基于Labview的故障診斷虛擬儀器開發(fā)及應用研究

1、河南理工大學碩士學位論文基于Labview的故障診斷虛擬儀器開發(fā)及應用研究姓名：張新紅申請學位級別：碩士專業(yè)：機械設計及理論指導教師：荊雙喜20050601摘要摘要虛擬儀器是一種嶄新的儀器設計理念，論文將虛擬儀器技術引入礦山機械的故障診斷，針對被監(jiān)測設備的工況特點，進行了基于虛擬儀器技術的煤礦提升機故障診斷技術的應用研究，開發(fā)出一套適用于現(xiàn)場應用的機械設備故障診斷虛擬儀器，并將其應用于煤礦提升機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。論文開發(fā)的基于和多功能數(shù)據(jù)采集卡的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷虛擬儀器，采用了高速磁盤流技術、逐點分析技術和信號分析與處理功能實現(xiàn)了振動信號的高速采集、實時分析和搬遷處理。工程應用說明了該系

2、統(tǒng)硬件配置合理、工作穩(wěn)定可靠、人機界面操作方便、軟件設計精度滿足現(xiàn)場要求，取得了良好的效果。論文針對提升機異常振動，利用長數(shù)據(jù)點頻譜分析和飼頻譜分析的綜合應用，診斷出提升機齒輪箱的磨損故障，并通過劣化指數(shù)的計算，定量地說明了磨損故障的發(fā)展情況。利用短時傅立葉變換和小波變換對提升機的非平穩(wěn)信號進行了分析，準確地完成了設備故障特征的提取。研究了在中實現(xiàn)分形濾波的方法，分析了分形濾波具有良好的時頻特性，能夠真實地反映信號。根據(jù)現(xiàn)有盒維數(shù)計算中的缺點，用矩形代替正方形對盒維數(shù)的算法進行改造，并將其應用于設備故障診斷。將分形理論與小波分析相結合，利用攘體分形盒維數(shù)來揭示設備的狀態(tài)、局部分形盒維數(shù)定量地描

3、述信號的細節(jié)特征，達到設備故障識別的目的。關鍵字：故障診斷虛擬儀器分形小波分析玩嘰咖弘知印咖王砌黜觚鼬試孤弘血硒姍缸一細船武協(xié)，碰，曲，紕鋤矗，吼：把，強主也至刪卻蜘丘重仃郵蛐啪明圭弧刪，也伯主蛐廿璐珊印鋤王僦亂）【甑丘曲、，角僦血觚，加主沁喇扭明王，、血甜曲王融也王矗“：雒舛；蛐；觸；把嘶河南理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。論文中除了特別加以標注和致謝的地方外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。本人學位論文與資料若有不實

4、，愿意承擔一切相關的法律責任。學位論文作者簽名：多一，年月，日河南理工大學學位論文知識產(chǎn)權聲明書本人完全了解學校有關保護知識產(chǎn)權的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬于河南理工大學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學?？梢詫⒈緦W位論文的全都或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密論文待解密后適用本聲明。學位論文作者簽名：主亟一，年月，矽，年月日指導教師簽名硝年月，日紅彩緒論緒論機械故障診斷技術的意義和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設備的結構越來

5、越復雜。機械設備的大型化、連續(xù)化、高速化和自動化帶來生產(chǎn)率的提高、成本的降低，能源和人力資源節(jié)約的同時，設備故障的潛在可能性和方式也相應增加，一旦發(fā)生故障，就有可能破壞整臺設備甚至整個生產(chǎn)過程，造成巨大的經(jīng)濟損失、重大的人員傷亡、嚴重的環(huán)境污染和惡劣的社會影響。因此，應用故障診斷技術對機器設備進行實時在線診斷，及時地發(fā)現(xiàn)和預測故障、預防故障的發(fā)生，以降低維修成本、縮短維修時間并提高設備運行的安全性與可靠性勢在必行。故障診斷技術是世紀年代初，由于軍工、航天的需要由美國最早發(fā)展起來的新技術。年快速傅立葉算法的出現(xiàn)為故障診斷技術奠定了技術基礎，世紀年代末期，電子測量技術和頻譜分析技術被應用到機械故障

6、診斷領域中，國外大型旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術開始進入實用化階段。到了世紀年代中期，以微機為中心的現(xiàn)代機械故障診斷技術得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)。作為最早發(fā)展故障診斷技術的國家，美國的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術在航空航天、軍事等領域在世界上處于領先地位，而英國在摩擦磨損、汽車、飛機發(fā)電機監(jiān)測和診斷方面目前仍具有領先的地位。歐洲一些國家的診斷技術也有很大進展，如瑞典公司的軸承簸鍘技術，丹麥公司的振動、噪聲監(jiān)測技術，挪威的船舶診斷技術各有特色。日本的診斷技術研究起步于年代發(fā)展迅速，其特點是在民用工業(yè)如鋼鐵、化工、鐵路等方面具有很大優(yōu)勢。我國的故障診斷技術起始于世紀年代，許多高

