机械设备状态监测和故障诊断技术.ppt

机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术 振动、冲击、噪声国家重点实验室(上海交通大学) 2005年5月18日 *1 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 提纲 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 Date2 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基 础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 *3 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 引言 n现代工业生产对机械设备的要求: n可靠性 n可用性 n维修性 n经济性 n安全性 n进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度 n机械设备状态监测与故障诊断技术在满足上 述这些要求中，扮演着越来越重要的角色 Date4 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n机械设备是现代化工业生产的物质技术基础 ，设备管理则是企业管理中的重要领域 n也就是说，企业管理的现代化必然要以设备 管理的现代化作为其重要组成部分 n机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管 理与维修现代化中占有重要的地位 我国已将设备诊断技术、修复技术和润滑技术 列为设备管理和维修工作的三项基础技术 Date5 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n维修方式归纳起来有三大类，共五种形式： n事后维修(BM) n改善维修(CM) n预防维修(PM)视情维修(COM)、状态维修 (CBM)和计划(定期)维修(TBM) Date6 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n状态监测与故障诊断技术是预防(状态)维修 的必要条件 n推广和应用设备状态监测与故障诊断技术可 以达到如下目的： n保障设备运行安全，防止突发事故 n保证设备工作精度，提高产品质量 n实施状态维修(或预防维修)，节约维修费用 n避免设备事故带来的环境污染及其它危害 n给企业部门带来较大的间接经济效益 Date7 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n实践证明，机械设备状态监测与故障诊断技 术 n正在改变着我国传统维修管理的被动局面 n正在向预防(状态)维修的新方式推进 n促使设备寿命周期费用最经济和综合效率最高 n可见，状态监测与故障诊断技术是开展预防( 状态)维修的重要支撑 Date8 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 引言 n机械设备状态监测与故障诊断 n是一门正在不断完善和发展的交叉型学科 n是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术 n是机械学科领域的研究热点之一 n故障诊断学科需解决的重要问题 n故障特征信息提取和故障分类、识别的新理 论及 新方法研究 n复杂故障产生机理及模型的深入研究 n故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和网 络化远程诊断系统 Date9 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 学科范畴 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基 础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 *10 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 学科范畴 Date11 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 定义 n机械设备状态监测与故障诊断 n是识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综 合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行 状态的变化在诊断信息中的反映 n通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所 测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断 (识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异 常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需 要采取的必要对策的一门技术 n主要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面 Date12 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 定义 技术结构关系 Date13 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 定义 监测与诊断的关系 n机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系 ，同一学科的两个层次：简易/精密 n状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些 较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备 状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设 备的状态 n如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关 设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将 来状态。