本论文在充分研究了现有各种机械故障动态检测系统的基础上，提出了基于LABVIEW的压缩机故障动态检测系统设计方案，完成了系统的硬件设计和部分软件开发，取得阶段性成果。

一、前言

空压站是石油化工生产中提供仪表风和工业风的主要装置，其功能是把经过过滤、除尘处理的空气送入压缩机压缩，被压缩的空气经过冷却、干燥为全厂供风。空气压缩机是空压站的关键设备，因为空压机工作负荷大，并且处于不间断工作状态，若冷却及润滑系统工作不良，将会导致轴温过高甚至出现机械疲劳，严重的可造成机械部件内部出现裂纹，从而对空压站的工作造成隐患。

压缩机几乎所有的故障都通过其机械振动特征有所体现，所以检测振动是诊断压缩机工作状况的有效手段。通过测量其振动的参数及分析特征谱的变化，可识别故障的种类或界定故障的性质，提前预测故障，从而提高系统工作的可靠性，防止故障的发展，对工业生产有着十分重要的意义。

二、系统硬件系统设计

在所有与机械状态有关的故障征兆检测中，机械振动测量最具权威性，这是因为它同时含有幅值、相位和频率的信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论来分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。

所以本系统采用电涡流传感器为振动检测器件，充分发挥其长期工作可靠性高、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。系统硬件包括从信号采集到信号处理通路所有的器件，主要有振动信号拾取传感器、数据采集卡及计算机等。监测系统的主要组成如图1所示：

图1 监测系统组成框图

1、被测机械：所谓被测机械主要指各式各样的旋转机械，在此是指压缩机。为使测得信号能够准确反映出压缩机工况，系统在压缩机轴上布置三个测试点，分别为：轴向一个测点，径向相互重直方向二个测点，径向传感器的安装如图2所示。

图2 径向传感器安装图示

2、振动信号拾取：

图3 电涡流传感器工作原理图示

如图3所示，振动信号的拾取由电涡流传感器完成，电涡流传感器的探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统。当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头线圈的Q值随之发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压变化，最终将机械位移转换成电压，其典型输出特如图4所示。

图4 电涡流传感器典型位移电压特性曲线（φ11mm探头）

本系统采用上海欧丹仪器公司生产的电涡流传感器0D900803-03-04-20-00-060809，电涡流传感器能够静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离，是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。

3、数据采集卡：

系统采用研华公司多功能数据采集卡PCI1711L，与其它采集卡相比较，该卡具有较高的性能价格比。卡主要性能指标为：16路12位 A/D转换器提供模拟量输入，采样速率上限为100kHz，各输入通道增益可编程，卡上设有1K采样FIFO缓冲器，可编程触发器/定时器，另外该板卡还具有16路数字量输入和 16 路数字量输出，可用来控制被监测机械以及提供报警信号等。因为机械设备振动频率一般不是很高，PCI1711L完全能够满足要求。

4、计算机系统：

数据从PCI1711采集卡通过AD转换，读入计算机，计算机系统在其强大的软硬件环境支持下，对信号实施分析、处理和显示、存储等，从而满足用户对检测系统的要求。

三、软件系统设计

本系统软件采用LABVIEW虚拟仪器环境，LABVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，它利用计算机强大的计算、显示和连接、存储能力，在屏幕上组建用户自己的仪器、仪表，从而实现“软件就是仪器”的功能，主要应用于仪器控制、数据采集、信号分析与显示等领域。其特点是用图标代替文本代码创建应用程序，具有流程图程序设计语言的特点，其程序是按方块图间数据的流向顺序执行的，而不是一般通用的编程语言逐行地执行。

在方块图程序编写时，只要从功能模块中选用不同的函数图标，再以信号线条相互连接即可实现数据的传输，系统采用LABVIEW6．0平台，并使用了研华公司专门为NI开发的LABVIEW环境板卡驱动程序，在LABVIEW编程环境鼠标快捷菜单中增加了PCI1711L图标，为编程提供了方便。

系统软件主要包括数据采集及分析两大模块，其中数据采集模块针对研华PCI1711L数据采集卡编写，主要有设备操作、模拟量采集通道连接及波形显示等部件组成。为使采集卡连续工作，必须执行循环，因为采样速率与数据量成正比，增加采样速率，单位时间内可获得更多采样数据，使显示的图形更为连续光滑，丢失有用信息的可能性降低，但需要处理和存储的数据量将增大，势必占用计算机更多的资源，在实际系统中要对采样速率及数据量综合均衡考虑，合理调整。这部分的调试程序如图5所示。程序中采样时间间隔为20ms，可满足一般数据采集的要求。

图5 采集卡调试程序

数据分析模块有信号时域分析与频域分析两个部分，借助LABVIEW丰富的工具软件，可进行时域信号振动幅值分析、轴心轨迹分析等，从而可直接判断机械工作的状态，系统中设计了压缩机轴振幅越限报警，当压缩机轴轴向振动超过阈值时，系统将激活相关报警处理程序，在情况严重时，可通过输出开关量信号强制切断压缩机电源；因为伴随着机械故障的发生、发展，往往会引起信号频率结构的变化。

频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形经傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波的幅值和相位信息，频域分析方法有功率谱分析、振动频率成份分析等，本系统中频率分析模块主要是为故障的进一步分析定性而设计的，当故障发生时，可调出已存储的相关历史数据，对频率分量进行分析，为界定故障类型及判断故障部位提供参考。系统数据分析模块如图6所示。

图6 系统数据分析模块框图

三、系统调试结果及结论

由于在系统中采用了高精度的电涡流传感器，能够对实验对象进行非接触测试，对振动信号的变化反应也很敏感，测量效果达到预期要求，另外，借助LABVIEW丰富的工具可对振动信号进行各种时域及频域分析，从而对被测对象的工况进行有效的测试与判断，取得好的效果。本系统稍加改造还可用于金属表面粗糙度测试、金属探伤等测试系统。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于LABVIEW的压缩机故障动态检测系统设计”，作者为马应魁。）