金劍 路慧喜

摘 要：文章介紹了虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和應(yīng)用環(huán)境。以模塊化、高效化為切入點(diǎn)詳細(xì)闡述了如何將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于信號診斷系統(tǒng)中，以便能完成對于設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。為虛擬儀器技術(shù)在汽車主機(jī)廠設(shè)備信號診斷領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用提供了思路。文末展望了虛擬儀器技術(shù)在主機(jī)廠的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;模塊化;狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警;信號診斷

中圖分類號：TP306 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-68-03

Application of?Virtual Instrument Technology in SignalDiagnosis forMechanical Equipment

Jin Jian， Lu Huixi

（New Energy Automobile Co. Ltd of Geely， Zhejiang Huzhou?313100）

Abstract：This paper introduces the Development status， advantage of the System structure?and application environment of the virtual instrument. Elaborates how to apply virtual instrument technology to signal diagnosis system in detail from the point of modularization and high efficiency， in order to complete the real-time detection and early warning of equipment status. Providing?ideas for the development and application of virtual instrument technology in the field of equipment signal diagnosis in automobile main engine plant. Finally， having the?prospect of development direction in automobile main engine plant of the virtual instrument technology.

Keywords： Virtual instrument;Modularization;State monitoring and warning;Signal diagnosis

CLC NO.：TP306 ?Document Code： A ?Article ID：1671-7988（2020）04-68-03

引言

在汽車主機(jī)廠沖、焊、涂、總，四大工藝車間中存在眾多設(shè)備，隨著工業(yè)化程度不斷提高，復(fù)雜系統(tǒng)中使用的機(jī)械設(shè)備日趨智能化、復(fù)雜化和精密化^[1]，傳統(tǒng)的預(yù)防性維修或事后維修已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)的需要，每年會發(fā)生不計(jì)其數(shù)的設(shè)備故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品交付，不僅造成人員成本增加而且會導(dǎo)致整車產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，如果能對生產(chǎn)線設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信號監(jiān)測與預(yù)警，就能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的微小故障隱患，有針對性做好預(yù)防性維護(hù)，將隱患消滅于萌芽狀態(tài)。能極大地降低單臺車維修成本、縮短MTTR、提高M(jìn)TBF，提升設(shè)備整體綜合開動率指標(biāo)。這對于主機(jī)廠生產(chǎn)線設(shè)備的使用率、安全可靠性都具有非常重要的意義。眾所周知，傳統(tǒng)檢測設(shè)備缺點(diǎn)很多，例如維修成本高、兼容性差等，目前已無法適應(yīng)工業(yè)4.0打造柔性化工廠的要求。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，軟件、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)得到了快速的發(fā)展，許多新的測試方法和技術(shù)也不斷地被應(yīng)用到這些設(shè)備上，其中以軟件為核心的虛擬儀器技術(shù)為設(shè)備檢測開發(fā)提供了一套全新的科學(xué)技術(shù)手段。虛擬儀器系統(tǒng)由高效軟件、模塊化的I/O硬件和集成硬件組成，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能力，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件就能完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)為設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)警與信號診斷系統(tǒng)提供了一個(gè)通用化的開發(fā)平臺，具備極大的開發(fā)價(jià)值。

1 虛擬儀器簡介

1.1 虛擬儀器特點(diǎn)

虛擬儀器是一個(gè)基于PC機(jī)的硬件平臺，由軟件、模塊化的I/O硬件和集成硬件三部分組成，是以計(jì)算機(jī)為核心的延伸，用戶可以自定義和設(shè)計(jì)，由應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)測控功能及虛擬界面設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)^[2]。虛擬儀器系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、性能高等特點(diǎn)，工程師可以高效的創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交交互界面。以LabVIEW為例，該圖形化開發(fā)軟件不僅能輕松的完成與軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，可以用模擬傳統(tǒng)儀器的方法，用控制面板將監(jiān)測結(jié)果輸出，以完成儀器的各種測試功能。

1.2 虛擬儀器模塊化I/O硬件

虛擬儀器系統(tǒng)是由集成的軟硬件平臺、軟件及模塊化的I/O硬件部分組成，如圖1所示。

其實(shí)，在如今的汽車行業(yè)，面對愈來愈復(fù)雜的測試環(huán)境，虛擬儀器系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供很全面的解決方案，從信號的采集到信號的傳輸，涉及PLC、分布式I/O、CAN總線、振動信號等，接口方式通常具備比較好的通用性，常用的總線類型有RS-232串口總線、CAN總線、VISA總線以及PROFINET總線等。