通常这就叫做趋势分析 n故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常 与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以 及故障的严重程度进行深入的分析和判断 Date14 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 学科发展意义 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基 础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 *15 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 故障诊断的目的 n目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行 n主要目的： n及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作 出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进 行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性 n制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能 力,同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其 服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用 n通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优 化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息 Date16 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 故障诊断的任务 n状态监测： n了解和掌握设备的运行状态。包括采用各种检测 、测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历 史和现状，考虑环境因素，对运行状态作出评估 ，并为进一步分析提供信息 n故障诊断： n根据状态监测所得信息，结合已知的结构特性和 参数、环境条件及运行历史，对故障进行预报和 分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原 因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果 Date17 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 故障诊断的任务 n指导设备管理和维修： n根据故障诊断的结果，提出控制故障继续发展和 消除故障的对策或措施(调整、维修、治理)；为 推进视情维修体制提供依据 Date18 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 n有利于提高设备管理水平 n“ 管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生 产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推动 国民经济持续、稳定、协调地发展 n机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水 平的一个重要组成部分 Date19 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 n避免重大事故发生，减少事故危害性 n现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善， 自动化程度越来越高。但是，当设备出现故障时 所带来的影响程度也明显增大，有时不仅仅是造 成巨大的经济损失，往往还会带来灾难性的事故 n发展机械设备状态监测与故障诊断技术，并进行 有效、合理的实施，可以掌握设备的状态变化规 律及发展趋势，防止事故于未然，将事故消灭在 萌芽 Date20 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 n可以获得潜在的巨大经济和社会效益 n生产设备停机、停工带来的单位损失越来越大 n最大限度降低设备寿命周期费用，最大限度提高 以生产经济性为目标的管理 n寿命周期费用(LCC) 研制费用生产费用使用、维修费用 购置费用使用、维修费用 推行设备诊断技术和现代维修技术，有助于减少使用 、维修费用，从而从整体上降低设备的寿命周期费用 Date21 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 举例 n我国因机械设备事故造成的损失十分严重 n1985年10月29日山西大同第二电厂20万千瓦2号 机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段 ，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元； n1988年2月12日陕西秦岭电厂20万千瓦5号机组 轴系发生突发性强烈振动，轴系断裂为十三段， 机组严重损毁，直接经济损失达3000万元； n对石化引进30万吨合成氨和40万吨尿素化肥厂中 的五大透平压缩机组的初步调查结果表明，仅 1977年和1978年的两年的不完全统计，机械事故 就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿 Date22 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 举例 n宏观上实施故障诊断能带来经济效益 n1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元 ，其中有将近1/3 (约750亿美元)属于维修方法采 用不当(包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技 术)而浪费掉的 n我国1987年国营工业和交通企业有40万个以上， 总固定资产约为7000亿元，每年用于设备大修、 小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的3 5%。