陳哲人

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

Labview在船用振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳哲人

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

基于虛擬儀器研發(fā)1套通過(guò)分布式測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶各主要運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)噪聲水平進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)運(yùn)行異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警和報(bào)警，系統(tǒng)采集的大量歷史數(shù)據(jù)也可為設(shè)備故障的預(yù)判、排除及后續(xù)船型的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供有力支持。

健康監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警；分布式測(cè)量；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器

引言

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶主、輔機(jī)等主要設(shè)備、管路和螺旋槳等其他設(shè)備的振動(dòng)和噪聲，在出現(xiàn)細(xì)微異常情況時(shí)就加以關(guān)注，在數(shù)值出現(xiàn)波動(dòng)并達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)立即報(bào)警，防患于未然，才能及時(shí)排查問(wèn)題解決問(wèn)題，防止機(jī)器設(shè)備在出現(xiàn)異常后繼續(xù)疲勞作業(yè)，而造成設(shè)備損壞，避免重大事故發(fā)生，從而確保船舶設(shè)備正常工作和船舶安全航行。因此監(jiān)測(cè)船舶的振動(dòng)和噪聲不但能有效預(yù)防事故的發(fā)生，還能根據(jù)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)事前預(yù)估船舶性能情況、及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的船舶在出海前進(jìn)行檢查整修，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，確保船舶航行時(shí)的高效正常工作。

在人性化社會(huì)的今天，提高船舶居住的舒適性顯然十分重要，然而，振動(dòng)加劇會(huì)對(duì)環(huán)境造成噪聲污染，并進(jìn)一步影響到旅客、船員的身體健康。因此，降低船舶的振動(dòng)和噪聲勢(shì)在必行。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的船舶航行時(shí)的振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)情況有利于設(shè)計(jì)人員了解到自己設(shè)計(jì)的減振降噪設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，以便在未來(lái)設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)和提高，就好像設(shè)計(jì)人員延伸出來(lái)的手和眼睛一樣。為未來(lái)船舶設(shè)計(jì)的研究與改進(jìn)提供一個(gè)寶貴的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”，不僅能驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，而且為理論研究提供了最真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)信息。

分布式系統(tǒng)應(yīng)用于本套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)化整為零，再化零為整的方法完成龐大的全船監(jiān)測(cè)工作。分別監(jiān)測(cè)船舶上的各類設(shè)備如柴油發(fā)電機(jī)、水泵和風(fēng)機(jī)等，在前端部分直接將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)匯總到總控制臺(tái)。這樣做可以避免電荷信號(hào)因?qū)Ь€過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定，從而保證可靠的信噪比。此外，分布式系統(tǒng)還能保證前端監(jiān)測(cè)儀器多臺(tái)同步監(jiān)測(cè)，在其中一臺(tái)發(fā)生故障損壞時(shí)不會(huì)影響到其他設(shè)備的正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性。分布式系統(tǒng)對(duì)于不同的船舶還可以方便地根據(jù)船舶大小和設(shè)備多少來(lái)增加或減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而保證系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)性。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，基于 LabVIEW 的船用振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有研制周期短、開發(fā)成本低、性能可靠、容易組建、界面友好、易于功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)不斷完善后能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶在線監(jiān)測(cè)和故障診斷，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［1-6］。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，本套船用振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大體可以分為6個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報(bào)警處理和遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)將會(huì)實(shí)現(xiàn)以下幾方面的功能：

圖1 船用振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）實(shí)時(shí)采集船舶在航行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲的信號(hào)，并進(jìn)行一定的信號(hào)調(diào)理。

（2）對(duì)采集到的振動(dòng)噪聲信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)和發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，方便日后對(duì)船舶整體及船舶設(shè)備進(jìn)行更深入的分析。

（3）用一定的方法對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為判斷船舶是否發(fā)生故障提供依據(jù)。

（4）在對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行各種分析之后，能夠根據(jù)分析的結(jié)果實(shí)時(shí)判斷船舶是否發(fā)生故障。

