一种故障采集检测装置及方法.pdf

本发明涉及一种故障采集检测装置和方法，系统分上下位机，下位机采用数据采集板，承担多路现场快变及缓变数据的采集及预处理；上位机采用PDA，通过串口接收下位机上传的数据。对整个现场监测的任务进行合理的分解：将模拟信号的采集、AD转换以及简单的数据处理部分放在下位机实现，以控制系统的硬件规模及耗电；将数据的进一步处理、现场需要实时分析的显示构件、历史数据重现等放在上位机上实现，以充分利用PDA的处理能力和交互能力。本发明的优点是：侧重于故障诊断仪器的便携性以及低功耗性的设计，又考虑到仪器在数据采集、故障监测分析以及人机交互方面的性能的要求，是拥有多台中大型旋转机械设备的工业现场进行故障监测的高性价比方案。

1、  一种故障采集检测装置，主要包括上位机和下位机，其特征在于：所述的下位机是基于16位MCU的数据采集板，与标准电压式位移和加速度电压传感器相连接，用于承担多路现场快变及缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给上位机；所述的上位机是PDA，用于承担实时数据的二次处理运算、快变及缓变数据的实时动态分析显示及精简的专家系统故障监测，并通过串口接收下位机上传的数据；下位机的COM_PDA串口通过下位机的串口切换开关置与上位机的串口相连接，下位机的COM_PC串口通过下位机的串口切换开关置与PC的串口相连接。

2、  根据权利要求1所述的故障采集检测装置，其特征在于：所述的下位机包括信号整型和调理、放大电路、高频滤波电路、16位高集成度节能型MCU以及其调试接口电路、外扩快速SRAM电路、串口驱动电路、端口切换电路、外围器件供电电路、核心器件供电电路、AD外部电压基准电路。

3、  根据权利要求1或2所述的故障采集检测装置，其特征在于：所述的下位机输入电源接口与上位机PDA的电池输出接口相连接。

4、  根据权利要求1或2所述的故障采集检测装置，其特征在于：
1)、下位机的电源模块，主要由三部分组成：模拟电路电源、数字电路电源和AD基准电压电源；模拟电路电源采用MAX751芯片，用于将1.2V～5.25V的输入电压稳压成5V电压输出；数字电路电源采用AAT3221-3.3芯片，用于将5V电压变为3.3V提供给MSP430F149、HY62WT08081E和MAX2323；MSP430F149片内AD的2.5V基准电压由TVL431芯片提供；
2)、四路传感器的输出端接到JS1的1、2、3、4端，JS1的5、6、7、8端向传感器提供5V电压；四路0～5V的信号经R10～R17分压后进入运放LM324N，LM324N的输出端分别连接C7～C10，对四路信号进行滤波；最后输出AD1～AD4四路信号连接到MSP430F149的A4～A7管脚；
3)、MSP430F149的URXD1和UTXD1管脚连接到串口驱动芯片MAX2323的T1IN和R10UT管脚，从MAX2323的输出管脚T10UT和R1IN连接到开关SW1中；系统在数据采集状态的时候SW1连接MAX2323和JP1端口，使得下位机可以和PDA进行通讯；当系统在数据上传状态的时候SW1连接JP1端口和J1端口，使得PDA直接和PC的串口通讯。
4)、静态随机存储器采用HY62WT08081E，HY62WT08081E的地址总线由MSP430F149的P2口和P5口驱动，数据总线连接MSP430F149的P4口。

5、  一种故障采集检测方法，其特征在于：本手持系统由上、下位机构成，通过上位机PDA的5V锂电池给整个系统供电；现场检测时，系统的传感器接口连到安装在目标设备上的多路振动传感器；传感器的输入电压信号经过系统下位机的信号整型、调理电路以及放大、滤波电路得到AD的输入电压，输出至430的片内集成AD端口；430的12位高精度AD将输入的模拟信号转换成数字信号并做相应的预处理后按照旋转机械设备故障诊断数据传输协议打包成一定格式的数据包存入片外32K的SRAM中；在处于运行状态的上位机向下位机的串口发送一个请求包，下位机收到后从片外的存储器中提取相应的数据包发给片外的RS2323串口驱动芯片并通过COM_PDA串口发给上位机；上位机接收到数据包后按照旋转机械设备故障诊断数据传输协议进行校验、打时间戳和拆包并将各个子包分别存放到几个系统共享内存缓冲区中；上位机的上层应用程序读取缓冲区的数据后根据协议进行解包，并提供给显示构件和专家系统构件；上位机的系统配置模块通过显示构件的系统配置界面得到用户输入的系统配置信息，按照旋转机械设备故障诊断配置协议打成系统配置包，在系统初启的时候按照旋转机械设备故障诊断配置信息传输协议下传给下位机，以实现对下位机的系统配置，如通道数、采样点数、采样平率等的参数设定。