因此，采用状态监测和故障诊断技术改 善设备维修方式和方法后，一年就有可能取得数 百亿元的经济效益 Date23 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 开展故障诊断工作的意义 举例 n对生产单位有很高的收益/投资比 n日本资料报道，实施故障诊断后，事故率减少 75%，维修费用降低25-50% n英国2000家大型工厂采用诊断技术后每年节省维 修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系 统和技术手段的费用为0.5亿英镑，从而净获益 达2.5亿英镑/年 n美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效 益达到其本身投入的36倍 Date24 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 美国Pekrul电厂故障诊断效益分析 Date25 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 监测与诊断技术基础 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基 础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 *26 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 管理体制 n监测与诊断工作是一个系统工程 n首先要有设备 n其次要有懂专业的技术人员 n更重要的是还必须有系统完善的管理体制 Date27 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 基于振动(噪声)测量与分析 n在这里所提及的状态监测与故障诊断，均是 指基于振动测量与分析方面的技术 n事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、 涉及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术 n除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析 、红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多 种不同技术 Date28 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 基于振动(噪声)测量与分析 n振动是自然界中的一种很普遍的运动 n机械振动信号中包含了丰富的机器状态信息 ，它是机械设备故障特征信息的良好载体 n利用振动信号来获取机械设备的运行状态并 进行故障诊断具有如下优点： n方便性：利用各种振动传感器及分析仪器，可以 很方便地获得振动信号 n在线性：振动监测可在现场不停机的情况下进行 n无损性：在振动监测过程中，不会对被测对象造 成损伤 Date29 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 信号处理技术 n信号处理技术是进行故障诊断的基础，是特 征提取必不可少的工具 n信号处理技术分为传统和现代两大类，其中 ： n传统的信号处理技术是指以FFT为核心的信号分 析技术，在实际运用中发挥着重要的作用 n而近年来发展起来的现代信号处理技术在故障特 征提取方面正崭露出头角 Date30 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 (传统)信号处理技术 Transfer FunctionTransfer Function FFT (Fast Fourier Transform)FFT (Fast Fourier Transform) CorrelationCorrelation PSDPSD 特征提取技术特征提取技术 Date31 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 (传统)信号处理结果示例 Date32 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理技术 n现代信号处理的本质可用七个“ 非”字来高度 概括，即研究： n非线性、非因果、非最小相位系统 n非高斯、非平稳、非整数维(分形)信号 n非白色加性噪声 n为准确、有效地获得故障特征信息，目前重 点是：研究和发展基于非高斯、非平稳及非 线性故障信号的分析理论及方法 n时频分布、小波分析、高阶统计量分析、循环平 稳信号处理、非线性分析、 Date33 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理技术 非线性非线性 特征提取技术特征提取技术 现代信号处理现代信号处理 非平稳非平稳非高斯非高斯 高阶统计量分析高阶统计量分析时频分布、小波分析时频分布、小波分析分形、关联维数 分形、关联维数 Date34 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-时频分布 Date35 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-时频分布 Date36 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-小波分析 n在时-频平面上，时间-频率分辨率是变化的 n高频处：时间分辨率高、而频率分辨率低 n低频处：时间分辨率低、而频率分辨率高 小波基函数小波基函数时 时- -频平面上的分辨率频平面上的分辨率 Date37 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-小波包分析 Date38 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-连续小波分析 用Hermitian小波变换探测 正弦信号中的微弱准脉冲 用Hermitian小波变换 对含有微弱准脉冲和噪 声的正弦信号进行分析 Date39 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-小波尺度与相位谱 Date40 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-双谱分析 n非参数双谱定义为三阶累积量谱 Date41 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-双谱分析 Input vector for LVQ: u 4 x 8 Peak values of projection of Bispectrum projection of Bi-Sp Date42 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-双谱分析 Bi-Sp Method MAC Method Date43 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-循环平稳信号 n循环平稳信号是一种带有隐含周期性的特殊 非平稳信号，其统计特性表现为周期平稳性 ，或者说其统计函数呈周期或多周期(各周期 不成比例)变化 n旋转机械的振动信号，尤其是当故障发生时 ，往往表现为典型的周期性变化信号 Date44 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-循环平稳信号 