（5）在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后，要能夠及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行報(bào)警，并且提示故障的位置，提醒工作人員進(jìn)行故障處理。

（6）采用分布式的思想，保證用戶不僅能夠在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)而且還要能夠在操作間以及其他重要場(chǎng)所實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；因此需要采取合理的數(shù)據(jù)傳輸方式，使用戶在這些場(chǎng)所能夠共享數(shù)據(jù)。同時(shí)設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互客戶端的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)滿足各種層次用戶的要求。

1.1 數(shù)據(jù)采集

對(duì)于數(shù)據(jù)采集來(lái)說(shuō)，首先是確定采集對(duì)象被測(cè)量，本套系統(tǒng)主要針對(duì)船舶整體和船舶設(shè)備如：柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等主機(jī)；柴油發(fā)電機(jī)組、汽輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、空壓機(jī)、舵機(jī)空調(diào)機(jī)組等輔機(jī)；以及減速齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)與軸系等。

對(duì)于被測(cè)對(duì)象來(lái)說(shuō)，測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)該符合振動(dòng)噪聲測(cè)量相關(guān)規(guī)定。另外振動(dòng)烈度的測(cè)點(diǎn)的布置原則為：測(cè)點(diǎn)應(yīng)選擇能代表機(jī)器整體運(yùn)動(dòng)的剛性較強(qiáng)的部位；每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)測(cè)量三個(gè)互相垂直的方向。在噪聲測(cè)量上可以采用目前國(guó)內(nèi)最為普遍的聲壓法測(cè)定聲壓級(jí)。以上具體參照GJB4058-2000艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法［7］。

確定好采集對(duì)象之后就是信號(hào)前端的拾取，振動(dòng)測(cè)量方法按振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式可分為電測(cè)法、機(jī)械法和光學(xué)法。其中電測(cè)法是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量方法。傳感器對(duì)于信號(hào)前端的拾取可以說(shuō)是不可或缺的。本套振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面使用具有TEDS功能的CCLD/IEPE壓電式加速度傳感器。噪聲監(jiān)測(cè)采用電容傳聲器。

如圖2所示，被測(cè)信號(hào)通過(guò)傳感器的采集后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡等I/O接口設(shè)備完成被測(cè)輸入信號(hào)的放大衰減、調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能?？梢园凑諏?shí)際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器和PXI總線儀器等。

圖2 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖

典型基于計(jì)算機(jī)的DAQ系統(tǒng)框圖如圖3所示。它由傳感器、信號(hào)調(diào)理儀器、數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備和已經(jīng)裝有DAQ軟件的計(jì)算機(jī)組成。

圖3 DAQ系統(tǒng)框圖

本套系統(tǒng)的DAQ系統(tǒng)包括傳感器、NI數(shù)據(jù)采集板卡、計(jì)算機(jī)以及在LabVIEW基礎(chǔ)上開發(fā)的集合信號(hào)調(diào)理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警等功能的軟件。通過(guò) LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集有各種各樣的方式，其中最簡(jiǎn)單易學(xué)的肯定是直接利用 NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板卡和 LabVIEW 中的數(shù)據(jù)采集 VI 實(shí)現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理必須具備一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能是接收、存儲(chǔ)和回放采集到的振動(dòng)加速度、振動(dòng)烈度、噪聲和溫度等與船舶安全性和適居性相關(guān)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。并向數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報(bào)警等子系統(tǒng)提供這些數(shù)據(jù)。