7、校和科研機構都展開了故障診斷技術的研究工作，并在理論與方法研究以及技術應用研究方面取得了一些可喜的研究成果，也取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，并形成了科學體系。我國在理論研究方面已接近國際先進水平，但在智能診斷儀器、傳感器、信號的采集與分析儀器的研制和開發(fā)方面與發(fā)達國家還有一定的差距，在實際應用中也存在著一些問題。機械故障診斷技術發(fā)展到今天，已經(jīng)成為一門獨立的跨學科的綜合技術，是河南理工大學碩十學位論文以可靠性理論、信息論、振動理論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎，以現(xiàn)代測試儀器和計算機為技術手段，結合各種診斷對象的特殊規(guī)律而逐步形成的一門新興學科【】。它大體上有三部分組成：（）機械設備故障楓理的研

8、究，揭示設備故障的形成原因、表現(xiàn)形式以及發(fā)展規(guī)律；（）故障診斷信息學的研究，主要研究故障信號的采集、選擇、分析與處理過程，為設備狀態(tài)的識別與評價提供依據(jù)；（）珍斷邏輯與數(shù)學原理方面的研究，主要是通過邏輯方法、模型方法、推論方法以及人工智能方法，根據(jù)所觀測的設備故障表征來確定下一步的檢測部位，最終分析判斷故障發(fā)生的部位和故障產(chǎn)生的原因。如今故障診斷技術從振動監(jiān)測、油液分析、噪聲監(jiān)測技術、紅外測溫技術、發(fā)聲技術以及無損監(jiān)測技術等傳統(tǒng)的診斷方法發(fā)展到現(xiàn)代數(shù)學診斷方法和智能診斷方法。小波分析法、混沌分析與分形幾何法等數(shù)學診斷方法和模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能診斷方法在故障診斷領域得到了廣泛的應用

9、。目前故障診斷技術發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化，診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術的智能化，具體表現(xiàn)在一下幾個方面：（）與最新傳感器技術特別是激光測試技術的結合；（）最新信號處理方法在本領域內(nèi)的應用：（）與非線性理論和方法的融合；（）與多元傳感器信息的融合；（）與現(xiàn)代智能方法的結合：（）網(wǎng)絡技術在遠程故障診斷中的應用和發(fā)展。虛擬儀器技術與的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)實意義故障診斷技術的各種理論研究和方法探討最終都必須落實到具體診斷裝置的研制上，也就是說只有檢測診斷系統(tǒng)或工具的研制成功才能真正地產(chǎn)生社會效益和經(jīng)濟效益?，F(xiàn)代化生產(chǎn)要求儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，測試速度快、實時性好以及具有友

10、好的人機界面。由于傳統(tǒng)的測控儀器以硬件為關鍵，其開發(fā)與維護的費用高、技術更新周期長、價格高、儀器功能柔性差、系統(tǒng)封閉以及不易與其他設備連接等特點，越來越滿足不了科技進步的要求。而虛擬儀器的關鍵是軟件，其功能可由用戶自己定義，可用網(wǎng)絡聯(lián)絡周邊各儀器，數(shù)據(jù)可存儲編輯，技術更新快，而且價格和軟件開發(fā)維護費用低，能實現(xiàn)自動化、智能化、遠距離傳輸，具有開放性、靈活性、可與計算機同步，可重復用和重配置的優(yōu)點。鑒于上述原因，基于計算機技術的測量儀器的出現(xiàn)對測控儀器產(chǎn)生了較為深刻的影響，通用化、智能化和網(wǎng)絡化的虛擬儀器技術則代表了現(xiàn)代測試技術和儀器技緒論術的發(fā)展方向，成為研究熱點【”。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破

11、了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，在測試系統(tǒng)和儀器設計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器最簡單、最本質(zhì)的特征。虛擬儀器技術包括硬件技術和軟件技術，硬件技術以、等先進的計算機接口總線發(fā)展為標志，其功能是獲取被測的物理信號；軟件技術則以、和等最新軟件標準和、等先進開發(fā)平臺為核心的，其作用是控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運行的命令環(huán)境。虛擬儀器也就是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，

12、就像在操作自己定義、自己設計的儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。和傳統(tǒng)的儀器一樣，虛擬儀器一般由輸入、輸出和數(shù)據(jù)處理三部分組成：輸入：對測試的物理信號進行信號調(diào)理，并將模擬信號轉換成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理：根據(jù)測試要求對輸入信號進行各種分析和處理。輸出：完成數(shù)字信號轉換成模擬信號并進行必要的信號調(diào)理。根據(jù)硬件構成和軟件選擇的不同，虛擬儀器的構成有多種方案，通常采用以下幾種如圖所示，“。叫圖像采集、一信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡卜一叫接口儀器接口卡卜曲、“十串口儀器，等其他軟件叫儀器現(xiàn)場總線設備一圖一虛擬儀器組成的基本框圖啪河南理工大學碩士學位論文從年美國研制成功了世界上第

13、一臺虛擬儀器，隨著微電子技術、計算機技術、軟件設計技術、計算機網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展及它們在測量領域的廣泛應用，使虛擬儀器得到了迅猛的發(fā)展。目前用于虛擬儀器開發(fā)的語言環(huán)境有兩類：一類是可視化的文本式編輯語言，如，曲、“；另一類是圖形化編程語言，具有代表性的有和等?？偩€的出現(xiàn)，使得虛擬儀器設計有了一個高可靠性的硬件平臺，已出現(xiàn)了確于射頻和微波領域的高端儀器。而總線方式的虛擬儀器，把臺式性價比和總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，而且具有很大的價格優(yōu)勢，形成了主要的虛擬儀器平臺。經(jīng)過十余年的發(fā)展，虛擬儀器技術正沿著總線與驅動程序的標準化、硬軟件的模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用（）化等方向

