机电设备振动分析处理数据转换平台的设计与实现

摘要：针对当前机电设备状态监测诊断工作中存在所用仪器的生产厂家繁多、功能各有所长、测试数据格式无法统一和彼此无法互通等问题，设计研发了机电设备振动分析数据转换处理平台，并介绍了该平台的构成、功能划分和系统各功能模块的实现。该平台的建立，使舰船装备状态监测、故障诊断工作的规范化成为可能，为装备的使用管理、维修提供依据，同时也为监测数据的融合打下了良好基础。
关键词：机电设备；振动监测；数据分析；平台；MATCOM；构成；功能；模块
中图分类号：TP311文献标识码：B

随着装备的发展，视情维修在迅速推广和普及，装备技术状态监测显得尤为重要；“主动维修”概念的提出，要求及时、准确地掌握装备的技术状态信息和不稳定状况，并加以纠正。

目前，机电设备状态监测所采用的数据采集仪器和分析软件多种多样，其自身功能都较齐全，能完成一定的测试任务并具备相当的分析功能，但因各采集仪器的测试数据没有统一的数据格式，故彼此无法互通、交流使用。由于数据格式的不统一，海军监测中心对各基地采集的振动数据不能进行收集、存储、分析、管理和有效使用，无法达到标准化和规范化的要求。因此，十分需要有一个能实现对振动监测数据进行识别、管理、转换、分析的系统。机电设备振动分析数据转换处理平台的建立，解决了监测数据彼此之间不能互通的问题，可对各种不同数据采集仪器所采集的信号进行转换、分析和管理，并针对具体设备的功能提供更为先进的数据处理分析软件，以识别机电设备的技术状态，为装备使用、管理和维修提供依据。
一、平台构成和功能划分

机电设备振动分析数据转换处理平台由振动数据综合识别系统、数据处理分析系统、数据库管理系统构成，前两个系统又可细分为更具体的子功能模块。振动数据综合识别系统包括了数据文件输入／输出、在线数据采集、数据通信和数据转换接口子功能模块，该系统用于收集、识别、标记、存储及管理各种分析仪器监测对象的振动监测信息及数据；数据处理分析系统包括数据常规分析、综合处理及结果输出等子模块，其作用在于对指定设备（旋转机械、轴承、齿轮箱、轴系、往复机械等）的振动监测信息进行时域、频域等多种手段的分析处理，以识别其技术状态，同时为舰艇装备建立振动标准谱、故障谱以及监测标准。
系统总体结构如图1所示。

从应用角度，系统功能可分为七个方面：在线数据采集模块、数据转换接口模块、数据管理模块、图形显示模块、工程单位系统模块、文档功能模块、数据分析模块。其构成如图2所示。

二、系统各功能模块的实现

整个系统界面用C++ Builder编写而成。面向对象的编程技术，将系统功能模块化，有利于系统功能的扩充。利用C++ Builder编写界面，可使系统便于操作。其中系统的数据库用SQL Server2000建立，可以利用C++Builder 6.0在数据库应用程序开发上独特的优越性方便地对数据库进行维护、查询和更新。
Matcom是MathTools公司出品的一款功能强大的数学软件，它提供了Matlab中．m文件与其他高级语言的接口，使．m文件可以编译为脱离Matlab环境独立执行的可执行性程序，提高了代码的复用率和执行速度，使纯文本的．m文件变为二进制的可执行程序，增加了知识保护的安全性；同时也能将．m文件转化为实现相同功能的C＋＋文件。Matcom提供了一套完备的C＋＋函数库Matrix，其中包括一维、二维快速傅立叶变换(FFT)、线性方程求解、二次优化、多项式求解和拟合、滤波以及各随机数的产生等函数。在C＋＋Builder开发环境下，通过调用这些函数文件，进行应用软件的二次开发与二次封装，将会大大加快一些算法的实现，同时具有高可靠性和高效性。

