关于虚拟技术在设备信号诊断中的应用研究

金剑 路慧喜

摘 要：文章介绍了虚拟仪器的发展现状、系统结构优势和应用环境。以模块化、高效化为切入点详细阐述了如何将虚拟仪器技术运用于信号诊断系统中，以便能完成对于设备状态的实时监测和预警。为虚拟仪器技术在汽车主机厂设备信号诊断领域的开发和应用提供了思路。文末展望了虚拟仪器技术在主机厂的应用前景。

关键词：虚拟仪器;模块化;状态监测和预警;信号诊断

中图分类号：TP306  文献标识码：A  文章编号：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

在汽車主机厂冲、焊、涂、总，四大工艺车间中存在众多设备，随着工业化程度不断提高，复杂系统中使用的机械设备日趋智能化、复杂化和精密化^[1]，传统的预防性维修或事后维修已经无法满足生产的需要，每年会发生不计其数的设备故障，严重影响生产效率和产品交付，不仅造成人员成本增加而且会导致整车产品经济损失。由此可见，如果能对生产线设备实时状态信号监测与预警，就能及时地发现设备中的微小故障隐患，有针对性做好预防性维护，将隐患消灭于萌芽状态。能极大地降低单台车维修成本、缩短MTTR、提高MTBF，提升设备整体综合开动率指标。这对于主机厂生产线设备的使用率、安全可靠性都具有非常重要的意义。众所周知，传统检测设备缺点很多，例如维修成本高、兼容性差等，目前已无法适应工业4.0打造柔性化工厂的要求。随着工业4.0的发展，软件、通信网络等技术得到了快速的发展，许多新的测试方法和技术也不断地被应用到这些设备上，其中以软件为核心的虚拟仪器技术为设备检测开发提供了一套全新的科学技术手段。虚拟仪器系统由高效软件、模块化的I/O硬件和集成硬件组成，该系统具有强大的数据采集和数据处理能力，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件就能完成各种测试、测量和自动化应用。虚拟仪器技术为设备的状态监测、预警与信号诊断系统提供了一个通用化的开发平台，具备极大的开发价值。

1 虚拟仪器简介

1.1 虚拟仪器特点

虚拟仪器是一个基于PC机的硬件平台，由软件、模块化的I/O硬件和集成硬件三部分组成，是以计算机为核心的延伸，用户可以自定义和设计，由应用软件来实现测控功能及虚拟界面设计的计算机仪器系统^[2]。虚拟仪器系统具有扩展性强、性能高等特点，工程师可以高效的创建自己的应用以及友好的人机交交互界面。以LabVIEW为例，该图形化开发软件不仅能轻松的完成与软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，可以用模拟传统仪器的方法，用控制面板将监测结果输出，以完成仪器的各种测试功能。

1.2 虚拟仪器模块化I/O硬件

虚拟仪器系统是由集成的软硬件平台、软件及模块化的I/O硬件部分组成，如图1所示。

其实，在如今的汽车行业，面对愈来愈复杂的测试环境，虚拟仪器系统已经能够提供很全面的解决方案，从信号的采集到信号的传输，涉及PLC、分布式I/O、CAN总线、振动信号等，接口方式通常具备比较好的通用性，常用的总线类型有RS-232串口总线、CAN总线、VISA总线以及PROFINET总线等。

2 信号诊断系统模块设计

2.1 信号分析系统框架

目前，虚拟数据系统主要由信号传感器、数据处理器和诊断仪器组成，如图 2所示。

（1）信号采集模块。针对具体的机械设备，在合理的位置安装传感器可以获取机械设备不同数据参数，然后系统参数的物理量转换为计算机可处理的电信号，供数据采集系统进行采集和处理。主要是针对主机厂生产现场设备的压力、温度、振动信号等参数，采集数据要具有可靠性高、信号分辨率强、时效性好等特点。

（2）信号处理器。用传感器实时采集机械设备在工作环境中的振动数据，所得的原始信号不可避免的包含噪声干扰^[3]，且噪声的频率多为高频信号不宜直接采用，所以需要信号处理器对信号进行放大、低通滤波、隔离、萃取等措施进行预处理。

（3）特征提取。振动信号中包含大量设备状态信息，对振动信号进行特征提取可以初步反映设备状态，为后续状态监测算法的学习和训练机制提供数据支持，为模式识别提供基础^[4]。信号特征提取时可以使用LabVIEW从频域、时域和时频域角度对振动信号进行特征提取，例如数据分段、低通滤波、零均值化等预处理方式，具体包含如下自相关和互相关分析、自功率谱、互功率谱、小波变换、短傅立叶变换、Wigner-Ville变换等。

