一种数字式振动信号智能变送器的制作方法

本发明涉及旋转机械技术领域，尤其涉及一种数字式振动信号智能变送器。

背景技术：

随着现代工业和科学技术的不断发展，作为国民经济各个领域大量使用的基础设备，旋转机械设备在电力、石油化工、航空等领域作为关键设备大量广泛应用。由于其结构复杂，且长时间在高温、高速及流固耦合等恶劣条件下运转，经常会由于零件故障、长期磨损等原因出现幅度异常过大的振动，在不进行人为干预的情况下继续运转，很快导致旋转机械设备严重故障至停工，造成重大经济损失甚至安全事故。因此，对旋转机械设备运行的振动情况进行持续在线监测是非常必要的工作。随着企业对设备管理要求的日益提高及降低经济成本的需求，对旋转机械设备的安全性和可靠性也提出了越来越高的要求，现场振动监测器提供的持续监测数据和结果，能为企业和维护人员及时掌握设备的运行状态提供依据，有利于第一时间发现旋转机械设备的潜在问题，从而对设备进行及时维护和更换零部件等，从而避免严重故障的出现以及大大延长旋转机械设备的使用寿命。

现有技术中，转机械设备的振动监测和故障诊断，主要基于对振动信号的检测和分析。其基本系统构成为：通过安装在设备本体上的传感器将设备振动的物理量转化为电量信号；通过计算机(数据采集工作站等)上的高速模/数转换卡对振动电量信号进行高频采样，实现振动信号的数字化；采集的数据本地存储，或者通过局域网/广域网传送到数据库服务器存储；最后，针对数字化的振动信号，利用时域波形分析和频域频谱分析等方法，对设备的状态趋势进行判断，对故障进行诊断。这类典型的系统，目前已经运用在一些企业关键的旋转机械设备上，取得比较良好的效果。但是，由于这类系统存在造价非常昂贵、通讯传输要求苛刻、数据采集的频次及维度少、振动信号数据处理的结果参数不足以体现直观性和充分性、系统扩展性不足等问题，无法在中国广大企业中广泛推广和使用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种数字式振动信号智能变送器，具体包括：

振动传感器，安装于被测设备的轴承部位，用于采集所述被测设备产生的振动信号并输出；

变送器本体，所述变送器本体通过传输线与所述振动传感器连接，且远程连接一数据分析中心，所述变送器本体包括：

接收模块，用于接收所述振动传感器采集得到的所述振动信号；

处理模块，连接所述接收模块，用于对所述振动信号进行处理以将所述振动信号参数化，并输出参数化结果；

通信模块，连接所述处理模块，用于将所述参数化结果发送至所述数据分析中心进行进一步趋势分析；

供电模块，分别连接所述接收模块、所述处理模块和所述通信模块，用于为所述接收模块、所述处理模块和所述通信模块进行供电。

优选的，所述变送器本体还包括：

计数模块，连接所述接收模块，用于在所述接收模块每次接收所述振动信号时进行相应计数，并输出计数结果；

自检模块，分别连接所述计数模块和所述供电模块，所述自检模块具体包括：

检测单元，用于实时检测所述计数结果是否发生变化，并在检测到所述计数结果在预设的第一时间间隔内不变时输出相应的检测结果；

控制单元，连接所述检测单元，用于根据所述检测结果生成相应的控制指令，以控制所述供电模块在预设的第二时间间隔内停止向所述接收模块、所述处理模块和所述通信模块进行供电。

优选的，所述传输线设置于所述变送器本体的侧面。

优选的，还包括一通信总线，所述通信总线包括：

两芯通信线，所述通信模块通过所述两芯通信线并采用rs485总线通信的方式向所述数据分析中心传输所述参数化结果；

两芯供电线，所述供电模块通过所述两芯供电线接入外部的供电电源；

于所述变送器本体的侧面设置有供所述通信总线接入的总线接口。

优选的，所述两芯通信线采用modbus通讯协议向所述数据分析中心传输所述参数化结果。

优选的，所述振动传感器输出的所述振动信号为模拟量信号。

优选的，所述振动传感器输出的所述振动信号为数字量信号，且连接所述振动传感器和所述变送器本体的所述传输线传输所述数字量信号使用的数据传输标准为iic传输协议或spi传输协议。