14、發(fā)展，具有以下幾個技術優(yōu)勢：（）虛擬儀器的硬件、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用以及互換性等特點。用戶可以根據(jù)需要很方便地構造自己需要的虛擬儀器系統(tǒng)，通過增減硬、軟件模塊或是重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足各種不同的測試要求，盡量減少測試投資。（）計算機技術是虛擬儀器發(fā)展的強大動力，為虛擬儀器提供了最先進以及性價比最好的顯示、處理和存儲能力。由于計算機技術，尤其是計算機總線標準技術的發(fā)展使得在和兩個領域中得到了快速的發(fā)展，成為儀器行業(yè)的兩大主流產(chǎn)品。（）軟件成為虛擬儀器發(fā)展的關鍵。由于計算機能提供遠勝于儀器內(nèi)部的處理能力，在給定了計算機的運算能力和必要的儀器硬件后，用戶就可以通過軟件開發(fā)平臺構造出幾

15、乎任意功能的儀囂以滿足需要。目前，國際上生產(chǎn)虛擬儀器的廠家主要由公司、們公司、公司、紕公司和砷公司等，從年虛擬儀器產(chǎn)品問世以來，到年底有余家生產(chǎn)廠家的千余種虛擬儀器產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)。近幾年來我國對于虛擬儀器的研究也取得了很多成果，清華大學、復旦大學、上海交通大學、國防科技大學、重慶大學、華中科技大學等高校及泛華公司等在研究開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和引進美國公司和公司產(chǎn)品方面做出了許多有益的工作，并取得了一系列成果。東方振動與噪聲研究所研制成功了國內(nèi)的第一臺虛擬儀器卡泰、用于臺式機的和便攜式筆記本的虛擬測試系統(tǒng)，提出了“把實驗室領著走”的口號。緒論是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（瑚既）的簡稱，是美國公司開發(fā)的

16、創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應用最廣、發(fā)眨最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。和傳統(tǒng)的編程語言一樣，定義了數(shù)據(jù)模型、結構類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素；具有各種各樣功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析和顯示、數(shù)據(jù)存儲以及網(wǎng)絡功能：同時具有完善的仿真、調(diào)試工具，如設置斷點、單步調(diào)試和數(shù)據(jù)探針等功能；的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他的語言更方便、更有效。由，編寫的程序被稱為虛擬儀器（髓），因為它的界面和功能與真實的儀器十分相像，在環(huán)境下開發(fā)的應用程序都以為后綴，表示虛擬儀器的含義。一個由交互式用戶界面（）、數(shù)據(jù)流框圖（咖）和圖標連接端

17、口（仃）三部分組成，各部分功能如下：（）前面板與真實的物理儀器面板相似，包括旋鈕、按鈕、圖形和其它控制與顯示元件和其他界面工具，允許用戶通過鼠標或鍵盤獲取數(shù)據(jù)并顯示結果。（）流程框圖用于接受和執(zhí)行指令，通過圖表代碼和連線完成算術和邏輯運算，是的源程序代碼。（）圖標和連接端口的功能就像一個圖形化參數(shù)列表，用于與之間傳遞數(shù)據(jù)。一個可以作為上層獨立程序，也可以作為其它程序的子程序，實現(xiàn)了層次性和模塊化的編程思想。從年美國公司開發(fā)研制出它基于蘋果公司的微機的最早版本起，該公司不斷推出了基于各種操作系統(tǒng)的版本，目前已經(jīng)發(fā)展到以最新版本抽為核心，包括控俸出與仿真、高級數(shù)字信號處理、統(tǒng)計過程控制、模糊控制和

18、控制等眾多功能，運行于伸、等多種平臺的工業(yè)標準軟件開發(fā)環(huán)境。還提供了一定的設備支持，能支持串口、）（等標準總線和多種數(shù)據(jù)采集卡，可以驅動非公司的儀器，如、昀、等，通過調(diào)用聃動態(tài)連接庫和用戶自定義的動態(tài)連接庠中的函數(shù)，解決非公司支持的標準硬件在使用過程中的驅動問題。與傳統(tǒng)的文本語言根本不同，后者是基于文本語言，運行機制是命令流驅動：而采用圖形化程序設計語言，為數(shù)據(jù)流控制模式，正是的出現(xiàn)開創(chuàng)了虛擬儀器的研究新方法。采用圖形化語言編程，以方框圖的形式編輯河南理工大學碩士學位論文程序，運用的設備圖標和科學家、工程師習慣的大部分圖標基本一致，使得編程過程和思維過程非常相似，作為優(yōu)秀的圖形化語言得到了工業(yè)

19、界和學術界的認可”。儀器產(chǎn)業(yè)是代表一個國家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個重要領域，我國工業(yè)基礎相對落后，儀器尤其是高性能科學儀器產(chǎn)品在設計、加工水平、測量精度、可靠性、功能以及易用性等方面與先進國家仍存在差距。當前各種測試軟件、專用集成電路、固化軟件的廣泛應用系統(tǒng)技術和模塊化儀器的迅速發(fā)展，都給虛擬儀器的研究和應用刨造了良好的條件。虛擬儀器改變了人們的儀器傳統(tǒng)觀念，向著現(xiàn)代測試網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展，應用前景十分廣泛。采用虛擬儀器技術，將過去儀器中許多靠硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集與技術，開發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測量儀器，可班節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費用，縮短我國與先進國家在儀器領