6、  根据权利要求5所述的这种故障采集检测方法，其特征在于：需要将手持系统的数据备份到数据备份服务器或上传到装有专家系统的PC上时，将下位机的串口切换开关置到PC端，这样下位机的COM_PC串口就连接到PC的串口，然后用户进入上位机的数据上传界面来控制数据的传输。

一种故障采集检测装置及方法
技术领域
本发明涉及数据采集检测领域，主要是一种对大中型旋转机电设备的运行状态进行监测和故障预判断的故障采集检测装置及方法。
背景技术
随着现代工业的发展，大中型旋转机电设备(如水泵、鼓风机、汽轮机等)在工业现场应用日益广泛。由于这些设备往往是企业生产的核心设备，一旦出现故障，轻则设备本身受到破坏，重则整个企业的生产受到影响，甚至会出现人身伤亡，因而对其运行状态的监测和故障预判断也愈来愈受到重视。
上世纪九十年代国内外流行的手持式数据采集器因体积小、携带方便等优点而广泛应用于工业现场，但由于其核心芯片大都为8位的单片机，处理能力有限，只能采集单路振动信号的瞬间幅值、峰峰值等离散快变量以及温度、流量等缓变量而不能实现多路实时快变数据的高采样率采集和同步动态时频域显示及历史数据的对比分析，因而不能适应关键设备系统监测和故障预判断的需要。用工控机加数据采集卡的体系替代手持式数据采集仪虽然可以满足重要工业场合对设备运行数据采样、处理的速度和性能方面的要求，但由于工控机体积相对较大，在工业现场很难用一台故障诊断仪对多台相关设备进行综合监测；另外，由于工控机相对价格较高，如果每台设备配一台故障诊断仪将会大大提高生产成本。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺陷，提供一种对大中型旋转机电设备的运行状态进行监测和故障预判断的故障采集检测装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案。这种故障采集检测装置，主要包括上位机和下位机，所述的下位机是基于16位MCU的数据采集板，与标准电压式位移和加速度电压传感器相连接，用于承担多路现场快变及缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给上位机；所述的上位机是PDA，用于承担实时数据的二次处理运算、快变及缓变数据的实时动态分析显示及精简的专家系统故障监测，并通过串口接收下位机上传的数据；下位机的COM PDA串口通过下位机的串口切换开关置与上位机的串口相连接，下位机的COM PC串口通过下位机的串口切换开关置与PC的串口相连接。下位机包括信号整型和调理、放大电路、高频滤波电路、16位高集成度节能型MCU以及其调试接口电路、外扩快速SRAM电路、串口驱动电路、端口切换电路、外围器件供电电路、核心器件供电电路、AD外部电压基准电路等。下位机输入电源接口连接到上位机(PDA)的电池输出接口。上位机通过触摸屏与操作员进行人机交互，完成数据采集的启停控制、系统的参数配置、显示通道的切换及显示参数设置和专家系统的控制。
本发明主要侧重于故障诊断仪器的便携性以及低功耗性的设计，同时又考虑到仪器在数据采集、故障监测分析以及人机交互方面的性能的要求，是拥有多台中大型旋转机械设备的工业现场进行故障监测的高性价比方案。系统分上下位机，下位机是基于16位MCU(微程序控制器)的数据采集板，承担多路现场快变及缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给上位机；上位机是市面上主流的hp公司的PDA(Personal Digital Assistant个人数字助理)，通过串口接收下位机上传的数据，并承担实时数据的二次处理运算、快变及缓变数据的实时动态分析显示及精简的专家系统故障监测等工作。PDA有SD卡扩展能力，可以存储现场采集的实时数据，并可以通过串口或者蓝牙下载到PC上进行进一步的故障趋势分析。本发明对整个现场监测的任务进行合理的分解：将模拟信号的采集、AD转换以及简单的数据处理部分放在下位机实现，以控制系统的硬件规模及耗电；将数据的进一步处理、现场需要实时分析的显示构件、历史数据重现及精简的专家系统放在上位机上实现，以充分利用PDA的处理能力和交互能力；将复杂的历史数据对比分析、设备性能趋势预测以及完整的专家系统放在分析中心的PC上实现。
