（动力机械及工程专业论文）大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发.pdf

大型轨组远程监谢与故障诊断系统的研究与开发 摘要 故障监测与诊断系统的开发是- - 1 3 跨学科、跨研究领域的综合技术。包括了传感器 技术、数据采集技术、信号分析与数据处理技术以及数据摩、网络信息传输等计算机相 关学科技术。一个完善的故障诊断系统可以有效的将故障机理、监测分析、趋势预测等 理论应用于现场机组的生产之中。从而避免故障灾害的发生，提高生产的安全性以及生 产效率，对国民生产具有现实的指导意义。 本论文从实践出发，首先提出了一套i n t r a n e t 下旋转机械监测与故障诊断系统的开发 方案。整套系统实现了数据采集、现场监测、信号分析、故障诊断以及网络通讯等多项 功能。系统在v i s u a lc + + 环境下，将s o c k e t 网络编程，多线程、数据库、m a t l a b 数 学函数库接口以及d a q 高速实时采样技术融于一体，实现了系统商速的开发模式以及 稳定、高效的工作性能。其中，采用n i d a q 开发的数据采集系统，采样率达到了1 5 m h z ， 充分发挥了采样卡的性能：利用m a t l a b 数学库的扩展功能，可靠、快捷的实现了十 几种信号分析技术，为故障诊断提供了有利的依据；将多线程与s o c k e t 网络编程相结合， 实现了服务器、客户端之间监测数据的实时传输，历史及趋势数据的下载、分析，从而 将整个企业的监测机组、车间、办公室连成一体，达到了统一管理、远程诊断、监测的 目的；整套系统后台采用数据库统一管理，利用m i c r o s o f tj e t 引擎，提供了众多的智能 化管理手段；同时，系统还提供了完备的报表、帮助系统，增加了系统的交互性，使用 的方便性。目前整套系统己在锦州石化旋转机组中投入监测运行，具有工程实际应用价 值。 论文第二部分以下一代网络体系核心技术w e bs e r v i c e 为基础，通过与现有远程诊断 系统的分析、比较，提出了一组构建远程故障诊断中心的思想。将远程组件服务、诊断 服务、w e bs e r v i c e 组件服务以及样本库构建等远程监测、诊断要求集成为远程诊断中 心的主体构架。并利用n e t 平台下c 群语言、a s p n e t 、a d o n e t 以及o w c 、c r y s t a l r e p o r t s 组件工具具体描述了该远程故障诊断中心实现方案。论文对整个远程诊断服务 中心进行了整体框架结构的设计，并对其中关键技术的实现细节，举例进行了详细的说 明。 论文最后对整部方案的开发、运行性能进行了总结。提出了利用w e b 服务，构建 诊断系统接1 3 服务，从而在网络环境下将当前流行的客户机、服务器模式的诊断系统与 新兴的b s 诊断系统统一起来，实现整个广域范围内的故障诊断资源的共享，联合工作， 提高故障诊断的整体效益与可靠性。 关键词：远程诊断；c s ；b s ；数据采集：信号分析；数据库；w e bs e r v i e e ：n e t _ | j _ _ 大型机组远程监涮与故障诊断系统的研究与开发 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fo n l i n em o n i t o t i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sa ni n t e g r a t e d t e c h n o l o g yi n v o l v e di n d i f f e r e n ts u b j e c ta n dd o m a i n ：s o m et e c h n o l o g i e sc o o p e r a t e dw i t l l d i a g n o s i sa r ei n c l u d e d ，s u c ha ss e n s o r , d a t ac o l l e c t i o n , s i g n a la n a l y s i s , d a t ap r o c e s s i n g ， d a t a b a s e ，a n dn e tt t a n s m i s s i o n ap e r f e c tf a u l td i a g n o s i ss y s t e ms h o u l db ej o i n e dw i t ht h e t e c h n o l o g y o ff a u l tt h e o r y , m o n i t