优选的，所述振动传感器为mems加速度传感器，以对所述振动信号进行高频采样。

优选的，所述处理模块为arm芯片的嵌入式系统。

优选的，所述处理模块具体包括：

判断单元，用于在所述振动信号为模拟量信号时输出相应的第一判断结果，以及在所述振动信号为数字量信号时输出相应的第二判断结果；

模数转换单元，连接所述判断单元，用于根据所述第一判断结果对所述振动信号进行模数转换，并输出相应的模数转换结果；

预处理单元，分别连接所述判断单元和所述模数转换单元，用于根据所述第二判断结果对所述振动信号进行数据预处理以消除趋势项，以及根据所述模数转换结果对所述振动信号进行数据预处理以消除趋势项，并输出相应的预处理结果；

第一处理单元，连接所述预处理单元，用于根据所述预处理结果对所述振动信号的概率密度函数进行分析，得到所述振动信号的时域波形中的有量纲值和无量纲因子；

第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于将所述有量纲值和所述无量纲因子处理得到具有预设格式的表格，并作为所述参数化结果；

第三处理单元，连接所述第二处理单元，用于接收所述数据分析中心下发的控制指令，并根据预设的第三时间间隔输出所述参数化结果；

所述控制指令中包括预设的所述第三时间间隔。

优选的，所述有量纲值包括峰值，和/或平均值，和/或均方根值，和/或方根幅值。

优选的，所述无量纲因子包括波形因子，和/或峰值因子，和/或脉冲因子，和/或裕度因子，和/或峭度因子，和/或偏度因子。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过在本地完成振动信号的采集的同时，将采集到的振动信号进行时域波形分析以对振动信号进行参数化处理，有效减少了传输的数据量，从而有效减少网络带宽成本以及数据分析中心的云数据储存成本，为振动信号时域参数的长期趋势化分析提供了数据生产解决方案。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种数字式振动信号智能变送器的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种数字式振动信号智能变送器，如图1所示，具体包括：

振动传感器1，安装于被测设备的轴承部位，用于采集被测设备产生的振动信号并输出；

变送器本体2，变送器本体2通过传输线与振动传感器1连接，且远程连接一数据分析中心3，变送器本体2包括：

接收模块21，用于接收所述振动传感器采集得到的所述振动信号；

处理模块22，连接接收模块21，用于对振动信号进行处理以将振动信号参数化，并输出参数化结果；

通信模块23，连接处理模块22，用于将参数化结果发送至数据分析中心进行进一步趋势分析；

供电模块24，分别连接接收模块21、处理模块22和通信模块23，用于为接收模块21、处理模块22和通信模块23进行供电。

具体地，本实施例中，本发明的数字式振动信号智能变送器构建在工业互联网和云计算平台上，并运用边缘计算架构，将采集得到的振动信号在本地完成时域波形分析，再将分析后的参数化数据进行传输，有效减少了传输的数据量，从而有效减少网络带宽成本以及数据分析中心的云数据储存成本。所谓边缘计算，是一种分散式运算的架构。边缘计算将应用程序、数据资料与服务的运算，由网络中心节点，移往网络逻辑上的边缘节点来处理。边缘节点更接近于用户终端装置，可以加快资料的处理与传送速度，减少延迟。在这种架构下，资料的分析与知识的产生，更接近于数据资料的来源，因此更适合处理大数据。边缘计算解决了工业物联网的实际业务。在边缘处理大量的传感器数据即振动信号，可以减少网络带宽成本和云数据储存成本。边缘计算可以在更接近于振动传感器的变送器本体进行数据分析与过滤，只有处理后的价值密度更高的信息才会被传送至数据分析中心进行分析和存储。

本发明的一个较佳的实施例中，上述变送器本体2内部设置有一pcb板和一扩展板，该pcb板与该扩展板可以平行设置，也可以分为上下两层设置。其中，处理模块22以及供电模块24均集成于上述pcb板上，通信模块23集成于上述扩展板上。