2?信號診斷系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1?信號分析系統(tǒng)框架

目前，虛擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由信號傳感器、數(shù)據(jù)處理器和診斷儀器組成，如圖 2所示。

（1）信號采集模塊。針對具體的機(jī)械設(shè)備，在合理的位置安裝傳感器可以獲取機(jī)械設(shè)備不同數(shù)據(jù)參數(shù)，然后系統(tǒng)參數(shù)的物理量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的電信號，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。主要是針對主機(jī)廠生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的壓力、溫度、振動信號等參數(shù)，采集數(shù)據(jù)要具有可靠性高、信號分辨率強(qiáng)、時(shí)效性好等特點(diǎn)。

（2）信號處理器。用傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)械設(shè)備在工作環(huán)境中的振動數(shù)據(jù)，所得的原始信號不可避免的包含噪聲干擾^[3]，且噪聲的頻率多為高頻信號不宜直接采用，所以需要信號處理器對信號進(jìn)行放大、低通濾波、隔離、萃取等措施進(jìn)行預(yù)處理。

（3）特征提取。振動信號中包含大量設(shè)備狀態(tài)信息，對振動信號進(jìn)行特征提取可以初步反映設(shè)備狀態(tài)，為后續(xù)狀態(tài)監(jiān)測算法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持，為模式識別提供基礎(chǔ)^[4]。信號特征提取時(shí)可以使用LabVIEW從頻域、時(shí)域和時(shí)頻域角度對振動信號進(jìn)行特征提取，例如數(shù)據(jù)分段、低通濾波、零均值化等預(yù)處理方式，具體包含如下自相關(guān)和互相關(guān)分析、自功率譜、互功率譜、小波變換、短傅立葉變換、Wigner-Ville變換等。

（4）故障診斷模塊。當(dāng)我們在對提取特征進(jìn)行處理后，應(yīng)該針對分析結(jié)果對生產(chǎn)設(shè)備的故障信號進(jìn)行全方位的診斷。故障信號的診斷方法其實(shí)很多，比如常見的粒子群、小波包、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

（5）監(jiān)測、報(bào)警模塊。監(jiān)測報(bào)警模塊通常被用于各個(gè)信號實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測，會提前對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定閥值，然后在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，判斷信號值是否超過設(shè)定的閥值，如果超過或低于閥值，系統(tǒng)會自動報(bào)警，提醒設(shè)備人員對目前發(fā)生的故障進(jìn)行提前處理，防止造成大面積的停線。

（6）上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。傳感器將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。一套完成的測試平臺需要包括數(shù)據(jù)采集、分析和控制處理的能力，最終由上位機(jī)提供可配置的參數(shù)設(shè)置和清晰直觀的結(jié)果顯示界面。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器系統(tǒng)軟件的作用是利用設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件一般由驅(qū)動程序、應(yīng)用程序編程接口及開發(fā)工具三部分組成^[5]。

在汽車主機(jī)廠通常針對電流或者機(jī)械振動設(shè)備檢測信號我們會利用串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW可以通過VISA總線函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信并實(shí)時(shí)顯示，LabVIEW的VISA模塊是位于儀器I/O到串口函數(shù)的界面選版中，是NI提供的I/O標(biāo)準(zhǔn)^[6]。

該軟件是NI公司研制的圖形化編程軟件，也是目前最為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。軟件程序由前面板、程序框圖、接線端口這三部分組成，包括但不限于控制旋鈕、面板開關(guān)以及指示、控制器等。此外，LabVIEW還可以編譯生成可執(zhí)行文件、安裝文件，能夠直接安裝工具包后來運(yùn)行此程序。

LabVIEW作為一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控 制的軟件^[7]，提供了圖形化程序設(shè)計(jì)平臺以及高級信號處理工具包，方便對汽車廠各種生產(chǎn)設(shè)備振動、電流等信號進(jìn)行處理和分析。因此，測量振動信號分析和預(yù)警系統(tǒng)也是采用LabVIEW工具進(jìn)行開發(fā)的。

