CN102735329A - 一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法，振动信号、工艺信号和转速键相信号经过模拟信号处理模块处理转换后，送入CPU模块计算储存，输入输出模块与CPU模块交换数据，电源管理模块包含电源处理电路和电源电压监控与复位电路，电源处理电路提供电源同时对电源进行电压监控与复位。装置体积小更适合舰船狭小的舱室环境；可以让船员在舱室现场直接了解设备轴系的运行状态，亦可以在监控室集中监控，提高了系统使用的灵活性和便捷性；装置采用多CPU技术，每个CPU负责不同功能，独立工作互不干扰；装置的模块化结构，不仅提高了可靠性还提高了系统的可维护性，数据通讯采用标准的TCP/IP网络通讯协议，使得数据通讯更可靠。

Description

一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机械振动测试技术，特别涉及一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法。

背景技术

旋转机械是船舶、石油、化工、电力、航空航天等领域的关键设备，正朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化的方向发展。旋转机械长期处于高速运行状态，由于各种随机因素的影响，难免会出现一些机械故障，而旋转机械的任何一个小小的故障，都可能引起连锁反应，造成巨大经济损失甚至灾难性后果。因此，对旋转机械运行过程中状态进行实时监测和故障预判是避免事故发生，保证安全生产的有效手段。其次，配置故障诊断系统能减少事故停机率，减少维修费用，降低运行成本，具有很高的收益/投资比，研究和开发先进的故障诊断系统的具有很大的现实意义。

对此类关键设备的各项参数，如振动、温度、速度和众多其它运行数据和指标进行在线监测，已广泛应用于航空、航天、核电等尖端工业领域，且已经被事实证明是一种能够有效预测和防止机械设备发生故障的成功方法。随着现代舰船系统的日趋高性能化和结构复杂化，出于安全保障和战斗性能考虑，及时、准确、动态地掌握舰船设备的运行状态、预测、诊断关键设备潜在和存在的故障，成为舰艇技术管理的重要内容和追求的目标。

目前，国内在舰船上对旋转机械设备的振动状态在线监测和故障诊断，大都停留于模拟仪表阶段，振动监测更加鲜有涉及。因此，研究一种可靠性强，实时性高，体积小，网络传输性能好的状态监测装置，不论对于舰船领域还是工业领域都有着非常重要的意义。

若需将现有装置及方法应用于舰船，现有技术还存在下述缺陷：

（1）对于多通道振动信号、工艺信号及其它众多信号的同时在线监测，现有装置体积过于庞大，不适用于复杂且空间有限的船舱环境；

（2）对于设备舱室的普通船员而言，现有技术方案，操作复杂，要求操作人员及监测人员的技术背景深，相对于舰船而言现有方案不大适用；

（3）现有方案所测得监测数据一般存储于远程服务器上的大容量存储器上，对于现有舰船，均未能实现数据网络化传输于监控室甚至陆上远程服务器，现有方案的数据存储不适用于舰船。

（4）现有方案所测得监测数据一般需进行后续的一系列处理，而不能即使进行分析处理，现场生成所需要的图形。

发明内容

本发明是针对现在旋转机械设备的振动状态在线监测和故障诊断体积大、实时性差、操作不便的问题，提出了一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法，装置体积小，操作智能化简单，效率高。

本发明的技术方案为：一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置，包括模拟信号处理模块、CPU模块、外围输入输出模块及电源管理模块，振动信号、工艺信号和转速键相信号经过模拟信号处理模块处理转换后，送入CPU模块计算储存，输入输出模块与CPU模块交换数据，电源管理模块包含电源处理电路和电源电压监控与复位电路，电源处理电路为各个模块芯片提供电源，电源电压监控与复位电路接收各电源信号，输出报警和控制信号。

所述振动信号经过模拟信号处理模块的隔直电路后，振动交流信号依次经过自动反馈放大电路、中心频率自动可调的跟踪滤波电路后，进入同步并行采用A/D转换器进行A/D转换后输出CPU模块；振动信号和工艺信号通过模拟信号处理模块的8选1模拟开关进行通道快速切换后，输出的振动信号经过隔交电路转为振动直流信号，振动直流信号和工艺信号依次经过自动放大电路和A/D转换器转换后输出CPU模块；转速键相信号先通过模拟信号处理模块的低通滤波器滤除转速采集范围以外的高频干扰，而后经过比较器和光耦隔离输出标准方波信号到CPU模块。

