故障原因，通过仪表的表号得到故障点。
[0023]本发明具有以下有益效果及优点:
[0024]1.整个装置应用于设备健康状态检测，低成本、高效率的提高零部件维修成本及效率。
[0025]2.无线振动仪表可智能实现仪表本地主要耗电芯片电源控制、无线模块电源控制以及传感器电源控制功能，进而解决自供电无线仪表低功耗需求，以提高仪表电池工作寿命O
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1本发明的故障诊断装置系统结构框图；
[0027]图2实现本装置的无线振动仪表组网示意图；
[0028]图3实现本装置的无线振动仪表电路结构框图；
[0029]图4实现本装置的无线振动仪表工作流程框图；
[0030]图5本发明的故障诊断装置系统工作流程框图。
【具体实施方式】[0031]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0032]一种基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法及装置，包括直接安装于机器表面用于传感振动信号的振动传感器，执行振动信号采集及处理的控制器，连接至WIA-PA无线网络的无线收发模块，承载高级故障识别及诊断方法的上位计算机。
[0033]本发明提供了一种故障诊断方法及装置，基于WIA-PA无线网络的振动仪表实现诊断数据采集及处理，诊断监测上位机软件实现基于数据的故障诊断。本发明用于监测工业设备工作中的健康状态，识别故障及性能降低的零部件并在故障发生前维修或更换。
[0034]图1是包括监测故障的无线振动仪表19和监测诊断系统11的故障诊断方法及装置的系统拓扑图。无线振动仪表通过传感器接口 20、21、22连接至被监测设备23、24、25，采用加速度传感器感测振动信号。被监测设备可以是泵、电动机、压缩机等设备。监测诊断系统11包含工业计算机、操作系统以及故障分析应用软件、数据存储软件等，将通过WIA无线网关15上送来的振动数据存储、运算并分析，进而识别故障元器件及故障等级。后台WIA服务器12，工业以太网14，WIA无线网关15，无线振动仪表19组成WIA无线网络。后台WIA服务器12包含计算机、操作系统以及用户应用软件、文件日志等。用来完成对设备的组态、对网络下设备的控制、检测信息采集分析、数据的储存等功能。用户通过WIA服务器用户端将相应的信息指令下发至WIA无线网络中的仪表。WIA无线网关通过网络接口 13连接入工业以太网14，进而同后台WIA服务器12及监控振动系统11通信。一台网关可以通过无线收发信号16连接多个无线振动仪表，便于实现工厂多机组设备监控组网应用。例如，图中的无线振动仪表17、18、19等可以实现脱氧泵组电机及轴的健康状态监控，并通过接入WIA无线网络将各自测试点的振动数据上送至WIA无线网关15，网关再将数据通过工业以太网上传至监控诊断系统11，完成整个监控系统功能。
[0035]图2是实现本装置的无线振动仪表组网示意图。例如某热电厂车间的脱氧泵机组，振动传感器31直接安装在被测设备25监控点上，如电动机的X向和Y向。无线振动仪表19通过传感器接口 30连接至振动传感器，传感器接口 30包含传感器电源以及传感振动的电信号。无线振动仪表19提供传感器工作电源，并接收传感器反馈的电信号。仪表与传感器就近安装，以防止信号传输过程中噪声干扰及损耗。信号经过无线振动仪表本地的信号处理模块28及数据处理模块27处理后，经由WIA网络29上传至脱氧泵机组车间的WIA无线网关，再通过网络接口连接至控制室内后台服务器及诊断上位机，实现对机组的健康状态监控，简化了现场电源及信号传输布线，节约成本。