o r i n ga n dt r e n d a n t i c i p a t i o na n d s oo n w i t ht h e s ee f f o r t s ，w e c a nr e d u c e 也e a c c i d e n t s ，i m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c ya n dc o n t r i b u t em o r et ot h en a t i o n a no r d i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ni n t r a n e tw a s i n t r o d u c e di nt h e p a p e r t h i ss y s t e m r e a l i z e dr e a l t i m ed a t a a c q u i s i t i o n ，o l 硫m o n i t o r i n g ，t h es i g n a l p r o c e s s i n ga n d f a u l td i a g n o s i sw i t ht 1 1 ea i do f c o m p u t e r s v c + + ，t h es o c k e tn e t p r o g r a m m i n g m u h i t h r e a d i n g ，d a t a b a s e , m a t l a ba p ii n t e r f a c ea n dd a qj n - t i m ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m w e r ec o m b i n e da saw h o l e a m o n gt h ea b o v e ，t h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e md e v e l o p e dw i t h n i d a qc a nw o r k a taf r e q u e n c yo f1 5 m h z , a n dt h ed a t ac o l l e c t i o nc a r di si nf u l lu s e b v u s i n gt h ee x p e n d e df u n c t i o no fm a t l a ba p i ，m o r et h a n1 0k i n do fs i g n a l a n a l y s i s t e c h n o l o g y h a v eb e e nr e a l i z e d t h es e r v e ra n dc l i e n tc a l lu x n s m i t d a t ai n - t i m eb yt h ep r o g r a m o f m u l t i t h r e a d i n ga n d s o c k e tn e tp r o g r a m m i n g ，s ot h ew h o l e e n t e r p r i s ec a l lg e td a t aa n y w h e r e ， a n y t i m 。，a n de a s yt ob em a n a g e d a tt h es a 1 l et i m e t h er e p o r ta n df a qa r e p r o v i d e di no r d e r t om a k et h es y s t e mm o r ec o n v e n i e n tt ou s e a tn a s e n t t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e d t oar e f i n e r y c o m p a r e dw i t hc u r r e l l tr e m o t ef a u l t yd i a g n o s i ss y s t e m , t h ek e r n e lt e c h n o l o g yo f n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r kf r a m e ，w e bs e r v i c e ，i sp r o p o s e dt oc o n s t r u c tt h er e m o