所述输入输出模块包含人机交互的电容式触摸屏和薄膜按键，数据显示的LCD显示屏和可外扩的监控室显示大屏，数据交互的以太网接口、USB接口、串口、GPIO通用输入输出扩展口。

所述CPU模块包含OMAP-138微处理器最小系统和FPGA现场可编程门阵列，OMAP最小系统主要包含双核OMAP-138芯片、存储系统、晶振时钟系统以及触摸屏显示驱动电路；前端采集信号模数转换后数据进入FPGA现场可编程门阵列进行预处理、逻辑控制和译码。所述OMAP-138包含C6747 DSP和ARM926J两块CPU，FPGA现场可编程门阵列输出的采集信号送入DSP芯片进行运算，ARM芯片输出显示结果，与各型接口数据的通讯。

一种船用旋转机械轴系振动状态监测方法，包括船用旋转机械轴系振动状态监测装置，具体包括如下步骤：

1）确定监测方案：根据旋转机械设备及轴系的类型、特点以及所需监测参数考虑布置传感器的类型、数量、位置；根据这个舱室环境条件确定装置走线方式、装置布置位置；根据全船现有条件确定数据通讯方式，如果不具备全船网络监控模式，即可选择脱机黑匣子监测模式，如可进行全船局域网布置，则可选择局域网监控室监测模式，甚至整船具备海事卫星传输数据能力，系统可采用卫星通信远程监测模式；

2）布置传感器及布线：根据确定的方案在机组轴系每个轴承附近布置振动位移传感器，在设备关键部位布置振动速度或是加速度传感器，在每个轴系下布置转速传感器，根据状态监测的要求布置不同类型的油温、油压、气压、液压工艺信号传感器和接入开关量信号，然后根据方案布置屏蔽连接线和安放监测装置，并连接所有设备，将装置设置至调试模式，调试前端所有传感器直至确保无任何问题为止；

3）待所监测机组开机运行后，振动位移传感器将采集到的振动位移传感器送入装置，装置模拟信号处理部分将信号分为直流与交流，通过各自的模拟信号处理电路后，将转换后的数字信号送入后端CPU模块；

4）首先接受转换后的数字信号是FPGA内核，FPGA将转换后的数字信号大小端转换、重新打包整理后发送给OMAP-138的DSP；

5）进入DSP后，DSP先将信号作数字滤波，根据ARM指令进行算法处理，DSP对数字信号进行变换或处理后，将数据交给OMAP的ARM内核；

6）ARM内核的运行流程是，由外置SPI flash的引导程序启动嵌入式操作系统，操作系统启动后逐步加载各种外设驱动，而后启动装置界面，用户或船员通过装置界面输入要求参数，ARM响应后，向DSP发出请求要求DSP对数据进行小波变换，DSP响应并完成后将处理完毕的数据发送给ARM，ARM接收后通过界面程序在屏幕上绘制相应图形；

7）在ARM显示界面运行的同时，对所采集的数据以日常数据库、启停机数据库、黑匣子数据库的形式保存于装置固态硬盘上，若装置采用脱机黑匣子监测模式，则可通过装置通讯接口，将存储于固态硬盘的历史数据上传至监测站对数据进行详细分析、诊断；

8）若监测装置采用全船网络监控模式，各个机组的监测装置发送数据包给监测站，监测站的应用软件根据用户的需要进行相应的数据处理、显示、诊断，同时将所有数据以数据库形式按不同机组存储于监测站服务器的大容量硬盘；

9）若采用远程监控模式，用户可通过远程计算机浏览器输入监测站服务器IP地址，并进行相应权限登录以后，调取存储于监测站服务器上的数据，若用户需通过手机访问，可安装相应手机客户端，通过客户端访问监测服务器，调取数据查看机组状态。

本发明的有益效果在于：本发明船用旋转机械轴系振动状态监测装置及方法，硬件电路采用先进PCB设计技术和选用低功耗小型贴片器件，更适合舰船狭小的舱室环境；对于舰船设备监测，既可以让船员在舱室现场直接了解设备轴系的运行状态，亦可以在监控室集中监控，很大程度上拓展了设备的使用范围，提高了系统使用的灵活性和便捷性；装置采用多CPU技术，每个CPU负责不同功能，独立工作互不干扰；装置的模块化结构，不仅提高了可靠性还提高了系统的可维护性；装置采用Linux系统架构嵌入式实时操作系统，更稳定、更可靠，可完全避免病毒干扰，提高了系统运行的稳定性和可靠性；数据通讯采用标准的TCP/IP网络通讯协议，使得数据通讯更可靠。