[0036]图3是实现本装置的无线振动仪表19的电路结构框图。由微控制器32，振动传感器31，信号处理电路37，A/D转换电路36，无线收发模块39，电源电路38，无线模块电源41，传感器电源40等电路模块组成。仪表的传感器电源40模块为振动传感器31提供工作电源，模块内设计有电源控制功能以确保仪表低功耗工作。仪表内信号处理电路37实现信号采集、硬件滤波以及运算放大等功能，以使信号能适应A/D转换电路36的输入需求。A/D转换电路36实现模拟信号至数字信号转换以及检测功能，转换结果经过微控制器32与A/D转换电路36间的数字总线传输。微控制器32完成振动幅值运算，并根据已知采样频率和采样长度计算振动信号频谱数据。微控制器32外围电路包括复位电路33，时钟电路34，存储器电路35以及其他微控制器小系统电路。存储器电路35包含缓存中间数据存储器及装载仪表程序及配置参数的存储器。微控制器32依据预先配置参数启动数据采集、运算并通过外围无线收发模块39传输数据至WIA无线网络。无线收发模块39电源同样由仪表提供，仪表设计有电源控制功能可以根据WIA网络状态实现无线模块低功耗工作。同时，工作中用指令信息以及仪表配置信息均通过WIA无线网络下发，微控制器32接收并根据私有协议解析命令及更新仪表本地配置表，使用户配置得以保存。
[0037]图4是实现本装置的无线振动仪表工作流程框图。无线振动仪表19上设计有电源管理功能，根据相应的配置(仪表工作模式是省电模式还是常规模式)或用户指令信息控制仪表程序启动45。仪表启动后，需执行仪表初始化46，包含装载微控制器32的启动程序并载入配置参数信息，包括仪表数据采集频率，数据采集长度，数据刷新率，被分析设备基频，分析倍频数，仪表工作模式，识别仪表当前操作指令等。初始化完成后仪表内微控制器根据载入的采样频率及长度启动数据采集47进程，采集过程中包括数据标定及传感器状态判断，传感器状态判断就是判断传感器偏置电压是否正常；进而确定是否启动数据处理48进程即如果传感器不在位或异常则不启动数据处理。数据标定是根据仪表内的A/D转换器将所接收的电压信号转换为相应的振动加速度信号；判断传感器是否在位及供电是否正常，如异常，不启动仪表工作。数据处理48主要是将振动数据转化为频谱数据，包括数字滤波、FFT (快速傅里叶变换)、小波变换等数据运算处理算法，即首先根据分析基频及倍频数和采样频率、采样长度进行FFT变换，变换结果经小波变换完成数据压缩进而通过WIA网络传输；具体为根据采样频率及采样长度采集传感器数据，得到的时域数据数组根据计算出振动幅值；并应用快速傅里叶变换FFT得到符合被测设备基频及故障分析频谱倍频数的频谱:应用快速傅里叶变换完成时域到频域数据的转换，进而根据频谱判断故障原因；其中，采样频率的设定值至少为被测设备转速的三倍，基频为被测设备转速，故障分析频谱倍频数需专业人员根据设备类型及故障可能存在形式进行设定。
[0038]完成处理过程后，仪表通过无线收发模块39启动连接WIA无线网络进程49，请求网络发送一次采集运算结果。数据传输50遵循WIA网络数据传输私有协议，为提高数据传输可靠性，传输协议内设计逐级CRC校验及重传机制，并在用户应用程序接口设计相应报警及日志信息，以方便整个诊断系统维护。完成数据传输及握手信息交互完成后，仪表程序挂起，进入结束51进程。此时，整个仪表除管理控制功能外进入休眠状态以节省功耗，程序等待下一次启动。
[0039]图5是本发明的故障诊断装置系统工作流程框图。从启动WIA网关控制端软件开始53，首先完成WIA网络配置54，然后按照仪表无线ID搜索无线振动仪表入网55，仪表与无线网关完成握手通信。用户(用户指的是使用该诊断系统的工程师；根据是否是初次安装使用该诊断系统判断是否修改过程参数)首先判断是否有诊断过程参数需要修改，如需修改，执行56下发参数配置并保存参数配置57 ;如不需修改，则判断是否满足诊断数据采集刷新周期，不满足则直接结束60本次操作，满足则启动无线振动仪表58执行一次操作。完成操作后上位机接收仪表回传数据，并下发结束无线振动仪表工作命令。完成后将数据上传至故障诊断软件数据库59，用于故障诊断及查看历史数据时使用。上传数据包含振动幅值数据，及频谱数据；故障诊断软件数据库59根据每刷新周期的振动幅值数据汇总出振动趋势图，该图显示传感器正常工作状态时的振动幅值；根据振动阈值判定是否有异常振动；根据每刷新周期的振动频谱数据输入故障诊断数据库，该数据库由传感器的故障数据组成，包括频谱数据和其对应的故障原因，因此输入频谱数据就可得到故障原因；上位机通 过无线振动仪表的表号就能够得到故障点。