BPSKBPSK信号受到白噪声和五个信号受到白噪声和五个 AMAM干扰信号影响时的干扰信号影响时的SCD SCD 谱谱 相关密度幅值相关密度幅值 BPSKBPSK信号的谱相关密度信号的谱相关密度( (SCD)SCD)幅值幅值 白噪声和五个白噪声和五个AMAM干扰信号的干扰信号的SCD SCD 谱相关密度幅值谱相关密度幅值 SCD - Spectral correlation density BPSK signal - Binary Phase-Shift Keyed signal Date45 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-循环平稳信号 n给定调制信号 x(t)= (1+cos(2p30t)+cos(2p70t)*cos(2p1000t) 循环自相关函数 (CACF) Date46 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-循环平稳信号 循环频率30 Hz处的切片循环频率70 Hz处的切片60 Hz处的切片 Date47 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-循环平稳信号 循环频率1970 Hz处的切片循环频率1930 Hz处的切片 Date48 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-盲源分离 n所谓盲源分离技术(Blind Source Separation) ，是研究在未知系统的传递函数、源信号的 混合系数及其概率分布的情况下，仅利用源 信号之间相互独立这一微弱已知条件，从一 组传感器测量所得的混合信号中分离出独立 源信号的一种技术 Date49 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-盲源分离 两个源信号的波形 两个源信号的频谱 四个测量信号的波形 四个测量信号的频谱 盲源分离结果 Date50 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 nKDD从存放在数据库、数 据仓库或其他信息库中的 大量数据中发现有用知识 的过程。 Jiawei Han 由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，“ “数据挖数据挖 掘掘 ( (DM)DM)” ” 比比 “ “数据库中的知识发数据库中的知识发 现现 ( (KDD)KDD)” ” 这个词更流行，因此这个词更流行，因此 ，现在多采用，现在多采用 “ “数据挖掘数据挖掘( (DM)DM)” ” 这个术语。这个术语。 Date51 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 n数据挖掘用于知识库建立 状态识别状态识别 诊断决策诊断决策 特征提取特征提取 如何更好解如何更好解 决同样的问决同样的问 题题 如何更如何更 新知识新知识 库库 如何利如何利 用历史用历史 数据数据 Data MiningData Mining 海量数据海量数据 知识库知识库 Date52 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 nFayyad等人提出的过程模型 （1996年） Date53 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 n数据挖掘的应用过程 测试数据 故障数据 Data MiningData Mining 评估评估更新更新 XXXX故障故障 机机 器器 现场数据 分类规则分类规则 现场评判现场评判 Date54 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 vv美国美国MarquetteMarquette大学的大学的R.J.R.J. PovinelliPovinelli等人提出的等人提出的TSDMTSDM（Time Series Time Series Data MiningData Mining）模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。 入相空间入相空间 将时间序列嵌将时间序列嵌 选择临时选择临时 模式长度模式长度Q Q 定义事件特征定义事件特征 函数函数g(t)g(t)、目目 标函数标函数f (P)f (P)和和 优化公式优化公式 索临时模式簇索临时模式簇 在相空间中搜在相空间中搜定义 定义TSDMTSDM目标目标 测试时间序列测试时间序列 被观测的被观测的 时间序列时间序列 将时间序列嵌将时间序列嵌 入相空间入相空间 预测事件发生预测事件发生 评价训练结果评价训练结果 Date55 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 正常正常 电机电机 扭矩扭矩 信号信号 3 3个栅条个栅条 断裂后断裂后 的扭矩的扭矩 信号信号 3 3个端面个端面 连接条连接条 断裂后断裂后 的扭矩的扭矩 信号信号 扭矩扭矩 相空相空 间图间图 TSDMTSDM 挖掘算法挖掘算法 时间序列时间序列 Date56 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 n德国DataEngine 4.0系统 数据分析数据分析 数据挖掘数据挖掘 数数 据据 预处理预处理 获获 得得 诊断模型诊断模型 可视化可视化 模糊逻辑模糊逻辑 神经网络神经网络 Date57 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 现代信号处理结果示例-数据挖掘 vv 英国英国AstonAston大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个MODIAROTMODIAROT（ Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power PlantsModel Based Diagnosis of Rotor Systems in Power Plants）系统，整系统，整 个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线 测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。 