本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天采集大量振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)，并且把它們傳送給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，這就要求數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)π盘?hào)拾取前端傳來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效穩(wěn)定的存儲(chǔ)。另外，為之后分析船舶運(yùn)行時(shí)安全性和適居性的情況時(shí)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還必須提供按時(shí)間、測(cè)點(diǎn)、通道等條件對(duì)歷史振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)及相關(guān)過(guò)程量進(jìn)行查詢的功能。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的重要性不僅在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中做到承上啟下的作用，更重要的是為后期的分析提供一個(gè)完整方便的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。在進(jìn)行研究分析時(shí)，一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)價(jià)值千金，其實(shí)際性和理論依據(jù)相結(jié)合能更好地改進(jìn)提供船舶的性能。因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也是重要的一環(huán)，應(yīng)該在今后不斷優(yōu)化革新本套數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠?qū)φ駝?dòng)和噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化處理分析，如時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化成頻譜等方便我們查看和分析已獲得的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常獲得的是時(shí)域信號(hào)。對(duì)于函數(shù)曲線來(lái)說(shuō)，較高的采樣率能保證曲線的光順和準(zhǔn)確性，這也符合采樣定理（即奈奎斯特定理），在進(jìn)行信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通常默認(rèn)采樣頻率為所需分析的信號(hào)最大頻率的2.56倍。

FFT分析儀對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換FFT（Fast Fourier Transformation），可得到自功率譜、互功率譜、傳遞函數(shù)等。FFT分析的流程圖如圖4所示。

FFT分析是目前對(duì)振動(dòng)加速度、振動(dòng)烈度等振動(dòng)信號(hào)分析最為常用的方法之一，在此基礎(chǔ)上也可以繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，如倒譜變換、小波分析等。

圖4 FFT分析流程圖

倍頻程分析是目前對(duì)于噪聲較為普遍的分析方法。倍頻程指的是使用頻率是基準(zhǔn)頻率的2的n次方倍，也就有n次倍頻程的概念。恒定百分比帶寬分析（Constant Percentage Bandwidth）其帶寬是中心頻率的一個(gè)恒定百分比值，帶寬隨中心頻率成比例增大或減小。通常使用1/1倍頻程（也可稱為倍頻程）和1/3倍頻程分析。中心頻率可以表示一個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲音，但不是表示一個(gè)頻率的純音，它是使用頻率與基準(zhǔn)頻率的乘積的平方根。帶寬可以通過(guò)以下公式獲得：帶寬=［（2（1/n）-1）×中心頻率］。

FFT和倍頻程分析時(shí)，頻率分辨率越高對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)越好，而對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，則要根據(jù)時(shí)域數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和周期性來(lái)選擇頻率分辨率，比如開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)突然增大或減小的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)信號(hào)主要使用線性平均的分析方法，對(duì)所有參加平均的樣本權(quán)重加權(quán)，消除外界環(huán)境干擾的影響。而對(duì)于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的測(cè)量則采取指數(shù)平均的方法，對(duì)最近時(shí)刻的樣本取最大加權(quán)權(quán)重，觀察其當(dāng)前變化趨勢(shì)。

在數(shù)據(jù)分析中，還需要選擇窗函數(shù)的類型，窗函數(shù)是一種在給定區(qū)間外其他值均為0的實(shí)函數(shù)。目前有多達(dá)數(shù)十種普遍應(yīng)用的窗函數(shù)，比如Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、力窗、平頂窗、指數(shù)窗等。Hanning窗適用于分析隨即信號(hào)，能減少功率的泄漏，是實(shí)時(shí)分析查看信號(hào)最為常用的窗函數(shù)之一。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)還通常采用圖形分析法，常有的圖形有頻譜圖、波形圖、瀑布圖、趨勢(shì)圖、級(jí)聯(lián)圖、軌跡圖、波德圖、奈奎斯特圖等。

1.4 故障診斷與報(bào)警處理

故障診斷系統(tǒng)以分析處理后的數(shù)據(jù)和信息為核心，通過(guò)與常見故障對(duì)應(yīng)的特征征兆作比較來(lái)診斷故障。常見的振噪聲故障診斷方法有傳統(tǒng)故障診斷方法、診斷專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊診斷方法等幾種［11］。

目前本套系統(tǒng)還是以傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)為主，加入模糊診斷方法的思想進(jìn)行輔助改進(jìn)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和一些常見故障的特征建立數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合專家豐富寶貴的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷船舶及船舶設(shè)備的一些常見故障。

