基于VC^＋＋的旋转机械故障诊断系统的研究

第52卷第4期2010年8月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYVO152NO4AUG2010基于VC的旋转机械故障诊断系统的研究唐贵基，刘德庆，张超华北电力大学机械工程系，河北071003摘要针对中电投东北分公司各汽轮机组远程故障诊断的研究，设计并开发了诊断系统。先从理论上对振动信号的特征参数作了分析，阐述了模糊诊断的理论和应用方法，然后根据各特征参数的计算方法介绍了构建该系统的过程。最后利用该软件分析处理电厂实测数据，包括绘制谱图和故障诊断，取得了良好的效果。关键词旋转机械；信号分析；故障诊断；动平衡分类号TH841；TH877文献标识码A文章编号10015884201004029304THEREMOTEFAULTDIAGNOSISSYSTEMFORROTATINGMACHINERYBASEDONVCTANGGUIJI，LIUDEQING，ZHANGCHAONORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，DEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING，HEBEI071003，CHINAABSTRACTADIAGNOSTICSYSTEMISDESIGNEDANDDEVELOPEDACCORDINGTOTHERESEARCHONTHELONGDISTANCEMALFUNCTIONDIAGNOSISOFTHEGASTURBINESINNORTHEASTBRANCHOFCPIFIRST，CHARACTERISTICPARAMETERSOFVIBRATIONSIGNALSAREANALYZEDINTHEORY，ANDEXPOUNDEDTHETHEORYANDAPPLICATIONMETHODOFFUZZYDIAGNOSIS，THENINTRODUCEDTHEPROCESSOFBUILDINGTHESYSTEMWHICHACCORDINGTOTHEMETHODOFCALCULATINGTHECHARACTERISTICPARAMETERSATLAST，USETHESOFTWARETOANALYSISANDDEALWITHTHEACTUALDATAOFPOWERPLANT，INCLUDINGCHARTINGANDFAULTDIAGNOSIS，ANDACHIEVEDGOODRESULTSKEYWORDSROTARYMACHINE；SIGNALANALYSIS；FAULTDIAGNOSIS；BALANCING0前言随着现代工业技术的发展，旋转机械正朝着大型化、高速化等方向发展，而旋转机械的故障征兆基本上都包含在它的振动信号里，通过对振动信号的处理和分析，可以判断它是否正常运行或者存在潜在故障，并能对故障状态进行趋势预测。目前国内外的专家学者已研制开发了一大批故障诊断系统，并取得了一定的经济效益和社会效益。本文针对目前故障诊断系统的不足，运用基于贴近度的模糊诊断与基于规则的不精确推理相结合的故障诊断技术，通过面向对象的编程工具VC一，配合使用ORACLE数据库资源实现旋转机械的远程故障诊断。开发这样一套具有特色且实用的旋转机械远程故障诊断系统，无论是在经济上还是技术上，都有积极的现实意义。1系统总体设计与构成旋转机械远程故障诊断系统主要分为3个部分现场信号采集，数据库服务器和客户端软件，其系统组成如图1所示。本文主要介绍客户端软件的编制。客户端软件是整个系统最关键的部分，它起着枢纽作用，对上和用户交互，对下扭数据廑服盘盎通信获取信息，所以软件性能的好坏直接收稿日期20091231基金项目河北省自然科学基金资助项目编号E2008001237。关系到系统的整体性能。客户端软件要完成的任务主要有远程数据调用、数据分析处理、绘制谱图、故障诊断、动平衡测试等。系统通过特定数据库接口与ORACLE数据库服务器连接并调用振动数据。软件构成如图2所示。