采用先进计算 方法比较 信信 号号 处处 理理 合成振动合成振动 信信 号号 系统模型系统模型 实际振动实际振动 信信 号号 故障模型故障模型 结结 合合 实际故障实际故障 机机 器器 辨辨 识识 Date58 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 可视化声源定位技术 n通过重建设备辐射的噪声场以直观的动 态图像来进行噪声源的识别和定位，为 噪声控制、预测及故障诊断等提供依据 Date59 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 常用的声场可视化方法 n近场声全息（NAH）传统方法 n基于边界元建模（BEM）的NAH nHELS方法（Helmholtz方程最小平方误差） n波叠加方法（Wave Superposition） n波束形成（Beamforming） Date60 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 可视化声源定位实例 汽车发动机 电机 Date61 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 6300 Hz R 5 cm 3150 Hz R 10 cm 4000 Hz R 8 cm 5000 Hz R 6 cm 汽车发动机声场图 Beamforming(66) 近场声全息需要约 3300 个测点，才能识别这样的高频 Date62 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 监测与诊断系统 n引 言 n学科范畴 n学科发展意义 n监测与诊断技术基 础 n监测与诊断系统 n监测与诊断技术发展趋势 n结束语 *63 上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重 点实验室 监测与诊断系统 n在完成状态监测与故障诊断的过程中，通常 需要依靠一定的监测与诊断工具和手段，即 需要有相应的计算机化的自动监测与诊断装 置、仪器或系统 Date64 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 监测与诊断系统前的考虑 n建立监测与诊断系统之前应考虑如下问题： n经济性 - 应能够尽可能地节省投资； n可靠性 - 自身应具有更高的可靠性； n实用性 - 实用的功能，操作简便； n有效性 - 分析、诊断结果有效； n扩展性 - 较好的可扩展性和自开发性能。 n一般情况下，根据经验企业用于设备状态监 测与故障诊断的投资应占其固定资产的1 5。并且，随着设备复杂程度和技术先进性 的增加，此项投资的额度还应有相应的增加 Date65 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 监测与诊断系统的分类与选用 n离线系统(巡检系统) n在线系统(集中式、分布式) n远程系统(C/S结构、B/S结构) Date66 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 离线系统 n也称为机械故障巡检系统，通常由传感器、 便携式数据采集器和计算机软件组成 n采用定期巡回检测和离线分析的方式工作 n适合于对工厂中量大面广的中、小型机械设 备，尤其是那些尚无固定监测点的机器进行 定期的状态监测与故障诊断 Date67 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 在线系统 n在线监测与诊断系统具有数据采集连续、快 速、数据处理实时性好、分析诊断功能全面 、丰富等特点 n适用于具有固定监测点的大型连续运转的关 键机械设备 n这类系统又可分为集中式单机系统、集散式 系统以及分布式系统 Date68 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 集中式结构 n是以单一(微型)计算机为主体的监测与诊断 系统 n由计算机主控完成现场工况监测、数据采集 、信号处理与分析、故障诊断等全部工作 n优点：便于管理控制，具有较高的稳定性和 可靠性;系统具备信号处理、特征提取、状态 分类、趋势分析以及分析报告生成、数据库 管理等多方面的功能 Date69 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 集散式结构 n利用多台计算机来联合实施监测与诊断，但 这里的每台计算机彼此相互独立，基本上没 有联系，其实质是集中式结构的简单迭加 n通过RS232或RS422串行通讯方式把一台主 控计算机与若干台从属计算机联接起来协同 工作的主从式结构。其中，从属计算机(或称 辅助计算机)分别独立地完成现场数据采集与 状态监测并共享主机，而主机则负责完成分 析与诊断功能并始终肩负对从属机进行管理 和控制的任务 Date70 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 分布式结构-远程系统的雏形 n针对地域分布较广的多台机器设备，通过计 算机网络把分布于各局部现场、独立完成特 定功能的本地计算机互联接起来，并在一台 主控计算机的控制下，构成分级管理模式， 最终达到资源共享、协同工作、分散监测与 集中管理、诊断的目的 Date71 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 分布式结构-远程系统的雏形 n分布式结构具有资源分散、结构模块性、工作并行 性、协作自治性、系统透明性等优点。此外： n分散数据采集，集中状态监测、诊断和管理 n可靠性高各现场工作站均能够独立完成分布式处理，各节点具有相对独立 性，当某一节点发生问题时，并不影响其它节点的正常工作 n可护展性和灵活性好由于采用了网络化结构，系统能在适应新技术 的发展过程中，方便地将落后设备从网上卸下、将更新设备挂到网上 n功能强系统支持多用户、多任务，可承担较多的工作负荷 n成本低网络接口集成度高，网络基础设施可与生产管理控制系统、MIS系统 等共享，系统的整体性能价格比高 Date72 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断的基本概念 n基于Internet/Intranet的远程故障诊断是设 备诊断技术与通信技术、网络技术、计算机 技术以及控制技术相结合的产物 n远程诊断跨越了企业与研究机构、企业与企 业在时间和空间上的距离 n学术界可以利用网上诊断服务器开设技术知识讲 座，对企业技术人员进行辅导和技术培训，同时 发表有关的最新研究成果 n企业界则可以利用监测服务器为研究机构提供宝 贵的现场数据，向研究机构或其它企业提出咨询 Date73 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断的基本概念 n远程诊断系统能够方便地实现企业内部、行 业内部、甚至更大范围的诊断数据和知识的 共享，能够有效地组织异地专家会诊等 n远程诊断系统还是一个集咨询、培训、讨论 、数据交换等于一体的全方位的信息交流系 统 n这样既解决了生产企业技术力量不足和技术水平 提高的问题 n又有利于研究机构更准确、更有效的获得设备运 行的第一手资料，充实理论和技术研究 Date74 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断系统的结构 n一个完整的远程故障诊断系统通常应当包括 