報(bào)警系統(tǒng)雖然不經(jīng)常觸發(fā)，但是產(chǎn)生故障信號(hào)時(shí)，必須實(shí)時(shí)處理，具有系統(tǒng)最高的優(yōu)先級(jí)。觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)后，會(huì)并發(fā)數(shù)據(jù)記錄程序，將異常情況時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以備日后查看分析。

1.5 遠(yuǎn)程傳輸

網(wǎng)絡(luò)通信是構(gòu)建智能化分布式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)。儀器智能化進(jìn)一步加強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度進(jìn)一步提高，網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器相結(jié)合，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)，就是虛擬儀器系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。

LabVIEW提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，包含TCP、UDP、DataSocket等。NI公司基于TCP/IP協(xié)議推出了DataSocket這項(xiàng)新技術(shù)，DataSocket面向測(cè)量測(cè)試和網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸交換，可傳輸交換數(shù)據(jù)在1臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)應(yīng)用程序之間，簡(jiǎn)化了比較復(fù)雜的 TCP/IP 底層編程，傳輸速率大大提高，極大簡(jiǎn)化了互聯(lián)網(wǎng)上測(cè)控?cái)?shù)據(jù)交換的編程。DataSocket能夠在測(cè)量測(cè)試和自動(dòng)化應(yīng)用程序中應(yīng)用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)［12］（如下頁(yè)圖5所示）。

圖5

整個(gè)系統(tǒng)采用目前十分流行的分布式概念來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，以以太網(wǎng)為通信協(xié)議，用雙絞線或光纖網(wǎng)線來(lái)連接，通過(guò)智能HUB來(lái)高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)接，并且直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)供電模式給前端采集設(shè)備供電。以太網(wǎng)定義了在局域網(wǎng)中采用的電纜類型和信號(hào)處理方法。分布式系統(tǒng)采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有管理方便，容易拓展的特點(diǎn)。分布式系統(tǒng)的好處是能保證前端監(jiān)測(cè)儀器多臺(tái)同步監(jiān)測(cè)，當(dāng)某臺(tái)前端監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題故障時(shí)，不會(huì)影響其他前端監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性。在前端部分直接將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)匯總到總控制臺(tái)。如此便可避免電荷信號(hào)因?qū)Ь€過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定，從而保證可靠的信噪比。而且將采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總至總控制室，還便于統(tǒng)一查看并處理分析。分布式系統(tǒng)對(duì)于不同的船舶還可以方便地根據(jù)船舶的大小和設(shè)備的多少來(lái)增加或減少監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，保證系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)性。

2　基于LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)軟件

虛擬儀器能夠應(yīng)用不同的測(cè)試監(jiān)測(cè)功能軟件模塊的組合來(lái)滿足更多種多樣的用戶需求，所以在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件即是儀器”的說(shuō)法。這也體現(xiàn)了測(cè)試監(jiān)測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。

首先是本套系統(tǒng)的人機(jī)交互界面即前面板如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面

良好人性化的人機(jī)交互界面應(yīng)該盡可能地使界面清晰整潔，方便用戶快速適應(yīng)軟件操作。應(yīng)該能夠應(yīng)對(duì)龐大的測(cè)試量、數(shù)據(jù)的分析處理、波形的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)的保持等繁多的任務(wù)。界面的設(shè)計(jì)原則有面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)、開放式結(jié)果等。

軟件更為重要的便是軟件的設(shè)計(jì)想法和程序編程。首先引入一個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的概念，狀態(tài)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)就是在之后的修改或添加功能時(shí)的便利性。在了解狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)前，順序模式是我們最先接觸的，也是最基本的一種編程模式。程序按照固定的順序來(lái)執(zhí)行、結(jié)束，但是在很多情況中，靜態(tài)的順序模式并不能滿足編程的要求，我們要實(shí)時(shí)改變程序的執(zhí)行順序通過(guò)利用更有效的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。狀態(tài)機(jī)模式如圖7所示。