20、域的差距，具有重要的經(jīng)躋意義和社會意義。虛擬儀器技術在煤礦提升機故障診斷中的應用和發(fā)展現(xiàn)狀煤礦提升機是集機、電、液于一體的大型復雜設備，擔負蔫提升煤炭、矸石，下放材料，升降人員和設備的任務，是煤礦生產(chǎn)的關鍵設備之，具有功率大，任務重的特點，一旦發(fā)生故障，造成的損失很大。因此，對提升機進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，保證提升機安全運行、避免惡性事故的發(fā)生有著重要的社會意義和經(jīng)濟價值。故障診斷技術一直與設備維修密切相關，因此，與維修的發(fā)展階段相對應，故障診斷技術的發(fā)展可分為以下幾個階段；（）事后維修階段。在世紀工業(yè)化初期，由于機械設備的技術水平和復雜程度低，主要采用事后維修方式。當設備在運行中突然發(fā)生了故

21、障，才被迫停機修理，故障診斷的目的就是迅速找到故障部位。為機器的迅速修復提供依據(jù)，故障診斷的手段是通過對設備的解體分析并借助以往的經(jīng)驗以及一些簡單的儀器。（）預知維修階段。進入世紀后，隨著科學大生產(chǎn)的發(fā)展，機器設備本身韻技術復雜程度也有所提高，設備故障或事故發(fā)生的影響顯著增加，因此出現(xiàn)了更科學合理的根據(jù)設備狀態(tài)維修的維修方式。隨著傳感器技術，電子技術和信號處理技術的發(fā)展，這一階段的診斷手段主要是一些簡單的狀態(tài)監(jiān)測儀，多設有一定運行參數(shù)的報警值，能夠對突發(fā)故障進行預測。利用振動、噪聲、溫度等多種信息作為設備診斷的信息源，發(fā)展了振動診斷技術、聲發(fā)射診斷技術、鐵譜診斷技術、光譜診斷技術、無損監(jiān)測診斷

22、技術和熱技術、聲發(fā)射診斷技術、鐵譜診斷技術、光譜診斷技術、無損監(jiān)測診斷技術和熱緒論成像檢測技術等診斷方法，這時的故障診斷的目的在于為合理的維修周期的制定提供依據(jù)，并在定期維修前檢查突發(fā)性故障。（）狀態(tài)監(jiān)測階段。世紀年代起，出現(xiàn)了更為科學的按設備狀態(tài)維修的方式，這一階段以狀態(tài)監(jiān)測為中，維修的策略是定期地對設備進行監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測的結果決定是否對設備進行維修。這樣可以避免預防維修中的過剩維修，大大降低維修成本，為預測性維修。其手段是以信號采集與處理為中心，多層次、多角度地利用各種信息對設備運行狀態(tài)進行評估。（）世紀年代后期，人工智能技術、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展以及在工程中應用，使得故障診斷

23、技術達到了智能程度。雖然這一階段發(fā)展的歷史并不長，但根據(jù)已有的研究成果表明，設備智能診斷具有十分廣闊的應用前景。隨著故障診斷技術的發(fā)展，如今煤礦提升機故障診斷已發(fā)展成為集數(shù)學、力學、信號處理、人工智能、傳感器技術等各種現(xiàn)代科學技術予一體的新興交叉學科，其理論研究和診斷方法研究以及應用均有了很大的發(fā)展。國內(nèi)外大量學者對于轉子一軸承系統(tǒng)、滾動軸承、齒輪的典型故障的機理進行了大量的理論和實驗研究”；國外在提升機狀態(tài)監(jiān)護方面發(fā)展較早，水平也比較高，具有代表性的是、公司的提升機監(jiān)測系統(tǒng)，其主要技術均采用工控機或，對提升機安全系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和制動系統(tǒng)中的大部分參數(shù)實行了監(jiān)測和控制，提高了提升機運行的安

24、全性和可靠性【，我國也根據(jù)實際情況，對原有的老提升機進行了一些計算機輔助監(jiān)測的研究【叭。但這些還都是模擬式的檢測儀表，針對提升機的故障監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)目前在國內(nèi)還很少，基于微機的實時在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)和便攜式監(jiān)測分析系統(tǒng)是提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的趨勢，這類系統(tǒng)具有強大的信號分析與數(shù)據(jù)管理功能，可以全面記錄反映提升機運行狀態(tài)變化的各種信息。新的理論和方法如神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學、智能系統(tǒng)和小波理論等被應用到了提升機故障診斷中。劉玢利用模糊數(shù)學的方法和原理，對煤礦提升機運行狀態(tài)的故障診斷和保護系統(tǒng)進行了研究，并開發(fā)了故障診斷專家系統(tǒng)【：馬小平運用專家系統(tǒng)，建立的故障診斷系統(tǒng)成功地應用于臼提升機【】