三个主要子系统 n远程诊断中心：在高性能WEB服务器和数据库服 务器的支撑下担负整个系统的控制协调任务 n企业监测分析中心(初级诊断中心)：主要负责企 业内部的监测、分析和诊断，以及设备管理工作 ，同时负责对下属监测工作站的控制及管理 n现场监测工作站：由网络化的高性能再线数据采 集器或便携式数据采集器所构成，主要负责数据 采集、预处理以及报警监控等工作 Date75 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断系统的模型 Date76 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断系统的基本要求 n无成本客户端：客户端软件应当是一般用户 桌面系统都具有的浏览器 n廉价的系统维护：系统功能可以由用户添加 组件进行扩展；系统性能可以通过远程升级 组件获得提高 n低廉的网络投资：用户可以充分利用企业内 部已建立的Intranet，进行整个系统的构建 n低廉的监测和诊断费用：各种(关键)设备可 以共享同一套系统 Date77 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断系统的基本要求 n知识共享：对于地域分布的大型企业集团， 允许在一个地区获取诊断知识，然后通过中 心知识库，让整个企业共享相同或相近知识 n专家共享：能够通过网络汇集同行专家完成 数据分析和故障原因会诊及评价 n协作诊断：不同地区的诊断系统和专家可以 在远程诊断中心的协调下组成一个大的诊断 网络，通过对不同来源的诊断结果进行融合 的形式，最终给出协作诊断的结论 Date78 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程故障诊断系统的体系结构 n三层B/S结构体系 n表示层(应用层) n逻辑层 n数据层 n工作模式 Date79 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程在线监测与诊断系统示例 nVSN-NetMDS 现场监测站现场监测站 DB DB ServerServer Web ServerWeb Server 分析工作站分析工作站 企业监测中心企业监测中心 现场监测站现场监测站 DB DB ServerServer Web ServerWeb Server 企业监测中心企业监测中心 DB DB ServerServer Web ServerWeb Server 远程诊断中心远程诊断中心 InternetInternet 诊断计算工作站诊断计算工作站 计算工作站计算工作站 分析工作站分析工作站 计算工作站计算工作站 领域专家领域专家 领域专家领域专家 ADSLADSL ModemModem ISDNISDN ISDNISDNCERNETCERNET VXIVXI系统系统主控机主控机 VXIVXI系统系统主控机主控机 防火墙防火墙 防火墙防火墙 防火墙防火墙 远程诊断中心企业监测中心 现场监测站 “ “十五十五” ”国家科技攻关计划重点项目支持国家科技攻关计划重点项目支持 Date80 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：VSN-NetMDS系统结构框图 Date81 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：VSNsNetEMC企业监测中心 状态监测系统状态监测系统 历史数据分析历史数据分析 故障诊断专家系统故障诊断专家系统 设备管理系统设备管理系统 用户管理系统用户管理系统启停车过程监测启停车过程监测用户帮助系统用户帮助系统 Date82 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：VSNsNetDAU监测工作站 n n 硬件：基于硬件：基于VXIVXI总线总线、并受、并受DSPDSP处理器处理器支撑的多通道并行数支撑的多通道并行数 据采集与预处理装置；可实现振动信号据采集与预处理装置；可实现振动信号8 8ChCh至至6464ChCh的灵活组的灵活组 织，慢变织，慢变（温度、压力、流量）（温度、压力、流量）信号信号1 1ChCh至至2424ChCh自由组态自由组态 n n 快变快变（振动）（振动）信号信号完全同步采样完全同步采样。在在内时钟控制采样模式内时钟控制采样模式时，时， 系统采样频率可设定为：系统采样频率可设定为：128 kHz、51.2 kHz、25.6 kHz、 12.8 kHz、 (按1:2:5分频分频) )；在；在倍频器控制采样模式倍频器控制采样模式下，下， 系统采样频率等于倍频器所提供的采样脉冲的频率系统采样频率等于倍频器所提供的采样脉冲的频率 “ “十五十五” ”国家科技攻关计划重点项目支持国家科技攻关计划重点项目支持 Date83 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：VSNsNetDAU监测工作站 n n 软件：基于软件：基于NINI公司的公司的LabWindowsLabWindows/CVI/CVI、VISAVISA开发环境、开发环境、 MicrosoftMicrosoft公司的公司的Visual C+Visual C+和和 DSPDSP过程支持开发环境完成的过程支持开发环境完成的 具有管理控制、参数设置、预处理、特征提取、报警处理、具有管理控制、参数设置、预处理、特征提取、报警处理、 追忆数据存储和监测数据传输等功能的多个子系统追忆数据存储和监测数据传输等功能的多个子系统 Date84 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：VSNsNetDB网络数据库 nSQL Server nOracle 诊断知识库诊断知识库确诊故障库确诊故障库 临时库临时库 历史库历史库 测点管理库测点管理库用户管理库用户管理库报警数据库报警数据库 机器简图库机器简图库 启停车库启停车库 VSNsNetDBVSNsNetDB网络数据库网络数据库 Date85 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：监测与分析界面汇集 Date86 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 远程巡检(离线)系统示例 Date87 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：PMS巡检系统功能框图 Date88 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：图片导航式设备信息浏览 Date89 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室 示例：巡检计划组态 Date90 上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、