本发明所述的故障采集检测方法，本系统由上下位机构成，通过上位机PDA的5V锂电池给整个系统供电。现场检测时，系统的传感器接口连到安装在目标设备上的多路振动传感器(传感器路数可以根据现场需要自由选择1路～4路)。传感器的输入电压信号经过系统下位机的信号整型、调理电路以及放大、滤波电路得到AD地输入电压，输出至430的片内集成AD端口。430的12位高精度AD将输入的模拟信号转换成数字信号并做相应的预处理后按照旋转机械设备故障诊断数据传输协议打包成一定格式的数据包存入片外32K的SRAM中。在处于运行状态的上位机向下位机的串口发送一个请求包，下位机收到后从片外的存储器中提取相应的数据包发给片外的RS2323串口驱动芯片并通过COM_PDA串口发给上位机。上位机接收到数据包后按照旋转机械设备故障诊断数据传输协议进行校验、打时间戳和拆包并将各个子包分别存放到几个系统共享内存缓冲区中。上位机的上层应用程序读取缓冲区的数据后根据协议进行解包，并提供给显示构件和专家系统构件。上位机的系统配置模块通过显示构件的系统配置界面得到用户输入的系统配置信息，按照旋转机械设备故障诊断配置协议打成系统配置包，在系统初启的时候按照旋转机械设备故障诊断配置信息传输协议下传给下位机，以实现对下位机的系统配置，如通道数、采样点数、采样平率等的参数设定。需要将手持系统的数据备份到数据备份服务器或上传到装有专家系统的PC上时，需将下位机的串口切换开关置到PC端，这样下位机的COM_PC串口就连接到PC的串口，然后用户进入上位机的数据上传界面来控制数据的传输。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1.解决了便携式手持故障检测仪计算能力有限，无法处理高数据采样频率采样目标设备运行时的振动信号的问题。本发明可以最多4四路同时以50kHz的采样频率采集振动信号，并通过处理能力较强的PDA(主频400MHZ)来进行信号的显示和故障的分析。
2.采用前端数据采集和后端数据分析处理分离的体系，使得需要大量实时中断、AD转换的数据采集工作不会影响到后端的数据处理和显示；而需要大量占用CPU时间的界面操作和专家系统也不会影响到前端的数据采集。
3.下位机使用两套隔离的电源系统，5V提供给采用模拟电路部分、3.3V提供给数字电路部分。这种设计一方面使得模数电路的隔离，防止互相干扰，另一方面由于核心部分电压较低，降低了整个系统的整体功耗。
4.由于不管是使用光耦还是隔离放大器隔离，都会有较高的耗电量，而且电路复杂度会增加，本发明使用一片LM324N运放作为跟随器，虽然隔离效果没有前两者好，但在现场强电以外的串入时起到一定的保护作用，在能耗与功能之间做了较好的平衡。
5.采用PDA的锂电池供电，使得系统的体积和下位机供电电路的复杂度大大减小。当系统电池耗尽时，可用PDA自带的充电器充电。
6.由于系统采用PDA的锂电池供电，所以电压可能会在一个范围内浮动，所以430的AD转换基准电压采用外部基准电压芯片提供，以保证AD的转换精度。
7.上位机软件采用模块化设计，系统功能扩展方便。
因此它是具有多台中大型旋转机械设备(如水泵、鼓风机、汽轮机等)工业现场的低成本高效率的故障采集检测分析解决方案。比如，一个车间的6台水泵可以作为一组，每台水泵只用配备若干传感器，操作人员使用一台本发明定期对该组内的6台机器进行轮检。通过PDA的液晶屏幕操作人员可以了解设备当时的运行状态，并可以通过振动频谱图或精简专家系统进行简单的故障的判断。操作人员可以定期将本发明采集的现场数据上传到PC上做备份，PC上的故障分析软件(是本系统上位机软件的加强版)将对每台设备的历史运行情况做趋势预测，也可比较两台同类型的设备的相关数据，以最大限度的预测可能发生的故障。
附图说明