25、；張厚斌】對提升機的故障進行分類并建立故障模型，探討了故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的結構及工作原理：文獻，】將小波分析和小波包分解應用到提升機出現(xiàn)的非平穩(wěn)振動故障，實現(xiàn)了信噪分離、微弱信號的提取，有效地診斷出提升機的故障；夏本春采用綜合分析、逐步排除的方法相結合，對提升機快速軸軸承保持架斷裂頻發(fā)事故的現(xiàn)象河南理工大學碩士學位論文進行分析，為檢修提供了技術指導：付華研究了基于多傳感器信息融合的煤礦提升機監(jiān)測系統(tǒng)，準確地進行了提升機的動態(tài)監(jiān)測、故障診斷及事故處理【。虛擬儀器技術實現(xiàn)了計算機技術和儀器的完美結合，具有驚人的發(fā)展速度。目前虛擬儀器技術已廣泛應用于振動測試、機械監(jiān)控、汽車測試等各種科研和生產(chǎn)領域，

26、在故障診斷領域中也有一定的發(fā)展和應用【”，國內(nèi)李增芳開發(fā)了基于虛擬儀器技術和灰色理論的發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)【；侯榮濤研究了基于技術的發(fā)電機組在線監(jiān)測和故障診斷【捌；張?zhí)旌辍舞〉劝褢糜谶h程設備監(jiān)測和故障診斷融】；季厭庸等把虛擬儀器技術和神經(jīng)網(wǎng)絡相結合應用于旋轉機械的故障診斷【。但在礦山機械故障診斷中的應用研究還很少，特別是在研究提升機故障診斷這一領域更是如此。本課題的研究將虛擬儀器技術引入提升機故障診斷領域，利用虛擬儀器技術軟件、硬件模塊化的特點，依托于計算機的強大動力支持，根據(jù)需要快速地開發(fā)出功能強大、性價比高、對惡劣環(huán)境適應性強的提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

27、系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有結構簡單、開發(fā)周期短、技術更新快、功能豐富、精度高、操作便捷、可重復使用、重配置的優(yōu)點以及具有友好的人機交互界面等優(yōu)勢，因此本課題研究在推進虛擬儀器技術在提升機故障診斷中的應用中不但具有良好的經(jīng)濟效果和社會效益，還具有一定新穎性。本課題研究的目的和意義課題的目的是通過利用這一圖形化編程語言開發(fā)出適用于煤礦提升機故障診斷的軟件，充分地發(fā)揮虛擬儀器技術智能化、網(wǎng)絡化、性能價格比高、可操作性和環(huán)境適應性強等方面的技術優(yōu)勢，使測試精度、穩(wěn)定性和可靠性得到充分保障的同時，能夠為煤礦工業(yè)提供性能價格比高、投資少、功能更新與擴充快的測試設備，以提高煤礦上對提升機設備的故障診斷、監(jiān)測和維護

28、的可靠性和便利性，對于提高生產(chǎn)的安全性有著重大的現(xiàn)實意義。本課題研究的故障診斷虛擬儀器技術，結合了虛擬儀器技術和現(xiàn)代故障診斷技術兩者的優(yōu)點，是一種新型故障診斷技術，可以充分地利用虛擬儀器技術的優(yōu)勢，用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測控儀器，可解決目前機械故障診斷中存在的些經(jīng)濟和技術問題。必將在設備故障診斷中發(fā)揮其巨大的潛在作用，對機械故障診斷具有熏大而深遠的意義并具有廣闊的應用前景，其具體意義表現(xiàn)如下幾個方面：（）開發(fā)了基于平臺和多功能數(shù)據(jù)采集卡的機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故緒論障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速磁盤流技術、逐點分析技術和信號分析與處理功能實現(xiàn)了現(xiàn)場振動信號的高速采集、實時分析和精密處理，并將該系統(tǒng)應用于煤礦

29、提升機的故障診斷，對于及時了解提升機的運行狀況，保證其安全運行有著重要的經(jīng)濟價值和社會意義。（）利用功能強大的圖形化編程語言實現(xiàn)了信號的頻譜分析、細化分析、倒頻譜分析、小波分析以及三維譜陣分析等多種處理方法，將虛擬儀器技術和現(xiàn)代機械設備診斷技術的優(yōu)勢相結合，為設備的故障診斷提供了新的手段。（）將簡易診斷方法和精密診斷方法相結合，在傳統(tǒng)的頻譜分析的基礎上，利用短時傅立葉變換和小波分析方法對提升機的非平穩(wěn)信號進行分析，準確地完成了設備故障特征的提取，并通過劣化指數(shù)計算，定量地說明了設各故障的發(fā)展趨勢。（）在中實現(xiàn)分形濾波的方法，分形濾波能夠同時去除噪聲信號頻率和幅值的作用，具有良好的時頻特性，使得

30、處理后信號向低維即低頻轉化，使其真實地反映信號。（）針對盒維數(shù)計算中用正方形劃分信號的缺點，用矩形代替正方形對盒維數(shù)的一般算法進行改造，并將其用于機械設備的故障診斷。將分形理論與小波分析相結合應用于設備故障診斷，利用整體分形盒維數(shù)來判斷設備的狀態(tài)，利用局部分形盒維數(shù)來確定故障的特征頻帶，從而實現(xiàn)達到設備故障識別的目的。本課題研究的主要內(nèi)容本課題研究的主要任務就是以虛擬儀器軟件開發(fā)平臺和公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡以及筆記本電腦為基礎，開發(fā)出一臺用于提升機故障診斷的虛擬儀器，從具體的實踐中討論了、，的使用方法，充分地體現(xiàn)了圖形化編程語言與傳統(tǒng)的文本語言在實現(xiàn)儀器功能和人機交互界面時的優(yōu)越性。并將本虛擬儀