附图说明

图1为本发明船用旋转机械轴系振动状态监测装置结构示意图；

图2为本发明船用旋转机械轴系振动状态监测装置网络拓扑图。

具体实施方式

如图1中所示船用旋转机械轴系振动状态监测装置结构示意图，主要包括模拟信号处理模块1、CPU模块3、外围输入输出模块2及电源管理四大模块4组成。

如图1中所示模拟信号处理模块1：模拟信号处理模块主要处理包含振动信号交流部分5、振动信号直流部分6、工艺信号7、转速键相信号8四类信号。在图所示部分振动信号交流处理部分5，振动信号经过隔直电路后，其中直流信号被滤除仅剩下交流部分，交流信号经自动反馈放大和中心频率自动可调的跟踪滤波电路后，进入同步并行采用A/D转换器，这样振动信号交流部分变为数字信号可以直接进入后续CPU模块3作进一步处理。振动信号直流部分6和工艺信号7由于对信号的实时性较振动交流低，因此在上述两种信号前加入了8选1模拟开关进行通道快速切换，这样便可以在有限的空间实现多通道扩展。振动信号直流部分6与工艺信号7处理的唯一区别即在电路中间并入了隔交电路。当装置处于同步跟踪转速采样模式时，转速键相信号8成为整个装置的关键，其担负着A/D采样速率的控制,因此对它的处理十分重要。信号首先通过低通滤波器滤除转速采集范围以外的高频干扰，而后经过比较器和光耦可得到比较纯净无干扰的标准方波信号。

外围输入输出模块2主要包含可实现良好人机交互的电容式触摸屏10和薄膜按键13，实现数据显示输出的配机LCD显示屏11和可外扩的监控室显示大屏12，以及可实现于上位服务器或手机终端良好的数据交互的以太网接口15、USB接口16、串口17、GPIO通用输入输出扩展口14等数字传输接口。

电源管理模块4主要包含AC/DC转换、各型电压转换以及电源管理与复位电路。AD/DC转换的主要工作是将交流电220V转换为24V直流电压，然后各型电压转换部分将24V直流电压变换为系统各个模块芯片所需的各型直流电。电源管理与复位电路负责整个系统各型电压的监控及异常报警，以及提供系统上电复位和手动复位控制。

CPU模块3：CPU模块3是整个装置的核心，其主要包含OMAP-138最小系统18和FPGA19两个核心电路部分。其实CPU模块3的主控芯片属于三核，OMAP-138包含两块CPU,即C6747 DSP和ARM926J，DSP芯片主要负责采集信号接收和负担整个装置的大部分算法运算部分，ARM芯片主管整个嵌入式操作系统，主要负责整个装置的界面效果显示，各型接口数据的通讯，黑匣子数据库的管理等主要功能，FPGA19主要负责整个装置的前端采集信号模数转换后的预处理、装置大部分芯片的逻辑控制和译码。OMAP最小系统主要包含双核OMAP-138芯片、存储系统、晶振时钟系统以及触摸屏显示驱动电路。其中存储系统主要由可进行数据交换和缓存的DDR内存、负责以黑匣子模式存放大容量数据库数据的固体硬盘、作为相应数据备份的大容量SD卡、负责类似PC机BIOS的UBOOT嵌入式操作系统引导程序存放的SPI flash以及用来挂载嵌入式操作系统的板上存储Nandflash。

船用旋转机械设备轴系振动状态监测方法的实现步骤如下：

1.确定监测方案。根据旋转机械设备及轴系的类型、特点以及所需监测参数考虑布置传感器的类型、数量、位置；根据这个舱室环境条件确定装置走线方式、装置布置位置等；根据全船现有条件确定数据通讯方式，如果不具备全船网络监控模式，即可选择脱机黑匣子监测模式，如可进行全船局域网布置，则可选择局域网监控室监测模式21，甚至整船具备海事卫星传输数据能力20，这样系统可采用卫星通信远程监测模式，如图2所示网络拓扑图。

2.布置传感器及布线。根据事先确定的方案在机组轴系每个轴承附近布置振动位移传感器，在设备关键部位布置振动速度或是加速度传感器，在每个轴系下布置转速传感器，根据状态监测的要求布置不同类型的工艺信号传感器（如油温、油压、气压、液压等）和接入开关量信号（如各个阀门的输入输出信号、现场报警出入输出信号等）然后根据方案布置屏蔽连接线和安放监测装置，并连接所有设备，将装置设置至调试模式，调试前端所有传感器直至确保无任何问题为止。