下面分七个方面介绍各功能模块的实现。

1．在线数据采集模块

系统提供的A/D采集卡包括LH SC 104（汇编）(Win200398)、ADLink PCI＿ 9118DG (Win 2000)、HASC 105（并采）(Win98), HASC 105（并采）(Win 2000)。在C++ Builder中实现数据采集，分别采用了调用动态链接库和利用嵌入式汇编语言编写采样程序两种方式。系统提供采集参数配置，用户可对参数进行修改。数据采集模块会根据系统配置的变化来修改采集方式和对通道的定义。

2．数据转换模块

各种分析仪器监测数据通过该模块转换成系统设定的规范数据文件，同时，也可将规范数据文件转换成适用于分析仪器配套的分析软件进行分析的数据格式，从而实现振动监测数据的交流。数据转换模块可以保存和输出数据文件。

3．数据管理模块

负责实现数据的保存、调出、查找、删除和修改等功能这一部分涉及到许多优化算法。使用循环链表技术来存储数据，数据链表的首尾相连。这样数据的读出和存入互不影响，最大限度地利用了系统的存储空间。每条数据包含各个通道的信息和设置编号，在查找数据时直接对编号进行搜索和查询。

4．图形显示模块

可以同时打开多个窗口和显示多条曲线。可以通过选择通道、时域信号显示长度等，来对显示界面进行动态修改。刻度显示分为自动、缺省、用户定义、XY轴的线性或对数显示、1/1或1/3倍频程（合成）；显示格式分幅值、对数幅值、db幅值、实部、虚部、相位、Nyquist，Polar显示；显示模式为Spreadsheet或Freeform 。

5．文档功能模块

图形可粘贴到word中；当前图形打印输出可按用户设定的图形、注释、页眉或脚注、测量参数等打印报告；功能中还包括测量注释。

6．工程单位系统模块

各分析仪器振动监测数据有自身定义的通道灵敏度系数mV/EU，通过测量模块提供的工程转换标准将各通道的电压信号转换成实际工程物理量EU，并直接显示测量到的工程物理量数值。在数据库中建立工程单位表格，并设置界面，用户可以进行编辑，增添或删减新的工程单位。系统给出常用工程单位列表，可以从中选择所需工程单位，工程列表包括了常用单位，如振动位移、振动速度、振动加速度、力、压力、温度等；同步积分、微分可进行工程单位自动转换。

7．数据分析处理模块

通常使用的分析工具有时域波形、自相关、互相关、多通道同时显示波形、概率密度、幅值谱和相位谱、倒谱、传递函数和相干函数、轴心轨迹、趋势分析、快速趋势分析、瀑布图等。这些工具可以组态的形式组成一套完整的分析手段。具体地说就是将任意所需的工具挑选出来，随意组成一个页面，在这个页面同时观测这些量。系统为用户提供了测量功能的子模块，用户可以根据实际需要选择相应子模块。

在数据分析处理模块中，系统还针对部分具体监测对象，根据历史数据的积累，开发了基于专家知识和现场实时信号相结合的机组技术状态故障诊断功能。

四、结论

机电设备振动分析数据转换处理平台的建立，突破了目前国内外振动监测数据只能为自身配套的测试仪器使用的局面。将不同的数据采集器所采集的信号，统一识别到一个平台下来管理，解决了振动监测数据的上报、存储和管理困难的问题，对舰艇机电设备技术状态监测故障诊断工作的规范化、装备的维修指导具有较大的推动作用，并将产生重大的经济效益和军事效益。

参考文献：

[1]汤庸．软件工程方法与管理[M]．北京：冶金工业出版社，2002.

[2]陈进．机械设备振动监测与故障诊断[M]．上海：上海交通大学出版社，1999.

[3]黄颖．应用Visual Basic和MATCOM开发数据采集分析系统[M]．计算机工程与设计，2002.

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