31、器應用于煤礦提升機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，為煤炭工業(yè)提供性能價格比高、投資少、功能更新與擴充快的測試設備，以滿足故障診斷技術推廣的需要。論文的研究內(nèi)容如下：第一章概述了機械設備故障診斷技術和虛擬儀器技術的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和趨勢，闡述了兩者在提升機故障診斷中的應用現(xiàn)狀和意義，闡明了本課題的目的和意義，給出了論文的主要研究內(nèi)容。第二章介紹了自行開發(fā)的故障診斷虛擬儀器的軟件、硬件的設計原則和組成，河南理工大學碩士學位論文主要闡述了在曲環(huán)境中開發(fā)虛擬儀器的理論和方法，具體介紹了細化分析、倒頻譜分析、小波分析以及三維譜陣分析程序實現(xiàn)方法，介紹了應用于煤礦提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的虛擬儀器的功能和設計方法。第

32、三章闡述了振動分析方法的實現(xiàn)步驟、常用的信號處理方法，分析了煤礦提升機故障的原因及其振動特性，將時頻聯(lián)合分析方法應用子提升機故障診斷，診斷出齒輪的故障，分析了時頻分析用于煤礦提升機振動信號的診斷能力。第四章針對煤礦提升機齒輪箱出現(xiàn)的異常振動和噪聲，在簡易診斷的基礎上利用自行開發(fā)的故障診斷虛擬儀器對提升機振動烈度大的測點進行精密診斷。將頻譜分析、邊頻帶的分析和倒頻譜分析應用于提升機故障診斷，通過五個月前后的頻譜圖進行分析比較，診斷出齒輪箱故障，并通過劣化指數(shù)計算，定量地說明了提升機齒輪箱磨損的發(fā)展情況。研究了煤礦提升機的非平穩(wěn)振動信號的分析方法，將短時傅立時變換和小波變換應用于提升機提升減速階段

33、的非平穩(wěn)振動信號的分析，準確地提取出了非平穩(wěn)信號中包含的豐富的診斷信息，實現(xiàn)了對提升機齒輪箱的故障診斷。第五章闡述了分形理論的基本概念和理論，介紹了在：、中實現(xiàn)分形濾波的方法，研究了振動信號盒維數(shù)一般算法的缺點和改進方法以及機械設備的分形診斷原理，并將改進后的盒維數(shù)算法和小波變換相結合，通過計算齒輪箱振動信號的整體盒維數(shù)和局部盒維數(shù)，有效地對提升機齒輪箱的故障進行診斷。第六章對全文進行總結，展望未來的工作和研究方向。基于的提升機故障診斷虛擬儀器開發(fā)基于的提升機故障診斷虛擬儀器開發(fā)引言提升機是煤礦提升煤炭、輸送物料、升降人員的關鍵設備，在保證煤礦正常生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。因此，利用診斷裝置對

34、提升機進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷顯得尤為重要。由于傳統(tǒng)的測控儀器以硬件為關鍵，其費用高、技術更新周期長、產(chǎn)商定義儀器功能、系統(tǒng)封閉以及不易與其他設備連接等特點，越來越滿足不了科技進步的要求。而計算機為核心的虛擬儀器，其功能可由用戶自己定義，技術更新快，價格和軟件開發(fā)維護費用低，具有開放性、靈活性、可與計算機同步，可重復用和重配跫的優(yōu)點。因此基于計算機的測試儀器的出現(xiàn)對測控儀器產(chǎn)生了較為深刻的影響，通用化、智能化和網(wǎng)絡化的虛擬儀器技術則代表了現(xiàn)代測試技術和儀器技術的發(fā)展方向，成為研究熱點【】。本課題研究開發(fā)的基于的提升機故障診斷虛擬儀器，主要用于提升機振動信號的采集和處理，實現(xiàn)對提升機的狀態(tài)監(jiān)測與故

35、障診斷，充分地發(fā)揮了虛擬儀器技術的優(yōu)勢，使測試精度、穩(wěn)定性和可靠性得到充分保障的同時，為煤炭工業(yè)提供性能價格比高、投資少、功能更新與擴充快的測試設備，以提高對提升機設備的故障診斷、監(jiān)測和維護的可靠性和便利性，對予提高生產(chǎn)的安全性有著重要的現(xiàn)實意義。本系統(tǒng)中所使用的硬件設備包括：筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)接口箱、抗混頻放大器和壓電式加速度傳感器?；诘奶嵘龣C故障診斷虛擬儀器總體設計從實用性、靈活性、研制周期、性能價格比和應用推廣等角度考慮，本系統(tǒng)硬件部分采用公司的筆記本數(shù)據(jù)采集模塊等，開發(fā)平臺為優(yōu)秀的圖形化語言，所開發(fā)測試儀器功能強、精度高、測試速度快、實時性好以及具有友好的人機界面，