本发明的另一个较佳的实施例中，上述变送器本体2内部设置有一主板，其中，处理模块22、通信模块23以及供电模块24均集成于该主板上。

本发明的较佳的实施例中，变送器本体2还包括：

计数模块25，连接接收模块21，用于在接收模块21每次接收振动信号时进行相应计数，并输出计数结果；

自检模块26，分别连接计数模块25和供电模块24，自检模块26具体包括：

检测单元261，用于实时检测计数结果是否发生变化，并在检测到计数结果在预设的第一时间间隔内不变时输出相应的检测结果；

控制单元262，连接检测单元261，用于根据检测结果生成相应的控制指令，以控制供电模块24在预设的第二时间间隔内停止向接收模块21、处理模块22和通信模块23进行供电。

具体地，本实施例中，变送器本体2正常工作时，计数模块25在接收模块21每次接收振动信号时均进行相应计数，相应的计数结果一直处于变化状态，变送器本体2工作异常时，计数模块25停止计数，此时相应的计数结果是不变的。通过设置自检模块26实时检测计数模块25的计数结果，并通过计数结果的变化判断变送器本体2是否处于正常工作状态，若是，则继续检测，若否，则控制供电模块24停止供电，并持续一定的第二时间间隔，保证接收模块21、处理模块22和通信模块23实现断电重启，以保证变送器本体2重启后能够继续正常工作。由于各模块的电子元器件在断电后不会马上停止运行，而是需要延时一定时间才会完全断电，若断电的时间过短，则各模块重启后可能仍处于工作异常状态，因此，本发明中预设有一第二时间间隔，以保证各模块能够实现完全断电后重启。优选的，该第二时间间隔不小于0.15秒。

本发明的较佳的实施例中，传输线设置于变送器本体2的侧面。

具体地，本实施例中，在变动器本体2侧面设有用于信号传输的传输线，该传输线实现振动传感器1和变动器本体2之间的连接和振动信号的传输。

本发明的较佳的实施例中，还包括一通信总线，通信总线包括：

两芯通信线，通信模块23通过两芯通信线并采用rs485总线通信的方式向数据分析中心传输参数化结果；

两芯供电线，供电模块24通过两芯供电线接入外部的供电电源；

于变送器本体2的侧面设置有供通信总线接入的总线接口。

本发明的较佳的实施例中，两芯通信线采用modbus通讯协议向数据分析中心传输参数化结果。

具体地，本实施例中，在变动器本体2侧面设有用于接入通信总线的总线接口，该通信总线优选为四芯线，其中，两芯为通信线，通过rs485总线通信的方式实现变送器本体2与数据分析中心3之间的数据传输；另外两芯为供电线，连接外部的供电电源以实现对本发明的数字式振动信号智能变送器进行供电。需要说明的是，采用四芯线作为通信总线为本发明的优选的一个实施例，并不因此限定本发明的保护范围。

本发明的较佳的实施例中，振动传感器1输出的振动信号为模拟量信号。

本发明的较佳的实施例中，振动传感器1输出的振动信号为数字量信号，且连接振动传感器1和变送器本体2的传输线传输数字量信号使用的数据传输标准为iic传输协议或spi传输协议。

具体地，本实施例中，振动传感器1可以选型为数字式振动传感器，也可以选型为模拟式振动传感器，其中，数字式振动传感器输出的是数字量信号，模拟式振动传感器输出的是模拟量信号。振动传感器1输出的是数字量信号时，连接振动传感器1和变送器本体2的传输线所使用的数据传输标准可以但不限于iic传输协议或者spi传输协议。

本发明的较佳的实施例中，振动传感器1为mems加速度传感器，以对振动信号进行高频采样。

本发明的较佳的实施例中，处理模块22为arm芯片的嵌入式系统。

本发明的较佳的实施例中，处理模块22具体包括：

判断单元221，用于在所述振动信号为模拟量信号时输出相应的第一判断结果，以及在所述振动信号为数字量信号时输出相应的第二判断结果；

模数转换单元222，连接所述判断单元221，用于根据第一判断结果对振动信号进行模数转换，并输出相应的模数转换结果；

预处理单元223，分别连接判断单元221和模数转换单元222，用于根据第二判断结果对振动信号进行数据预处理以消除趋势项，以及根据模数转换结果对振动信号进行数据预处理以消除趋势项，并输出相应的预处理结果；