图1故障诊断系统组成图图2系统构成图2软件功能模块设计21远程数据调用模块软件通过ADOACTIVEXDATAOBJECT实现对ORACLE数据作者简介唐贵基1962一，男，教授。观主要从事机械结构动特性、振动与噪声控制、状态监测与故障诊断等方面的研究。294汽轮机技术第52卷库服务器的远程调用，因此，数据源访问效率高，操作稳定，能满足远程诊断的需要。ADO是目前在WINDOWS环境中比较流行的客户端数据库编程技术，是一种面向对象、与语言无关的高层数据库访问技术，因而具有强大的数据处理功能和极其简单、易用的编程接口。在开发各个子功能模块的过程中，通过灵活运用ADO提供的各种接口函数，能够减少诊断系统源代码数量，并使得源代码更易于理解和维护。使用ADO进行数据库编程，其流程如图3所示。初始化OLECOM库连接数据库服务器CONNECTION、COMMAND对象1打开并读取记录集GETITEM，MOVE，RECORDSET等关闭记录集断开连接释放对象图3数据库连接流程图22数据分析处理模块这一软件为了满足对信号进行分析处理的要求，具有时域、频域两方面的处理功能。振动数据是以和Y方向的幅值存储在数据库里的，且存储形式为二进制，需要经过十进制转换才能使用。221时域分析模块时域信号分析是获取信号的波形、轴心轨迹等时域图形并求取信号的特征参数均值、方差、峰值和均方值等L5J。在实际机组中峰值对机械强度的破坏最为突出。LT是在波形数据的处理过程中获得的。把十进制转换后的幅值数据存储在DWAVEDATA数组中，作为波形数据使用。根据波形数据确定波形曲线在窗口中的绘制比例和相对坐标NWAVECOYX，然后在VIEW类中的ONDRAWCDCPDC函数中绘制汽轮机组轴的振动波形。轴心轨迹是将向波形和L，向波形综合起来在一个窗口上显示，能够直观地反映轴心的运动状态。在轨迹曲线上加上游标，随着游标的运动，可以方便地看出轴心的运动方向，为故障的诊断提供一个更加方便快捷的方式。轴心轨迹的绘制方法与波形图类似。棒图是根据峰值绘制的一种可以直观显示振动幅值的图形。在棒图上设置阈值，若振幅超过该阈值，则显示报警。方便操作人员及时作出相应处理，减少故障产生的损失。222频域分析模块对旋转机械的振动信号进行频域分析可以获得更多信息进行故障诊断。本诊断系统提供的是以振幅形式表示的幅频和极坐标分析功能。通过使用库利一图基提出的基于2的正整数次密算法的相对FFT，实现采样点数256点的频域分析。在CMAINFRAME类中创建FFTDOUBLEDRE，DOUBLEDIM，INTNDATANUNL，BOOLBFLAG函数，其中，DRE为实部、DIM为虚部，该函数通过相对FFT算法对时域波形数据进行频域转换，根据转换后的频谱数据在ONDRAWCDCPDC函数中进行幅频谱的绘图显示。极坐标图是将频率特性画在极坐标平面的图形，工程中常用其分析系统的稳定性。绘制极坐标需用到数据库内某个记录的各组数据，因此先从FFT函数中获取每组数据的一倍频幅值、实部和虚部并分别保存在数组DPDATAX、DPREX和DPIMX中，一倍频相位计算方法为DANEXI2314一ATAN2DPIMXI，DPREXI由一倍频幅值和相位确定绘图比例和相对坐标即可绘制极坐标图。23故障诊断模块231自动诊断本文采用时域的峰值因子、振动幅值以及频域的各频率成分幅值作为诊断数据，对汽轮机组中常见的转子不对中、转子碰摩、油膜振荡、轴承松动、转子不平衡等故障进行综合诊断，诊断流程如图4所示。从数据处理模块中获得诊断数据，根据故障诊断规则库、模糊关系矩阵进行模糊诊断，判断故障类型并显示结果。否图4诊断流程图1模糊诊断原理诊断一个系统的故障，必须弄清该系统可能的故障原因和可能的故障征兆。定义系统可能的故障原因集为Y。，Y，YY，式中，N表示故障原因种类的总数。由故障原因引起可能的故障征兆为，M表示故障征兆种类的总数。采用相应的隶属度函数来描述这些故障现象存在的倾向性。设观察到某部位的征兆群样本为，同时得出这些样本中各分量元素，对征兆I的隶属度，就构成了故障征兆模糊向量。即XX，1,，。