36、在現(xiàn)場應用中得到了良好的效果。硬件總體設計（）硬件設計的基本原則經(jīng)濟合理在硬件設計中，在滿足系統(tǒng)的性能指標的前提下，優(yōu)先考慮的涌離理工大學碩士學位論文個因素就是盡可能地提高系統(tǒng)的性價比。分，因此在滿足速度、存儲容量、兼容性、外設。微機和外設是硬件投資中重要組成部可靠性的基礎上，合理地選用微機和安全可靠設備的選擇要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、噪聲、粉塵等要求，以保證在實際的工作環(huán)境中，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，具有一定的抗干擾措施，以保證系統(tǒng)精度。（）測試系統(tǒng)硬件構成煤礦提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件是以微機為核心的可編程的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，硬件的選擇取決于系統(tǒng)的精度、采

37、樣速率、通道數(shù)、靈活性、可靠性、可擴展性以及計算機平臺等條件。圖為系統(tǒng)的硬件構成圖，利用虛擬儀器開發(fā)平臺啪開發(fā)出一套適用于煤礦提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的測試系統(tǒng)。圖一系統(tǒng)硬件構成圈吐壓電加速度傳感器傳感器是一種轉換裝置，其作用是借助檢測元件將被測對象的力、位移、速度、加速度、溫度、壓力等參數(shù)轉換為可以檢測、傳輸、處理的信號，因此被稱為變換器或檢測器，測量振動的傳感器又被稱為拾振器。壓電加速度傳感器又稱為壓電加速度計，它是利用某些晶體材料的壓電效應制成的，具有體積小、重量輕、頻率范圍寬、靈敏度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點在振動鋇量中得到廣泛的應用。數(shù)據(jù)接口箱采用自制的數(shù)據(jù)接口箱，內(nèi)置公司的一連線端子，

38、具體參數(shù)如下：×；個端子，其具體端子連線如圖所示。連接電纜選用公司型號為的電纜，兩端分別為數(shù)據(jù)采集卡和端子板相連。數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)選用多功能數(shù)據(jù)采集卡，其主要參數(shù)如下：總線：單端路差分路模擬輸入，分辨率位，采樣率為，輸入范圍±或。！薹王！墜！墮塑墨墊墊墮堡塹壁型垡登塹叁微機從計算機的存儲容量、運行速度、經(jīng)濟性、系統(tǒng)軟件、硬件兼容性、軟件開發(fā)升級等方面綜合考慮，筆記本電腦的基本配置如下：（），；的內(nèi)存。玨礅趟翻隧髓蹯陽鞘曜，測阡玎（琵嬲足單照耐聊喇翳舔剛瓣硝孵燦系統(tǒng)軟件設計勰譬如】棚明】柏尊駑酲刪（潮鬻疆酎船（”（帕（托玎肼愿瑪肥圖連線端子追（）軟件設計的基本原則靈活性和可擴

39、展性靈活性和可擴展性代表著一個軟件系統(tǒng)適應未來需河南理工大學碩士學位論文求的能力，設計程序代碼必須考慮軟件系統(tǒng)交付使用后的功能擴展能力。由于用戶需求隨時間不斷更新，因此只有結構設計合理韻應用程序能夠充分考慮到系統(tǒng)的功能擴展性和靈活性，實現(xiàn)和完成新的功能要求?？删S護性軟件只有具備了可維護性，才能容易地實現(xiàn)必要的程序改動以適應新的硬件環(huán)境，并根據(jù)用戶需求在原有程序中增加新功能。因此進行程序設計時，應充分考慮到系統(tǒng)功能的變化，為實現(xiàn)代碼維護和修改埋下伏筆，以增強測試系統(tǒng)的柔性。代碼重用性代碼重用是指同一程序代碼不作修改或稍加改動就可以被多次重復使用。以此縮短未來軟件開發(fā)的研制周期，節(jié)省大量的時間和財

40、力?？勺x性應用程序的操作人員只是通過用戶界面操作進而實現(xiàn)其特定目的，不必要也不希望看到程序的底層數(shù)據(jù)處理，所以希望人機交互界面簡潔、易于操作。因此，程序員需要將系統(tǒng)的輸入輸出部分抽象出來，使得測試程序更易于理解，主程序更加一目了然，便于操作。（）測試系統(tǒng)軟件構成圖測試系統(tǒng)軟件構成圖呂最撐也圖是煤礦提升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的軟件結構，該虛擬測試系統(tǒng)具有在線監(jiān)測和離線分析功能，采用高速磁盤流技術、逐點分析技術和信號處理基于的提升機故障診斷虛擬儀器開發(fā)功能實現(xiàn)了通道的數(shù)據(jù)的高速采集、動態(tài)顯示、實時分析和搬遷處理等目的。利用軟件系統(tǒng)的時域分析、頻域分析和時頻分柝等方法對煤礦提升機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診

41、斷。工程實例說明該系統(tǒng)硬件配置合理、工作穩(wěn)定可靠、人機界面操作方便、軟件設計結構合理，精度滿足現(xiàn)場要求，為煤礦提供了性能價格比高、功能強和擴充快的測試系統(tǒng)，為煤礦提升機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供了新的方法和手段。基于的提升機故障診斷虛擬儀器程序設計數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器最基本的功能之一，集成了功能強大的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫，可以完成模擬最的輸（）及輸出（）、數(shù)字和定時（），計數(shù)（）。本系統(tǒng)使用其中用于模擬信號輸入部分函數(shù)，呲函數(shù)又可分為三個級別：高級、中級和低級。出于靈活性和方便性的雙方面考慮，使用中級函數(shù)對硬件進行控制，以完成通道的數(shù)據(jù)采集，其程序框圖如圖所示。固熙抖”。，而。鑲羹。一瑚黿題