3.待所监测机组开机运行后，振动位移传感器将采集到的振动位移传感器送入装置，装置模拟信号处理部分将信号分为直流与交流，通过各自的模拟信号处理电路后，将转换后的数字信号送入后端CPU模块。

4.首先接受转换后的数字信号是FPGA内核，FPGA将转换后的数字信号大小端转换、重新打包整理后发送给OMAP-138的DSP。

5.进入DSP后，DSP先将信号作数字滤波，根据ARM指令的需要进行一定的算法处理，比如系统需要查看频谱图，DSP就将数字信号做FFT变换，如需查看基频轴心轨迹图，则DSP将对信号进行基频带通滤波处理后将数据交给OMAP的ARM内核。

6.ARM内核的运行流程是，由外置SPI flash的引导程序启动嵌入式操作系统，操作系统启动后逐步加载各种外设驱动（包含LCD、网口、硬盘等等），而后启动装置界面。用户或船员通过装置界面22选择向ARM提出不同的要求，比如用户需要查看某个测点的小波图，用户触及界面，ARM响应，向DSP发出请求要求DSP对数据进行小波变换，DSP响应并完成后将处理完毕的数据发送给ARM，ARM接收后通过界面程序在屏幕上绘制相应图形。

7.在ARM显示界面运行的同时，对所采集的数据以日常数据库、启停机数据库、黑匣子数据库的形式保存于装置固态硬盘上。若装置采用脱机黑匣子监测模式，则可通过装置通讯接口，将存储于固态硬盘的历史数据上传至监测站对数据进行详细分析、诊断。 

8. 若监测装置采用全船网络监控模式，各个机组的监测装置发送数据包给监测站，监测站的应用软件根据用户的需要进行相应的数据处理、显示、诊断，同时将所有数据以数据库形式按不同机组存储于监测站服务器的大容量硬盘。

9. 若采用远程监控模式，用户可通过远程计算机浏览器输入监测站服务器IP地址，并进行相应权限登录以后，调取存储于监测站服务器上的数据。若用户需通过手机访问，可安装相应手机客户端，通过客户端访问监测服务器，调取数据查看机组状态。

　硬件电路采用先进PCB设计技术，并且所有芯片均采用低功耗小型贴片器件，在有限的体积空间内，一台装置可同步监测32路振动信号、96路工艺信号，128路开关量信号，更适合舰船狭小的舱室环境。

对于舰船设备监测，既可以让船员在舱室现场直接了解设备轴系的运行状态，亦可以在监控室集中监控，通过外置设备拓展，甚至可以通过海事卫星于基地远程监控。对于陆用设备，本监测方法不仅可通过PC机于局域网内或因特网了解轴系运行状态，还可以通过于手机终端安装相应客户端，于现场或远程通过手机直接查看机组状态。很大程度上拓展了设备的使用范围，提高了系统使用的灵活性和便捷性。

外围输入输出模块主要包含可实现良好人机交互的电容式触摸屏和薄膜按键，实现数据显示输出的配机LCD显示屏和可外扩的监控室显示大屏，以及可实现于上位服务器或手机终端良好的数据交互的以太网接口、USB接口、串口等数字传输接口。

装置采用无键盘、无鼠标、无常规硬盘硬件，这样减少现场易损部件；

装置采用多CPU技术，每个CPU负责不同功能，独立工作互不干扰；装置的模块化结构，各种功能分属不同硬件模块，不仅提高了可靠性还提高了系统的可维护性；装置采用Linux系统架构嵌入式实时操作系统，更稳定、更可靠，可完全避免病毒干扰，且所有软件编写亦严格遵守LINUX系统架构，经过严格无故障测试，这样提高了系统运行的稳定性和可靠性；数据通讯采用标准的TCP/IP网络通讯协议，使得数据通讯更可靠。 装置的以上功能和结构上的特点，使得装置可适应较之陆用更为复杂的船用环境，可保证装置在船用环境下的可靠性和稳定性。

Claims (6)

1.一种船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，包括模拟信号处理模块、CPU模块、外围输入输出模块及电源管理模块，振动信号、工艺信号和转速键相信号经过模拟信号处理模块处理转换后，送入CPU模块计算储存，输入输出模块与CPU模块交换数据，电源管理模块包含电源处理电路和电源电压监控与复位电路，电源处理电路为各个模块芯片提供电源，电源电压监控与复位电路接收各电源信号，输出报警和控制信号。