若征兆样本是由故障原因Y引起的，则故障原因模糊向量Y1，惶，。根据故障现象和故障原因之间的模糊关系矩阵，将征兆空问转化到故障空间，即有模糊关系方程YRX式中，“”为模糊算子，R为模糊关系矩阵。关系矩阵直接关系着模糊推理结果的准确性，矩阵中第4期唐贵基等基于VC一的旋转机械故障诊断系统的研究295各个元素值的大小与实际情况的符合程度，直接影响诊断的效果，目前该矩阵的建立主要通过经验统计法确定。2模糊诊断方法模糊诊断的实质是根据模糊关系矩阵R及模糊征兆矢量，求出状态模糊矢量Y，在此过程中，需要进行模糊运算和模糊判别。模糊关系矩阵经验值如下R一050，040，002，002，003，003050，020，013，002，015，005006，070，010，010，002，002003，020，002，050，020，010005，003，001，001，070，020。006，010，050，030，002，002诊断规则库故障征兆集是诊断知识的集合，是自动诊断的核心，知识表示水平的高低直接影响诊断的准确性。该规则库采用面向对象的概念和框架表示方法，通过设定各种可能故障的经验值，确定故障隶属度，能够充分表达知识形态的各方面信息，并且可以根据实际需要动态修改和扩充。诊断规则库界面如图5所示。图5诊断规则库界面模糊诊断方法是基于数值运算的诊断，包含精确数学模型描述和可供参考的专家经验，可以自动进行，不需要人工干预，适合于要求快速、实时的场合。它利用的信息易于获取，如振动的频谱信息等，因此模糊诊断作为一种基于贴近度的数值型诊断，能够大大提高诊断效率，增加诊断准确性。232转子动平衡转子可视为由无限多个连续的薄盘组成，转子的不平衡是由每个薄盘相对旋转轴线存在偏心造成的。根据刚性转子的动平衡原理，一个动不平衡的刚性转子总可以在其旋转轴线垂直面不与转子相重合的两个校正面上减去或加上适当的质量来达到平衡的目的。刚性转子动平衡分单面平衡和双面平衡，本模块通过双平面影响系数法方便、准确地测量转子的动平衡特性。电厂动平衡实验步骤如图6所示。根据每步中相应的提示说明，输入实际机组的必要数据进行动平衡校验，即能得到转子的动平衡特性。3系统应用实例以该电厂的实测数据进行数据分析和故障诊断，数据存储在ORACLE数据库服务器中。利用该软件对实测数据进行调用且分析处理，结果如图7图9所示。根据分析处理得到的时频域诊断数据，进行自动诊断，自动诊断界面设置如图10所示。从图中看出，可以使用单图6实验步骤图图7波形图和频谱图图8轴心轨迹图9棒图组数据进行诊断，也可使用多组平均值进行诊断，这样确保诊断的准确性。各频率成分的幅值是诊断之前自动计算获得的，使得软件更加方便易用，提高了故障诊断效率。从各图形和自动诊断结果分析得知汽轮机转子振动状态正常，振动幅值不超标，因此报警显示为绿色，机组正常运行。此系统经电厂实际应用验证，其振动分析和模糊诊断方法有效，基本符合电厂要求，目前已投入使用。296汽轮机技术第52卷4总结图10自动诊断界面本文开发的远程故障诊断系统，对旋转机械的远程振动监测和故障诊断进行了进一步探索。充分发挥了VC一和ORACLE数据库技术的长处，方便地实现振动数据的读取、分析、绘图和故障诊断，也使得系统的开发成本大为降低。诊断方面采用模糊关系矩阵和诊断规则库两种形式加以描述，运用模糊关系方程，把错综复杂的振动诊断知识简易化，实现了一种新的提高故障诊断效率的方法。另外，程序的开发周期短，兼容性高，易于维护等优势使其在工程实际中的应用越来越广泛。实践证明，该项技术对旋转机械远程故障诊断提供了一个良好的技术解决方案，具有较大的实用价值和经济价值。参考文献1张正松，傅尚新，冯冠平，等旋转机械振动监测及故障诊断M北京机械工业出版社，199121IIMAMETA1DEVELOPMENTOFANONLINEROTORCRACKDETECTIONANDMONITORINGSYSTEMJASMEJOURNALOF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