t ef a u l t yd i a g n o s i s c e r a e r t h ed e s i g no f t h e 代m o 钯f a u l t yd i a g n o s i sc e n t e ri sr e a l i z e db yc 拌l a n g u a g e ，a s e n e a d o n e tt e c h n o l o g ya n do w e ，c r y s t a lr e p o r t s t o o l su n d e r n e tp l a t f o r m t h ef r a m eo f r e m o mf a u k yd i a g n o s i sc e n t e ri ss h o w n i nt h i sp a p e ra n ds o m ec r i t i c a lt e c h n o l o g yd e t a i l sa r e s h o w ni nt h ef o r mo f e x a m p l e a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ed e v e l o p m e n ta n dr u n n i n g 。p e r f o m u m c eo f t h ew b l e d e s i g n 、v e r es u m m a r i z e d , t h ei d e ao fb u i l d i n gad i a g n o s i ss y s t e mw i t h 也eu s eo f w e bi ss h o w ni n t h ep a p e r s ow ec a nu n i t et h ep o p u l a rc sd i a g n o s i ss y s t e mw i t ht h en e wc o m i n gb s d i a g n o s i ss y s t e m ，r e a l i z e t h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mi nl a r g ea r e aa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n dr e l i a b i l i t yo f t h e d i a g n o s i s k e y w o r d s ：r e m o t ed i a g n o s e ；c s ；b s ；d a t ac o l l e c t i o n ；s i g n a la n a l y s i s ；d a t a b a s e ； w e b s e r v i c e ；n e t - - ： 查型墼璺垩墼些型兰堂堂堕墨箜塑堡壅皇茎垄一 o 前言 现代化工业生产向着大型化、复杂化、自动化和高速化等方面发展。由此而起，保 证设备、系统正常、安全、可靠、高效的运行也就成为了业内关注、努力的目标之一。 对企业来说，效益是第一位的。有数据表明，鞍钢每年维修费用达到2 3 1 7 亿元， 占了设备总投资的9 5 8 一1 1 2 5 。如果节省一次中修，将多出产值1 1 5 2 万元，如果 能节省一次大修，那么将多出产值1 9 2 0 万元。而采用故障诊断将给企业带来巨大的利 润。在日本，采用故障诊断技术后，事故率减少了7 5 ，维修费用降低了2 5 - - 5 0 ； 在英国，2 0 0 0 多个大型企业开展了故障诊断工作之后，每年节省维修费用3 亿英镑，而 用于故障诊断的费用仅为0 5 亿英镑；在我国，冶金行业每年用于设备维修的费用达2 5 0 亿元，若推广故障诊断技术，则每年可以减少事故5 0 - - 7 0 ，节约维修费用1 0 一 3 0 ”。 对故障诊断的重视与实施，不仅意味着企业效益的大幅提高，同时也对减少灾难事 故的发生、保证人身安全具有重要的意义。不过，对它的认识，长期以来人们却付出了 沉重的代价。前苏联切尔诺贝利核电站爆炸，美国“挑战者”号航天飞机失事，印度博 帕尔的美国碳化物公司农药厂毒气泄漏，每一次事故带给我们的都是触目惊心的损失与 灾难。在国内，本课题项目的需求方辽宁锦州石化企业，在三年内就发生事故数起，造 成7 人死亡，数十人受伤。最近一次事故，2 0 0 3 年9 月，加热炉爆炸造成三人当场死亡， 企业抢修半月该机组才恢复正常运行。正是这些血的教训，引起了企业的重视，使企业 对故障诊断提出了迫切的需求。 也正是由于人们意识到故障诊断和检测技术的重要性，促进了故障诊断技术以及诊 断系统不断的发展、成熟。