CN112484842B - 一种工业设备振动数据采集和传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种工业设备振动数据采集和传输方法，包括以下步骤：S1、在被测对象上设置多个测点，并在多个测点处分别设置连续均匀采集测点振动信号值的振动传感器；S2、利用可编程逻辑阵列接收多个振动传感器采集的振动信号值并存储振动信号值；S3、在可编程逻辑阵列中将振动信号值打包成数据帧；S4、在可编程逻辑阵列中将数据帧编码成差分曼切斯特码信号；S5、将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析。本发明实现多测点数据的同步采集，并将原始的数字信号调理成光信号，用于工业设备振动数据的采集和传输，可以显著提高数据利用的时效性。

Description

一种工业设备振动数据采集和传输方法
技术领域
本发明涉及工业设备数据采集与传输技术领域，尤其涉及一种工业设备振动数据采集和传输方法。
背景技术
生产设备的状态感知与预测是工业转型升级的一个重要技术支撑。传统做法是对工业设备实施的基于状态的监控，记录与工业设备的健康和性能相关的实时数据，如：电气测量、振动、温度、油品质量、声学和流程测量(如流量和压力)。其中，振动测量是目前最常见的，它可以直接指示出常见的机械问题，例如不平衡、不对中和轴承损伤等。
用于故障诊断的振动数据采样率往往需要达到2000Hz以上，实际工程应用中，为了提高故障预测精度和计量可靠性，往往会增加多个测点，并把单点采样率提高到10000Hz以上，这种做法一方面会产生大量的原始传感数据，另一方面由于多测点间时间不同步，造成分析误差。通常的应对方法有两种：一种是在传感器附近增加就地处理，将分析结果上传至分析平台，由于传感器安装位置往往环境较为恶劣，不易部署充足的计算资源，导致原始信息丢失；一种是基于双绞线的有线传输方式，将原始数据上传至分析平台，由分析平台进行处理和解析，但双绞线的使用上也存在3个局限：一是传输距离有限，二是带宽不足，三是容易受到电磁干扰。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种工业设备振动数据采集和传输方法。
本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法，包括以下步骤：
S1、在被测对象上设置多个测点，并在多个测点处分别设置连续均匀采集测点振动信号值的振动传感器；
S2、利用可编程逻辑阵列接收多个振动传感器采集的振动信号值并存储振动信号值；
S3、在可编程逻辑阵列中将振动信号值打包成数据帧；
S4、在可编程逻辑阵列中将数据帧编码成差分曼切斯特码信号；
S5、将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析。
优选的，在步骤S1中，多个测点的传感器并行连续采集。
优选的，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据测点的数量，在可编程逻辑阵列中构建对应数量的协议解析模块，各协议解析模块分别接收各测点的振动信号值，多个协议解析模块都使用同一个控制单元，保证各测点振动信号值同步采集；
S22、针对各协议解析模块分别部署一个双口存储器，协议解析模块通过接口1将采集到的测点数据存入双口存储器中。
优选的，在步骤S3中，在可编程逻辑阵列中实现数据打包模块，当双口存储器中的数据达到阀值后，启动数据打包模块，数据打包模块从存储器的接口2取出各测点的振动信号值，并按照私有通信协议将各测点的振动信号值分别打包成数据帧。
优选的，在步骤S3中，每个数据帧均包含帧号、测点标识、帧起始标识、结束标识、帧长度以及校验位。
优选的，在步骤S4中，在可编程逻辑阵列中实现信号调理模块，信号调理模块将数据帧编码成差分曼切斯特码信号。
优选的，信号调理模块包括分频器、计数器、奇偶校验生成单元、移位寄存器以及信号综合模块；通过分频器将通信速率调整到通信链路能够承受的频率；通过移位寄存器对原始的并行数据转换为串行数据；通过奇偶校验单元计算每段数据的校验位；通过综合模块将校验位和数据位进行合成；通过计数器截取信号长度，产生跳变，最终输出差分曼彻斯特编码信号。
优选的，在步骤S5中，利用光纤作为通信介质将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析。
本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法，基于设备振动信号的数学特性，利用可编程逻辑阵列对数字始信号进行调制，再通过光纤将振动数据发送到上位机；实现多测点数据的同步采集，并将原始的数字信号调理成光信号，用于工业设备振动数据的采集和传输，可以显著提高数据利用的时效性。本发明能够通过多测点同步测量对被测对象的分析维度，同时消除单测点测量误差；通过光信号传输显著提高振动数据的传输速率和传输距离，为工业设备振动分析工作提供了良好的数据基础，同时也适用于其它类型的传感器数据。
附图说明
图1为本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法的流程图；
图2为本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法中协议解析模块的框架图；
图3为本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法中数据打包模块的框架图；
图4为本发明提出的一种工业设备振动数据采集和传输方法中信号调理模块的框架图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出一种工业设备振动数据采集和传输方法，包括以下步骤：
S1、在被测对象上设置多个测点，并在多个测点处分别设置连续均匀采集测点振动信号值的振动传感器。