第一处理单元224，连接预处理单元223，用于根据预处理结果对振动信号的概率密度函数进行分析，得到振动信号的时域波形中的有量纲值和无量纲因子；

第二处理单元225，连接第一处理单元224，用于将有量纲值和无量纲因子处理得到具有预设格式的表格，并作为参数化结果；

第三处理单元226，连接第二处理单元225，用于接收数据分析中心3下发的控制指令，并根据预设的第三时间间隔输出参数化结果；

控制指令中包括预设的第三时间间隔。

具体地，本实施例中，根据振动传感器1选型的不同，其输出的振动信号可能是数字量信号或者模拟量信号，若振动传感器1输出的为数字量信号，则直接对该数字量信号进行预处理后，随后根据预处理结果进一步处理得到对应的参数化结果。若振动传感器1输出的为模拟量信号，则需要先进行模数转换，将该模拟量信号处理成数字量信号后再根据上述方法进行进一步处理得到对应的参数化结果。

本实施例中，上述预设格式的表格包括但不限于modbus地址表。处理模块22的输出结果通过被动上传的方式发送至数据分析中心3，在数据分析中心3中预先设置有一第三时间间隔，数据分析中心3根据该第三时间间隔生成相应的控制指令并发送至处理模块22，处理模块22接收该控制指令后，将输出结果对应发出。优选的第三时间间隔为10秒。

本发明的较佳的实施例中，有量纲值包括峰值，和/或平均值，和/或均方根值，和/或方根幅值。

本发明的较佳的实施例中，无量纲因子包括波形因子，和/或峰值因子，和/或脉冲因子，和/或裕度因子，和/或峭度因子，和/或偏度因子。

本发明的一个较佳的实施例中，振动传感器1通过螺栓连接等刚性连接方式与被测设备连接，且优选的安装位置为被测设备的轴承部位。优选的，振动传感器1采用adi公司(亚德诺半导体技术有限公司)的mems(微机电系统)加速度传感器，型号为adxl345的低能耗三轴测量，13位测量精度，±16g的加速度量程，16位二进制补码数字输出格式，可以对振动信号在x，y，和z三个方向进行采集，实现高达每轴每秒3200个样本的高频采样。优选的，本实施例中设定接收到x，y，和z轴的振动加速度信号数据，每轴每轮次采集2048个样本。

进一步地，本发明的变送器本体2内置的pcb板上集成的处理模块22为atmel公司的sam3x8e型号armcortex-m3芯片。芯片sam3x系列拥有512kb的闪存和96kb的内存，本发明的变送器本体2内置的扩展板上集成的通信模块23采用12v直流进行供电。且振动传感器1与变送器本体2之间采用四线制的spi通讯。

进一步地，本发明的变送器本体2内置的pcb板上集成的处理模块22在对振动信号进行数据预处理时，优选采用最小二乘法消除振动信号的趋势项。

本实施例中，处理模块22对预处理后的振动信号进行时域波形分析得到的有量纲值包括峰值、绝对平均值、均方根值和方根幅值，其中峰值采用如下表达式进行表示：

x+peak＝max(x)x-peak＝min(x)

绝对平均值采用如下表达式进行表示：

均方根值采用如下表达式进行表示：

方根幅值采用如下表达式进行表示：

本实施例中，处理模块22对预处理后的振动信号进行时域波形分析得到的无量纲因子包括波形因子、峰值因子、脉冲因子、裕度因子、峭度因子、偏度因子，其中，波形因子采用如下表达式进行表示：

峰值因子采用如下表达式进行表示：

脉冲因子采用如下表达式进行表示：

裕度因子采用如下表达式进行表示：

峭度因子采用如下表达式进行表示：

偏度因子采用如下表达式进行表示：

本实施例中，处理模块22对预处理后的振动信号进行时域波形分析得到的有量纲值和无量纲因子处理得到modbus地址表，并通过rs485总线上传到数据分析中心3，优选的设定为每间隔10秒传输一次。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。