（4）故障诊断模块。当我们在对提取特征进行处理后，应该针对分析结果对生产设备的故障信号进行全方位的诊断。故障信号的诊断方法其实很多，比如常见的粒子群、小波包、支持向量机、神经网络等。

（5）监测、报警模块。监测报警模块通常被用于各个信号实时状态的监测，会提前对参数进行设定阀值，然后在设备正常运行时，判断信号值是否超过设定的阀值，如果超过或低于阀值，系统会自动报警，提醒设备人员对目前发生的故障进行提前处理，防止造成大面积的停线。

（6）上位机监控界面设计。传感器将采集数据传输到上位机，利用应用软件进行数据分析和处理。一套完成的测试平台需要包括数据采集、分析和控制处理的能力，最终由上位机提供可配置的参数设置和清晰直观的结果显示界面。

2.2 系统软件设计

虚拟仪器系统软件的作用是利用设备完成数据的采集、分析和处理。基于虚拟仪器的数据采集系统的软件一般由驱动程序、应用程序编程接口及开发工具三部分组成^[5]。

在汽车主机厂通常针对电流或者机械振动设备检测信号我们会利用串口来进行数据传输，LabVIEW可以通过VISA总线函数实现串口通信并实时显示，LabVIEW的VISA模块是位于仪器I/O到串口函数的界面选版中，是NI提供的I/O标准^[6]。

该软件是NI公司研制的图形化编程软件，也是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。软件程序由前面板、程序框图、接线端口这三部分组成，包括但不限于控制旋钮、面板开关以及指示、控制器等。此外，LabVIEW还可以编译生成可执行文件、安装文件，能够直接安装工具包后来运行此程序。

LabVIEW作为一种标准的数据采集和仪器控 制的软件^[7]，提供了图形化程序设计平台以及高级信号处理工具包，方便对汽车厂各种生产设备振动、电流等信号进行处理和分析。因此，测量振动信号分析和预警系统也是采用LabVIEW工具进行开发的。

3 虚拟技术在汽车厂前景展望

21世纪以来，随着科学技术的高速发展，虚拟仪器技术将会有更加广阔的市场和情景^[8]，针对国内汽车厂而言，工业4.0要求以更精益的方式完成智能制造的需求，虚拟仪器技术的性价比高，优势明显，如下：

（1）虚拟仪器系统的结构紧凑，符合汽车厂要求的模块化设计需求，而且故障信号诊断性价比会越来越高，高效化的配置方案越趋向经济和实用性，高性能的数字处理芯片的研发也会加速虚拟仪器技术进一步的发展。

（2）随着工业4.0的到来，建设精益化、智能化、柔性化的工厂逐渐成为了大趋势，相应的国内智能化软件开发平台市场也是需求量巨大，智能化软件可能是虚拟仪器一个重要的发展方向。

（3）国防科技和各大高校在教学实验中，会越来越广泛的将虚拟仪器技术进行推广。在未来社会发展中，“虚拟实验室”、“虚拟汽车智能工厂”和“虚拟智能制造”等技术将会服务于教学和科研，也会潜移默化渗入到人们的日常生活中。

（4）在汽车厂中，四大工艺车间（冲压、焊装、涂装、总装）以及公用动力联合站房、高配站房的设备每天都会发生各式各樣的故障，故障造成停线时不仅导致人工成本增加，还会严重影响产品交付效率，目前各大主机厂都在推行分布式测控系统、远程监测及故障诊断系统，目的是能做到提前预警，所以预测性维护将会应用更加广泛，而虚拟仪器技术的发展是预测性维护的关键实现路径。

4 结束语

在目前的汽车主机厂中，采用智能化制造技术提高虚拟仪器软件系统的诊断能力，对于实现生产设备的预测性维护和故障预警有个很大的作用。虚拟仪器技术测试系统具有时效性高、性能稳定、可扩展性强、诊断精准等特点，采集到的数据可以直接进行信号处理^[9]。基于该软件的开发平台性价比高、组态相对灵活，已经不再是功能单一、固定不变的结构，而是基于工业4.0打造愈来愈趋于柔性化、智能化。针对扩展性需求我们只需对软件增加相应的模块即可，不同的硬件传感器就能组成相应需求的测试系统，从而可以有效实现对生产过程中机械及电气设备的状态监测、故障诊断和故障预警。随着高性能数字芯片和智能软件的不断发展，系统逐步向虚拟仪器方式开始演变，用软件编程和模块化设计替代了传统繁杂的硬件电路，不仅降低了成本，而且稳定性更好。综上所述，虚拟仪器技术必将在主机厂设备状态监测与故障诊断领域中具有更加广泛的应用前景。

参考文献

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