具体地，在被测目标周围及不同轴向上布置S个振动传感器，构成S个振动测点。根据工业设备的旋转频率f设置振动传感器的采样率，在每一个旋转周期内均匀连续采集，每个测点获得N个采样点，N通常取值256，最终得到连续的数据速率为f*N*S/秒。
S2、利用可编程逻辑阵列接收多个传感器采集的振动信号值并存储振动信号值。
本步骤具体包括：
S21、如图2所示，根据测点的数量，在可编程逻辑阵列中构建对应数量的协议解析模块，各协议解析模块分别接收各测点的振动信号值，多个协议解析模块都使用同一个控制单元，保证各测点振动信号值同步采集；
S22、针对各协议解析模块分别部署一个双口存储器，协议解析模块通过接口1将采集到的测点数据存入双口存储器中。
S3、在可编程逻辑阵列中将振动信号值打包成数据帧。
本步骤具体地，在可编程逻辑阵列中实现数据打包模块，当双口存储器中的数据达到阀值(采集周期的整数倍)后，启动数据打包模块，数据打包模块从存储器的接口2取出各测点的振动信号值，并按照私有通信协议将各测点的振动信号值分别打包成数据帧。每个数据帧均包含帧号、测点标识、帧起始标识、结束标识、帧长度以及校验位。
如图3所示，数据打包模块包括数据计数器、寻址模块、帧计数器、片选控制模块、数据提取模块、聚合模块和移位寄存器。
具体地，数据提取模块每次取出采集周期整数倍的数据量，由一个数据计数器模块控制，每次计数后寻址模块修改双口存储器的地址。片选控制模块与帧计数器结合，取完一帧数据量后，片选信号改变，从相邻测点通道取出下一帧数据。数据聚合模块根据帧计数器生成帧序列号，与原始数据和校验数据组成一个数据帧的主体，并在帧序列号之后添加数据长度，数据长度单位为字节，为原始数据个数的两倍。最后数据聚合模块在帧头和帧尾添加起始和结束标志。起始标志为4个16进制字节：AB，BC，CD，DE，结束标志为4个16进制字节：EF，EF，EF，EF。最后聚合模块将整个数据帧传递给移位寄存器，并启动发送功能。
S4、在可编程逻辑阵列中实现信号调理模块，信号调理模块将数据帧编码成差分曼切斯特码信号。
如图4所示，信号调理模块包括分频器、计数器、奇偶校验生成单元、移位寄存器以及信号综合模块。通过分频器将通信速率调整到通信链路能够承受的频率；通过移位寄存器对原始的并行数据转换为串行数据；通过奇偶校验单元计算每段数据的校验位；通过综合模块将校验位和数据位进行合成；通过计数器截取信号长度，产生跳变，最终输出差分曼彻斯特编码信号。
具体地，数据帧打包完成后，将启动分频器；分频器控制了信号发送的速度，根据传输链路的特性，决定分频器的频率，该频率是通信频率的2倍；该频率驱动一个计数器，用于曼彻斯特码的合成，当计数器为偶数时，综合模块锁存数据位，当计数器为奇数时，综合模块根据数据信息控制输出反转，形成曼彻斯特码所需的信号跳变。曼彻斯特码编制中，每个数据帧由21位组成，其中前四位为同步位，中间16位为数据位，最后一位为奇偶校验位。当计数器数字为0-7时，同步位生成器向综合模块提供数据，当计数器数字为8-39时，移位寄存器向综合模块提供数据，同时移位寄存器向奇偶校验单元提供数据，用于计算奇偶校验位。当计数器数字为40-41时，奇偶校验单元向综合模块提供数据。
S5、将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析。
调制完成的差分曼彻斯特码信号经高速光耦隔离后，由单模光纤模块将电信号转换为光信号，通过光纤将数据信息发送至上级分析平台。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种工业设备振动数据采集和传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在被测对象上设置多个测点，并在多个测点处分别设置连续均匀采集测点振动信号值的振动传感器；
S2、利用可编程逻辑阵列接收多个振动传感器采集的振动信号值并存储振动信号值；
S3、在可编程逻辑阵列中将振动信号值打包成数据帧；
S4、在可编程逻辑阵列中将数据帧编码成差分曼切斯特码信号；
S5、将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据测点的数量，在可编程逻辑阵列中构建对应数量的协议解析模块，各协议解析模块分别接收各测点的振动信号值，多个协议解析模块都使用同一个控制单元，保证各测点振动信号值同步采集；
S22、针对各协议解析模块分别部署一个双口存储器，协议解析模块通过接口1将采集到的测点数据存入双口存储器中；
所述在步骤S3中，在可编程逻辑阵列中实现数据打包模块，当双口存储器中的数据达到阈值后，启动数据打包模块，数据打包模块从存储器的接口2取出各测点的振动信号值，并按照私有通信协议将各测点的振动信号值分别打包成数据帧；
所述在步骤S3中，每个数据帧均包含帧号、测点标识、帧起始标识、结束标识、帧长度以及校验位；
所述在步骤S4中，在可编程逻辑阵列中实现信号调理模块，信号调理模块将数据帧编码成差分曼切斯特码信号；
所述信号调理模块包括分频器、计数器、奇偶校验生成单元、移位寄存器以及信号综合模块；通过分频器将通信速率调整到通信链路能够承受的频率；通过移位寄存器对原始的并行数据转换为串行数据；通过奇偶校验单元计算每段数据的校验位；通过综合模块将校验位和数据位进行合成；通过计数器截取信号长度，产生跳变，最终输出差分曼切斯特编码信号。
2.根据权利要求1所述的工业设备振动数据采集和传输方法，其特征在于，在步骤S1中，多个测点的传感器并行连续采集。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的工业设备振动数据采集和传输方法，其特征在于，在步骤S5中，利用光纤作为通信介质将调制好的差分曼切斯特码信号发送到上位机进行数据分析。
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