自六十年代以来，半导体的发展，集成电路的出现，电子技 术、计算机技术的更新换代，特别是1 9 6 5 年f f t 方法获得了突破性的进展后出现了数 字信号处理和分析技术的新分支，为机械设备诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术 基础。 美国最早开展机械故障诊断技术的研究。英国、瑞典、挪威、丹麦、日本等国家紧 随其后。在1 9 6 7 年，美国成立了规被故障诊断预防小组( m p e g ) ，开始有组织有计划 的对机械诊断技术进行专题研究，并成功的运用于航天、航空、军事行业的机械设备中； 日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展较快，并具有较高的水平； 丹麦在机械振动监测诊断和声发射监铡仪器方面具有较高的水平。 我国在机械故障诊断技术方面的研究和应用相对来说开展的比较晚，二十世纪八十 年代才开始着手组建故障诊断的研究机构。其发展经历了从简单诊断到精密诊断、从单 机诊断到网络诊断的过程，其发展速度愈来愈快。与国外发达国家相比，我国虽然在理 论上跟踪较紧，但总体而言。在机械设备诊断的可靠性等方面仍有一定的差距。 本课题从理论出发，以实践为依据，对远程故障诊断系统实现的技术细节进行了阐 述。论文内容总体分为两个部分。 首先提出了一套l a t r a n e t 下旋转机械监测与故障诊断系统的开发方案。整套系统在 v i s u a lc + + 环境下开发，集成了d a q 采集、网络、数据库、多线程技术，实现了高速实 时数据采集、现场监测、信号分析、故障诊断以及网络通讯等多项功能。论文分男口在第 2 章至第5 章对系统实现的主体模块避行了介绍，包括数据采集、信号处理、网络通讯、 大型机组远程监测与故障诊断泵统的研究与开发 数据库管理；在第6 章对c s 模式下故障诊断系统的整体结构进行了总体性介绍，对安 全、报表等功能模块进行了简要的描述。论文详细的提出了用n i - d a q 方法实现高速数 据采集，用m a t l a b 数学函数库扩展实现信号处理，用s o c k e t 开发网络通讯，用d a o 构 建数据库管理模型等等技术，从而证明将这套方案用于故障诊断系统开发，使开发效率 更加高效，工作性能更加稳定。目前此套系统已在锦卅i 石化旋转机组中投入监测运行， 具有工程实际应用价值。 论文的第二部分以下一代网络体系核心技术w e bs e r v i c e 为基础，通过与现有远程 诊断系统的分析、比较，提出了一组构建远程敞障诊断中心的思想，并在第7 章中利 用。n e t 平台下c 拱语言、a s p n e t 、a d o n e t 以及o w c 、c r y s t a lr e p o r t s 组件工具具 体描述了该远程故障诊断中心实现方案。 论文虽后对两套远程诊断方案进行了总结，并提出了以x m l 为数据标准利用w e b 服务将远程故障诊断系统整合的展望。 查型垫璺垩堡坚塑量垫堕堡堑墨! 塑堕茎曼! 垡 1 远程诊断概述 故障监测与故障诊断是项综合性极强的高新技术，涉及到数学、力学、机械、电 子、测试、计算机、信号处理和人工智能等学科领域知识。它所研究的内容包括了信号 的采集、特征获取、故障机理、系统模型等等方面。 随着网络技术的迅猛发展，t c p ，i p 模型以其简便、灵活性已经获得了巨大的应用成 功。e m a i l 、f t p 、h t t p 等技术已经渗入到国民生产、生活的方方面面。正是这管新鲜的 血液为故障诊断系统注入了生命力，带来了新的思想与新的发展。 1 1 故障诊断系统的体系结构发展 目前，国内外一些厂家、科研机构相继对网络诊断进行了研究，并推出了相应的网 络化的机器设备状态监测和故障诊断系统与模型，使机器设备的监测诊断技术的发展出 现了个新局面。国外较著名的有美国r o c k w e l l 公司的网络化机器状态在线监测系统 e o l 、丹麦某公司的计算机预测分析和安全保护系统3 5 4 0 型c o m p a s s ，美国本特利公 司用于旋转机械的计算机监测系统d d m 2 t d m 2 。国内有西安交通大学智能仪器与监测 诊断研究所的大型回转机械状态监测与故障诊断系统( r o t v i e w 6 0 ) ，华中理工大学机 械学院信息所开发的开放性实验室等等【2 】。这些系统的应用使事故率大大降低，减少了 工业生产中的损失。网络的加入使这个诊断系统从单一的模式，发展成为全开放、可扩 展、综合诊断系统。 到目前为止整个故障诊断发展经历了四个发展阶段； ( 1 ) 离线监测。离线监铡是指采用专用的数据采集装置对当时机组的信息进行收 集，然后将此特定时间段韵数据进行处理。