圖7 狀態(tài)機(jī)模式

狀態(tài)機(jī)是對(duì)系統(tǒng)的一種描述，該類系統(tǒng)包含了有限的狀態(tài)，并且在各個(gè)狀態(tài)間可以通過(guò)一定的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一般可用狀態(tài)圖來(lái)對(duì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行精確的描述。

本套系統(tǒng)軟件通過(guò)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)分為初始化、設(shè)置、運(yùn)行、退出4個(gè)狀態(tài)。如圖8所示。

圖8

構(gòu)建狀態(tài)機(jī)有一個(gè)非常重要的技巧就是使用枚舉常量來(lái)作為狀態(tài)變量。枚舉常量包含兩組成對(duì)的數(shù)據(jù)，一組是數(shù)值，另一組是字符串，一一對(duì)應(yīng)。在用戶界面上，能夠直觀地看到字符串，而在程序面板上簡(jiǎn)單明了地表示為數(shù)值型數(shù)據(jù)。枚舉常量結(jié)合條件結(jié)構(gòu)使我們?cè)跅l件判斷框中，看到的并非單純的數(shù)值，而是自己定義好的字符串，如此直觀的表現(xiàn)形式方便管理不同的狀態(tài)。另外，在條件結(jié)構(gòu)上右鍵單擊，然后為每個(gè)值添加分支，就能自動(dòng)根據(jù)枚舉數(shù)據(jù)將條件結(jié)構(gòu)展開，確保每個(gè)狀態(tài)的完整性。使用自定義枚舉常量對(duì)狀態(tài)機(jī)的分支進(jìn)行添加或刪除通常是最簡(jiǎn)便的方法。只需要編輯自定義枚舉常量即可自動(dòng)更新狀態(tài)機(jī)中任何位置的狀態(tài)變量，對(duì)于后期修改軟件是非常重要的。自定義枚舉變量及其編輯界面如圖9所示。

圖9 自定義枚舉變量及其編輯界面圖

在初始化狀態(tài)中，對(duì)采集通道、采集模式、每通道采樣數(shù)和測(cè)試信號(hào)類型等參數(shù)進(jìn)行初始化賦值，賦予常用默認(rèn)值，可以方便用戶省去每次操作時(shí)重復(fù)這些步驟。初始化狀態(tài)的程序框圖如圖10所示。

在設(shè)置狀態(tài)中，將各個(gè)單獨(dú)的參數(shù)捆綁成一個(gè)簇，便于將這些設(shè)置好的參數(shù)打包傳遞給下一個(gè)狀態(tài)，在按下設(shè)置確認(rèn)按鈕后，通過(guò)其可見屬性函數(shù)將其隱藏，可使程序中的參數(shù)在完成設(shè)置后不被用戶隨意修改而影響后續(xù)的程序運(yùn)行。設(shè)置狀態(tài)的程序框圖如圖11所示。