3 虛擬技術(shù)在汽車廠前景展望

21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將會有更加廣闊的市場和情景^[8]，針對國內(nèi)汽車廠而言，工業(yè)4.0要求以更精益的方式完成智能制造的需求，虛擬儀器技術(shù)的性價(jià)比高，優(yōu)勢明顯，如下：

（1）虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，符合汽車廠要求的模塊化設(shè)計(jì)需求，而且故障信號診斷性價(jià)比會越來越高，高效化的配置方案越趨向經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性，高性能的數(shù)字處理芯片的研發(fā)也會加速虛擬儀器技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展。

（2）隨著工業(yè)4.0的到來，建設(shè)精益化、智能化、柔性化的工廠逐漸成為了大趨勢，相應(yīng)的國內(nèi)智能化軟件開發(fā)平臺市場也是需求量巨大，智能化軟件可能是虛擬儀器一個(gè)重要的發(fā)展方向。

（3）國防科技和各大高校在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，會越來越廣泛的將虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行推廣。在未來社會發(fā)展中，“虛擬實(shí)驗(yàn)室”、“虛擬汽車智能工廠”和“虛擬智能制造”等技術(shù)將會服務(wù)于教學(xué)和科研，也會潛移默化滲入到人們的日常生活中。

（4）在汽車廠中，四大工藝車間（沖壓、焊裝、涂裝、總裝）以及公用動力聯(lián)合站房、高配站房的設(shè)備每天都會發(fā)生各式各樣的故障，故障造成停線時(shí)不僅導(dǎo)致人工成本增加，還會嚴(yán)重影響產(chǎn)品交付效率，目前各大主機(jī)廠都在推行分布式測控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，目的是能做到提前預(yù)警，所以預(yù)測性維護(hù)將會應(yīng)用更加廣泛，而虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展是預(yù)測性維護(hù)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)路徑。

4 結(jié)束語

在目前的汽車主機(jī)廠中，采用智能化制造技術(shù)提高虛擬儀器軟件系統(tǒng)的診斷能力，對于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)和故障預(yù)警有個(gè)很大的作用。虛擬儀器技術(shù)測試系統(tǒng)具有時(shí)效性高、性能穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)、診斷精準(zhǔn)等特點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行信號處理^[9]?；谠撥浖拈_發(fā)平臺性價(jià)比高、組態(tài)相對靈活，已經(jīng)不再是功能單一、固定不變的結(jié)構(gòu)，而是基于工業(yè)4.0打造愈來愈趨于柔性化、智能化。針對擴(kuò)展性需求我們只需對軟件增加相應(yīng)的模塊即可，不同的硬件傳感器就能組成相應(yīng)需求的測試系統(tǒng)，從而可以有效實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中機(jī)械及電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和故障預(yù)警。隨著高性能數(shù)字芯片和智能軟件的不斷發(fā)展，系統(tǒng)逐步向虛擬儀器方式開始演變，用軟件編程和模塊化設(shè)計(jì)替代了傳統(tǒng)繁雜的硬件電路，不僅降低了成本，而且穩(wěn)定性更好。綜上所述，虛擬儀器技術(shù)必將在主機(jī)廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域中具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]?Shen?C?Q.Research on fault diagnosis and prognosis?for key?compon?-ent of rotating Machinery[D].Anhui Province：?University of Scien?-ce and Technology?of?China，2014.

[2] 肖成勇，雷振山，魏麗.LabVIEW2010基礎(chǔ)教程[M]北京：中國鐵道出版社， 2012.

[3] 肖立波，任建亭，楊海峰.振動信號預(yù)處理方法研究及其MATLAB實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（8）：330-333.

[4]?唐奕，李祺，馬云彤.基于LabVIEW 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制.2016.24（6）.

[5] 張桐，陳順國，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[M]北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]?胡乾苗.LabVIEW 虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社， 2016.

[7]?于麗霞.虛擬儀器在發(fā)動機(jī)振動信號處理中的應(yīng)用研究[D].山 西：中北大學(xué)，2008.

[8] 伍星華，王旭.國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器， 2011，（4）：112-116.

[9] 羅頌榮.基于虛擬儀器技術(shù)的振動測試系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械， 2009，30（11）.