图1：本发明现场与目标设备的硬件连接示意图；
图2：下位机总体硬件框图；
图3：下位机电路MCU部分；
图4：下位机电路电源部分；
图5：下位机电路模拟部分；
图6：下位机电路外扩SRAM和串口部分；
图7：下位机程序框图；
图8：上位机软件整体架构
图9：上位机数据采集管理模块架构
图10：历史数据分析构件程序流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍：
图1给出了本发明在现场的连接示意图。现场振动传感器可以固定在目标设备的多个方位，如主轴或从轴的X径向、Y径向、轴向等，以检测其轴心轨迹的变化、轴向窜动的幅度、机座的振动幅度等设备运行数据。下位机的硬件电路包括MCU部分、电源部分、模拟部分、外扩SRAM和串口部分。
图2是下位机的硬件总体框架图。连接在工业现场目标设备上的多路传感器模拟信号经过信号调理电路得到需要采集的频谱范围信号，再经过集成运放，将信号放大到MCU内部AD的输入电压范围。MCU的集成AD将所采集的模拟信号转化成数字信号后作适当的前期数据处理并打成符合旋转机械设备故障诊断数据传输协议的数据包，通过串口芯片RS2323发送给上位机。系统的电源由单独的电源芯片提供，该芯片同时也提供传感器的电源。另外，考虑到系统由电池供电，因而采用专门的基准电压芯片给MCU集成的AD提供基准电压，以保证系统AD采样精度。
如图3所示，本系统采用TI公司的16位MSP430F149芯片。该芯片具有超低功耗(160uA@1MHz，2.2V)、5种节能模式、12位RISC指令结构12位200kbps片内AD、两通道串行接口、硬件乘法器等性能，十分符合本发明要求的低功耗、高集成度、强处理能力的要求。芯片的时钟源有多种模式，外部的32.768kHz低速晶振在系统省电模式启用，8MHz在系统全速运行的时候启动。手动复位电路提供足够的低电平时间以确保系统。MSP430F149有专用的在线调试端口JTAG，可以通过仿真器与PC的并口相连，在下位机程序测试通过并下载到板子上后可以将该接口拆除。
图4是下位机的电源模块，主要由三部分组成：模拟电路电源、数字电路电源和AD基准电压电源。模拟电路电源采用MAX751芯片，该芯片可以将1.2V～5.25V的输入电压稳压成5V电压输出，非常适合电池供电的系统使用。数字电路电源采用AAT3221-3.3芯片将5V电压变为3.3V提供给MSP430F149、HY62WT08081E和MAX2323。MSP430F149片内AD的2.5V基准电压由TVL431芯片提供。
如图5所示，四路传感器的输出端接到JS1的1、2、3、4端，JS1的5、6、7、8端向传感器提供5V电压。四路0～5V的信号经R10～R17分压后进入运放LM324N，LM324N的输出端分别连接C7～C10，对四路信号进行滤波。最后输出AD1～AD4四路信号连接到MSP430F149的A4～A7管脚。
如图6所示，MSP430F149的URXD1和UTXD1管脚连接到串口驱动芯片MAX2323的T1IN和R10UT管脚，从MAX2323的输出管脚T10UT和R1IN连接到开关SW1中。系统在数据采集状态的时候SW1连接MAX2323和JP1端口，使得下位机可以和PDA进行通讯。当系统在数据上传状态的时候SW1连接JP1端口和J1端口，使得PDA直接和PC的串口通讯。由于振动信号的数据量比较大，4个通道同时以最高采样平率采集将产生4K左右的的数据量，而MSP430F149片内只有2K的RAM，加上数据接收和发送缓冲区需要存同时容纳多个包，所以必须外扩SRAM。HY62WT08081E是高速低功耗32K的CMOS(互补金属氧化物半导体)静态随机存储器，可以和MSP430F149的访问速度兼容。HY62WT08081E的地址总线由MSP430F149的P2口和P5口驱动，数据总线连接MSP430F149的P4口。
下位机的程序主要由串口和定时器中断处理函数和一个主函数，以及一些IO操作函数构成。图7给出了主函数的流程，程序再在做了一些初始化工作之后，开启中断，然后根据串口中断函数接收的指令选择程序流程：
1.如果收到系统配置指令，则系统从上位机接收系统参数配置包(该配置包遵守旋转机械设备故障诊断配置信息传输协议，其格式如表1所示)，并根据收到的配置信息配置系统参数，包括缓存区的大小设置、定时器采样的间隔、AD采样的参数等。当下位机完成系统配置后，便向上位机发送确认包。