圖10 初始化狀態(tài)的程序框圖

圖11 設(shè)置狀態(tài)的程序框圖

運(yùn)行狀態(tài)是本套系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵，首先使用的是LabVIEW的專門用于數(shù)據(jù)采集的DAQmx函數(shù)，通過(guò)其中諸如DAQmx創(chuàng)建通道、定時(shí)（采樣時(shí)鐘）、開始任務(wù)、讀取任務(wù)、停止任務(wù)和清除任務(wù)等來(lái)采集數(shù)據(jù)。在創(chuàng)建通道時(shí)采用條件結(jié)構(gòu)，使本套系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的設(shè)置選擇采集振動(dòng)或噪聲信號(hào)。并且設(shè)計(jì)的多通道采集以二維數(shù)組形式讀取，每個(gè)通道為一維，而一個(gè)通道的每個(gè)采樣數(shù)據(jù)為另一維。另外在運(yùn)行狀態(tài)中在內(nèi)套一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)來(lái)處理數(shù)據(jù)采集后的存儲(chǔ)和初步的實(shí)時(shí)顯示時(shí)域波形。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中又分為定時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)和點(diǎn)擊按鈕存儲(chǔ)兩種方式。定時(shí)存儲(chǔ)可以每隔1小時(shí)進(jìn)行1次數(shù)據(jù)的記錄，而且還輔助有手動(dòng)存儲(chǔ)來(lái)滿足用戶按照自己的需要來(lái)保存某個(gè)狀態(tài)時(shí)間的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成功時(shí)會(huì)亮起綠燈并顯示保存文件的路徑和相對(duì)應(yīng)的文件名方便用戶來(lái)查找。其中例如定時(shí)存儲(chǔ)功能運(yùn)用的只是加一函數(shù)、等于函數(shù)和移位寄存器三個(gè)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)模塊有效的組合就完成了所需的要求。移位寄存器是循環(huán)結(jié)構(gòu)特有的一個(gè)附加對(duì)象，它可以將本次循環(huán)完成時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞給下一次循環(huán)來(lái)使用。對(duì)于數(shù)據(jù)的分析部分則是使用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)和枚舉輸入控件的組合，用戶可以切換選擇自己需要的分析方法，方便快捷而且利于今后的添加修改。在FFT分析時(shí)，通過(guò)索引數(shù)組和創(chuàng)建波形函數(shù)相結(jié)合可以讓用戶選擇查看某一條通道的波形圖和數(shù)據(jù)等，這樣就可以知道每個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的振動(dòng)和噪聲水平的情況。將分析模塊和采集模塊并置在一個(gè)循環(huán)中可以滿足用戶實(shí)時(shí)查看動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的要求。頻譜測(cè)量，F(xiàn)FT分析和倍頻程分析等都是LabVIEW附加包中比較智能化的模塊，方便開發(fā)者直接使用，省去大量不必要的底層模塊的編程工作。運(yùn)行狀態(tài)的程序框圖如圖12所示。

圖12 運(yùn)行狀態(tài)的程序框圖

最后就是退出狀態(tài)，通過(guò)點(diǎn)擊停止按鈕后進(jìn)入退出狀態(tài)，利用等于函數(shù)符合等于條件退出整個(gè)循環(huán)。退出狀態(tài)的程序框圖如圖13所示。

圖13 退出狀態(tài)的程序框圖

3　結(jié)　　論

綜上所述，現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)一套應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全船的振動(dòng)噪聲情況并作出相應(yīng)故障診斷的分布式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)分析處理（如FFT分析、倍頻程分析、自功率譜分析等）、故障診斷、報(bào)警及遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測(cè)等功能。

由于本套系統(tǒng)是基于研究所研發(fā)項(xiàng)目的一個(gè)設(shè)計(jì)課題，整個(gè)課題項(xiàng)目非常龐大而且處于初期研發(fā)階段。因此目前的設(shè)計(jì)研究還有很大的后續(xù)提升空間：

（1）應(yīng)用SQL Sever于數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)的科學(xué)化管理。

（2）配備報(bào)表自動(dòng)生成功能和整點(diǎn)制表功能，方便用戶獲取標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的報(bào)告報(bào)表。

（3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)的分析功能，研究開發(fā)更多適合振動(dòng)好噪聲分析的分析模塊。

（4）通過(guò)MATLAB和LabVIEW相結(jié)合研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法。

（5）采用多任務(wù)多線程機(jī)制，優(yōu)化提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。

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Application of Labview in fault monitoring system of ship vibration and noise

CHEN Zhe-ren
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The real-time vibration and noise levels of the main operation equipments on ships are monitored by the distributed measurement method based on the development of virtual instruments. The system can send early warnings and alarms under the abnormal operations， resulting from the evaluation of the operation conditions by data analyses. A large number of the historical data collected for the system can provide strong support for the prediction and elimination of the equipment faults， and the subsequent design and the improvement of ships.

health monitoring and fault warning； distributed measurement； data acquisition； virtual instrument

U661.44

A

1001-9855（2016）01-0045-08

2015-08-19；

2015-10-22

陳哲人（1992-），男，助理工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)與振動(dòng)噪聲。