2.根据权利要求1所述船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，所述振动信号经过模拟信号处理模块的隔直电路后，振动交流信号依次经过自动反馈放大电路、中心频率自动可调的跟踪滤波电路后，进入同步并行采用A/D转换器进行A/D转换后输出CPU模块；振动信号和工艺信号通过模拟信号处理模块的8选1模拟开关进行通道快速切换后，输出的振动信号经过隔交电路转为振动直流信号，振动直流信号和工艺信号依次经过自动放大电路和A/D转换器转换后输出CPU模块；转速键相信号先通过模拟信号处理模块的低通滤波器滤除转速采集范围以外的高频干扰，而后经过比较器和光耦隔离输出标准方波信号到CPU模块。

3.根据权利要求1所述船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，所述输入输出模块包含人机交互的电容式触摸屏和薄膜按键，数据显示的LCD显示屏和可外扩的监控室显示大屏，数据交互的以太网接口、USB接口、串口、GPIO通用输入输出扩展口。

4.根据权利要求1所述船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，所述CPU模块包含OMAP-138微处理器最小系统和FPGA现场可编程门阵列，OMAP最小系统主要包含双核OMAP-138芯片、存储系统、晶振时钟系统以及触摸屏显示驱动电路；前端采集信号模数转换后数据进入FPGA现场可编程门阵列进行预处理、逻辑控制和译码。

5.根据权利要求4所述船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，所述OMAP-138包含C6747 DSP和ARM926J两块CPU，FPGA现场可编程门阵列输出的采集信号送入DSP芯片进行运算，ARM芯片输出显示结果，与各型接口数据的通讯。

6.一种船用旋转机械轴系振动状态监测方法，包括船用旋转机械轴系振动状态监测装置，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）确定监测方案：根据旋转机械设备及轴系的类型、特点以及所需监测参数考虑布置传感器的类型、数量、位置；根据这个舱室环境条件确定装置走线方式、装置布置位置；根据全船现有条件确定数据通讯方式，如果不具备全船网络监控模式，即可选择脱机黑匣子监测模式，如可进行全船局域网布置，则可选择局域网监控室监测模式，甚至整船具备海事卫星传输数据能力，系统可采用卫星通信远程监测模式；

2）布置传感器及布线：根据确定的方案在机组轴系每个轴承附近布置振动位移传感器，在设备关键部位布置振动速度或是加速度传感器，在每个轴系下布置转速传感器，根据状态监测的要求布置不同类型的油温、油压、气压、液压工艺信号传感器和接入开关量信号，然后根据方案布置屏蔽连接线和安放监测装置，并连接所有设备，将装置设置至调试模式，调试前端所有传感器直至确保无任何问题为止；

3）待所监测机组开机运行后，振动位移传感器将采集到的振动位移传感器送入装置，装置模拟信号处理部分将信号分为直流与交流，通过各自的模拟信号处理电路后，将转换后的数字信号送入后端CPU模块；

4）首先接受转换后的数字信号是FPGA内核，FPGA将转换后的数字信号大小端转换、重新打包整理后发送给OMAP-138的DSP；

5）进入DSP后，DSP先将信号作数字滤波，根据ARM指令进行算法处理，DSP对数字信号进行变换或处理后，将数据交给OMAP的ARM内核；

6）ARM内核的运行流程是，由外置SPI flash的引导程序启动嵌入式操作系统，操作系统启动后逐步加载各种外设驱动，而后启动装置界面，用户或船员通过装置界面输入要求参数，ARM响应后，向DSP发出请求要求DSP对数据进行小波变换，DSP响应并完成后将处理完毕的数据发送给ARM，ARM接收后通过界面程序在屏幕上绘制相应图形；

7）在ARM显示界面运行的同时，对所采集的数据以日常数据库、启停机数据库、黑匣子数据库的形式保存于装置固态硬盘上，若装置采用脱机黑匣子监测模式，则可通过装置通讯接口，将存储于固态硬盘的历史数据上传至监测站对数据进行详细分析、诊断；

8）若监测装置采用全船网络监控模式，各个机组的监测装置发送数据包给监测站，监测站的应用软件根据用户的需要进行相应的数据处理、显示、诊断，同时将所有数据以数据库形式按不同机组存储于监测站服务器的大容量硬盘；

9）若采用远程监控模式，用户可通过远程计算机浏览器输入监测站服务器IP地址，并进行相应权限登录以后，调取存储于监测站服务器上的数据，若用户需通过手机访问，可安装相应手机客户端，通过客户端访问监测服务器，调取数据查看机组状态。

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