42、臻曩嘻！峨一；適嗣團藹睦罾砂咧圖數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖舭鏟刪【在測試應用中，要實現(xiàn)中高速信號采集，必須讓設備進行很多限時作，因此采用循環(huán)緩存技術解決多通道的中高速數(shù)據(jù)采集問題。應當注意的一點是，為保證采集到的數(shù)據(jù)不丟失，緩存的大小至少應是掃描率的兩倍，最好是倍，應當根據(jù)設備以及計算機的性能來適當確定最佳緩存大小。利用緩存技術不一塑壹里三盔堂堡主蘭垡笙莖但可以實現(xiàn)中高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集，還能夠獲得較高的程序性能。數(shù)據(jù)預處理模塊（）窗函數(shù)提供了常用的幾種窗函數(shù)如圖所示。對一個數(shù)據(jù)序列進行加窗處理時，認為此序列是信號截斷后的序列，因此窗函數(shù)的寬度等于數(shù)據(jù)列的長度。 圖岍中的窗函數(shù)矗在實際的測量中，采樣長度

43、總是有限的。采樣信號只是測得的連續(xù)時刮信號的截斷，這將不可避免地引起譜泄漏，造成計算所得的頻譜與實際信號的頻譜不一致。減小譜泄漏的一個簡單方法是使用平滑窗，對采樣信號進行加窗處理，可以減小截斷信號的轉折沿，從而減小譜泄漏，改善時域信號及其頻譜的形狀。窗函數(shù)的作用有三個：截斷信號；減少譜泄漏；用于分離頻率相近的大幅值信號與小幅值信號口。使用或分析信號的頻率成分時，其前提是假定采樣信號為周期信號，整個信號則由采樣信號作周期延拓而得到。由于種種原因，在實際采樣中很難做到整周期采樣，就會出現(xiàn)周期與周期之間信號的不連續(xù)。這種不連續(xù)信號的頻譜基于的提升機故障診斷虛擬儀器開發(fā)中會出現(xiàn)非常高的頻率成分，甚至會

44、比奈魁斯特頻率還高很多，并混存于，頻段上，所以經(jīng)或計算得到的頻譜并非被測信號的頻譜，好似某一頻率的能量泄漏到了其他頻率，為譜泄漏。譜泄漏的能量取決于不連續(xù)的幅度，跳躍越大，譜泄漏越大，因此可以使用平滑窗減小采樣信號周期邊緣不連續(xù)的幅度。加窗是將采樣信號與窗函數(shù)相乘，窗函數(shù)的幅度變化很平滑，并且在邊緣處逐漸趨近于零。所以對加窗后的信號進行周期延拓時，信號的不連續(xù)性將大大減小。從而降低了譜泄漏。窗函數(shù)的選擇取決于采樣信號和所需要的信息，表為各種不同信號所對應的窗函數(shù)。表不同信號所對應的窗函數(shù)幻腩他印柚礎血培信號種類窯函數(shù)比窗函數(shù)短的瞬態(tài)響應、示蹤普通應用頻率相近、幅值差異小的信號分離系統(tǒng)分析頻率相

45、近、幅值差異大的信號分離精確的單膏幅度測量比窗函數(shù)長的瞬態(tài)響應矩形窗漢寧窗矩形窗哈寧窗（任意激勵）、矩形窗（偽隨機激勵）凱撒貝塞爾窗平頂窗指數(shù)窗、哈寧窗（）數(shù)字濾波器濾波器的作用是對原始信號進行篩選，只讓特定頻段的信號通過。經(jīng)典濾波器假定輸入信號中的有用成分和噪聲成分各占有不同的頻帶，通過濾波器后，可將噪聲成分有效除去?，F(xiàn)代濾波器則是從原始信號中估計出信號的某些特征或信號本身，則估計出的信號與原信號相比會有高的信噪比。而數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比有以下幾個優(yōu)點：軟件支持；穩(wěn)定可預知；無溫漂、濕漂、不要求精度高的成分；高的性價比。中的數(shù)字濾波器如圖所示，是根據(jù)虛擬儀器原理設計的，可以處理設計、計

46、算、存儲管理、實際數(shù)據(jù)內(nèi)部濾波及發(fā)送等問題。河南理工大學碩士學位論文 圖中的數(shù)字濾波器根據(jù)實際需要，中的數(shù)字濾波器的功能主要有：平滑窗；無限沖擊或遞歸濾波器；有限沖擊或非遞歸數(shù)字濾波器：非線性濾波器。數(shù)據(jù)分析模塊（）時域分析理解，包含的信息量大，卻不太容易看出所包含信息與故障之間的聯(lián)系。但對于某些故障信號，其波形具有明顯的特征，這樣可以通過對振動信號時域波形的觀察與分析，對設備的故障作出初步判斷。相關圖的形狀來判斷原信號的性質(zhì)，例如周期信號的自相關函數(shù)仍為同周期的周期函數(shù)：自相關函數(shù)還可應用于檢測混于隨機噪聲的確定性信號，因為周期信號或是確定性信號在所有時間上都有其自相關函數(shù)，麗隨機信號則不是。函數(shù)可以檢測在外界噪聲中的信號，還能