2.如果收到暂停采集指令，则系统关闭CPU时钟及电源，使系统进入休眠状态，降低系统功率。同时430仍然提供片内设备IO的时钟及电源，一旦串口收到数据便立刻唤醒CPU。
3.如果收到上传数据指令，则系统进入数据打包发送部分。首先关闭定时器中断停止采样，然后检查哪个缓存区数据已经准备好，将准备好的数据取出，根据旋转机械设备故障诊断数据传输协议打成上行数据包(其格式如表2、表3所示)，并调用串口发送函数将数据包上传。
图8为上位机的体系架构。上位机(hp5500 PDA)是惠普公司生产的高端个人数字助理，该PDA的CPU是intel公司的高性能嵌入式处理芯片Xscale255，并集成了32M的SDRAM、16M的FLASH、从端USB接口、蓝牙和异步串口通讯模块、7寸TFT液晶以及触摸屏等，并可扩展SD卡，基本可以满足本系统上位机的性能需求。上位机的操作系统是嵌入式ARM-linux，驱动程序和数据采集管理构件分别是用C和C++编写，用户图形交互构件、专家系统构件、历史数据分析构件是用Trolltech公司的QT库开发而成。
其中数据采集管理构件负责上位机底层数据调度管理，其内部子模块功能框图如图9所示，其主要功能如下：
1、数据接收。
数据采集子模块采用轮询方式调用串口驱动提供的read函数来得到来自下位机的实时数据。轮询的频率一定，高于下位机的最高传输速率。
2、数据管理。
数据采集子模块将收到的数据包拆包成三个子包，分别是：快变数据子包、静态数据子包、缓变数据&开关量数据子包。然后分类存放在正对不同应用的四个的缓存中——面向正常数据保存静态数据缓存、面向显示的快变数据缓存、面向正常数据保存的快变数据缓存和面向故障数据保存的快变数据缓存。
3、向上层应用提供数据解包访问接口。
由缓冲区操作子模块实现，主要是面向显示模块、嵌入式专家系统专家系统。
4、数据存盘。
数据存盘子模块将缓存中非实时的数据进行存盘操作。四个缓存区有不同的存盘频率，其中面向故障数据保存的快变数据缓存只有在故障时才存盘。存盘的具体操作由另一个fork出来的子进程进行，以免数据采集进程等待磁盘I/O操作而降低接收数据的实时性。父子进程间需要通过信号量来同步，以保证存盘子进程读到正确的数据。
5、为用户应用进程提供系统配置接口。
用户应用进程通过系统配置子模块，把初始配置打成下行初始配置命令包，下传给下位机，以实现对下位机的初始配置。在设备运行时，用户应用进程根据所采集的数据判断电机的运行状况是否故障或升降速，并调用本模块提供的接口向下位机发送实时动态指令包，对下位机的状态进行实时控制。另外，用户可以输入开始或停止数据采集命令，以控制下位机的工作。同时用户进程的命令和配置信息通过共享内存(参数配置表)通知与本模块的进程。
监测参数配置表的状态，若发现控制参数改变立即作出相应的响应。例如进入故障处理状态、停机等。
创建共享数据缓存区(包括缓存区1、2、4)和参数配置表。并把参数配置表中实时动态指令状态中的开始/停止位设为停止。
上位机用户图形交互构件的子模块如表4所示。时域图、频域图、轴心轨迹图、缓变数据趋势图、静态数据趋势图、柱状图等构件。其实现主要是调用数据采集管理模块的缓冲区操作子模块读取缓冲区中的实时数据，并调用信号分析处理构件计算得到需要的数据分类显示。用户图形交互构件是配置的，即用户可以根据现场设备的特点而定制自己的用户界面，以实现诊断仪的灵活配置并提高软件运行效率。
专家系统和显示构件一样也是调用数据采集管理模块的缓冲区操作子模块读取缓冲区中的实时数据，然后调用模块自身的可配置的规则，并将判断结果显示在界面。由于PDA的存储容量有限，所以不可能在手持式故障诊断仪上实现很复杂的专家系统，用户可以根据现场情况选用一定的判断规则，对设备的某几个关键量进行状态分析和故障预测。
如图10所示，上位机的历史数据分析构件主要是调用调用数据采集管理模块从PDA的SD卡中获得历史运行数据记录，并根据用户的界面命令实现数据的播放操作。历史数据的重现可以使现场工作人员很方便的找到需要查询时刻的设备运行数据(特别是故障时刻)，并可对比当前设备的运行数据，得出设备当前的运行状态。
表1：