【权利要求】
1.基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断装置，其特征在于:工业以太网(14)与上位机(11)、服务器(12)、无线网关(15)连接，无线网关(15)与安装在用于大型旋转设备上的无线振动仪表(19)进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法及装置，其特征在于:所述设备包括泵、电动机、压缩机。
3.根据权利要求1所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法及装置，其特征在于:所述无线振动仪表(19)包括:微控制器(32)与复位电路(33)、时钟电路(34)、存储器电路(35)、A/D转换电路(36)、无线收发模块(39)连接；振动传感器(31)与信号处理电路(37)的输入端连接，信号处理电路(37)的输出端与A/D转换电路(36)的模拟输入端连接。
4.基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤: 网关搜索无线振动仪表(19)，无线振动仪表(19)入WIA无线网络； 如果无线振动仪表(19)为初次使用，则上位机(11)设定诊断过程参数下发到该仪表，该仪表保存诊断过程参数；如果不是初次使用，则无线振动仪表(19)判断运行时间是否达到自身的数据采集刷新周期；未达到则结束本次诊断；达到则启动无线振动仪表(19)完成一次处理操作； 上位机(11)通过工业以太网(14)接收无线振动仪表(19)处理后的数据，并下发结束命令至无线振动仪表(19);然后将数据上传至故障诊断数据库用于故障分析，实现无线振动仪表的故障诊断。
5.根据权利要求4所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于:所述诊断过程参数包括仪表 刷新速率，仪表工作模式，被测设备基频，故障分析频谱倍频数，数据采样频率，数据采样长度。
6.根据权利要求4所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于:所述无线振动仪表(19)处理操作包括以下步骤: 无线振动仪表(19)内的微控制器(32)根据载入的数据采样频率及数据采样长度将仪表内A/D转换电路(36)所接收的传感器的电压信号转换为传感器反馈数据进行数据标定和传感器状态的判断: 数据标定具体为将传感器反馈数据转换为振动加速度信号； 传感器状态的判断具体为:根据传感器反馈数据判断传感器是否在正常状态；如异常，不启动仪表工作；如果正常，则采用傅里叶变换方法将振动数据转化为频谱； 无线振动仪表(19 )通过无线收发模块(39 )请求WIA无线网络发送一次采集运算结果；数据传输完成后，无线振动仪表(19)处理结束并进入休眠状态。
7.根据权利要求6所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于:所述采用傅里叶变换方法将振动数据转化为频谱数据具体为:将振动加速度信号转换为时域的振动幅值，并应用快速傅里叶变换得到频域的频谱。
8.根据权利要求6所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于:所述采集运算结果包括振动幅值数据和频谱。
9.根据权利要求4所述的基于WIA-PA无线振动仪表的故障诊断方法，其特征在于:所述得到故障诊断结果包括以下步骤: 根据每次数据采集刷新周期的振动幅值数据汇总出振动趋势图，根据振动阈值判定是否有异常振动；如果超出阈值，则将该异常数据输入故障诊断数据库得到故障原因，通过仪表的表号 得到故障点。
【文档编号】G01H17/00GK103884371SQ201210560416
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】李金英, 曾鹏, 赵雪峰, 张延宇, 刘忠强, 杨光 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所