这种系统从某种意义上讲不能算是监测系统， 因为它远远做不到对机组信息的实时监测，它所取得的只能是在特定时间段、特定通道 应置的机组信息。同时，由于这种监测方式出现在早期的故障诊断中，所以它的知识库 还很不完善，并且大部分的系统结构都固化在硬件中，限制了进一步的发展。 ( 2 ) 单诊断系统。早期一套故障诊断系统主要是针对特定的机器工作。由一台 专门的机器实现数据的采集、分析、故障的诊断和结果的输出。单一性使这种系统的针 对性很强，可以根据机组特定的信息定体量制。但是这种系统的单一性也同时限制了它 的功能，主要表现有： a 、系统的移植性。特定的系统为特定的机组服务，涉及到的参数、性质等等具有 固定性，大大的降低了软硬件的通用性。国内现有一些设备监测诊断系统未能很好地考 虑系统兼容性问题，使之成为工厂中个孤立系统，造成系统功能低水平的重复和投资 的浪费，影响了设备故障诊断技术迸步韵深化应用。 b 、可扩展性差。整个系统由单一模块组成，一经确立就很难改动，再开发往往意 昧着几乎全部的重新投入，增加了系统的开销， c 、操作性差。整个系统按机组位置分布在不同的地方，使维护、监测都需要特定 的人员到现场。很难做到自动的智能监测。 d 、机组之间通讯困难。各个机组往往具有相关性，但是单一诊断、监测使这种操 作变得异常复杂。地理上分布的各台机组很难得到一个整体盼概念，不利于实时的诊断。 ( 3 ) 分布式诊断系统。分悫式监测诊断系统d m d s ( d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n c , n n d 查型塑垄垩矍苎翌兰垫堕堡堕墨簦塑里墨皇茎茎一 d i a g n o s i ss y s t e m ) 是针对大型设备主机和多辅机的功能分布和地域分布的特点t 通过工 业局域网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起来，以达到资源 共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理、诊断目的的工业计算机网络系统，是以 微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊断技术、网络通讯技术、c r t 显示技术竞 媚发展并紧密结合的产物。d m d s 的特点包括： a 、可靠性高。网络上的各现场工作站均能独立完成分布式处理，具有故障自诊断功 能。某一节点发生故障时，并不影响其它节点的正常工作。 b 、扩展灵活。网络能适应新技术的发展而扩充或升级，只需更新相应设备或将相 应设备“挂”在网上即可，简单方便。 c 、网络互联能力强。通过中继器、网桥、网关可实现网络各段间、同类及异型网络 间的互联，形成较大的开放性计算机网络系统。就其现实意义而言，分布式网络化设备 状态监删与故障诊断系统可与生产过程控制系统、生产管理信息系统连网，使生产控制、 设备状态监测与故障诊断、生产管理形成闭环一体化，实现整个生产过程的全局最优状 态安全运行。 d 、系统构成成本低。微机价格呈下降趋势，网络接口集成度逐渐提高，信号传输 电缆数量减少，建网费用相应较低。同时，网络上各工作站均可实现软、硬件资源共享， 也提高了整个系统的性能价格比。 e 、系统功能强。网络系统具有高度互联的特性，支持多用户、多任务并发执行，可 承担较多的工作负荷。测点数量可以很多，覆盖范围大，可通过网络进行远程诊断，便 于通过共享各类信息实现分散监测、集中管理和综合控制。 分布式监测诊断系统设计是一项复杂的系统工程。系统一旦建立，就成为工厂生产 过程控制与设备管理大系统的一部分，这和离线监测诊断、单一监测诊断有较大的区别。 在对系统的设计过程中，需要注意系统的可靠性与可维护性、兼容性、开放性与可扩展 性以及分散监测和集中操作、管理、诊断等等特点。 ( 4 ) 基于i n t e m e t 的远程诊断系统。i n t e m e t 技术，特别是t c p 技术的迅猛发展， 使基于i n t e m e t 的远程应用系统的实现成为可能。这样就将故障诊断专家系统从单一的 局域网系统，走向i n t e m e t 互连，可从许多方面改善诊断专家系统的性能，扩展增强系 统的功能。开放的架构，整个网络中资源的共享，以及单个系统中花费的降低，都将使 它成为一种流行的先进技术 3 1 f ”。 1 2 发展远程诊断的意义 远程诊断始自医学领域。5 0 年代末，美国学者w i r s o n 首先将双向电视系统用于医 疗，这被认为是最初的远程诊断。工业领域的远程诊断工作起步较晚。但伴随着故障诊 断的深入研究，将故障诊断技术与计算机网络技术紧密的结合起来成为企业与社会迫切 的需要。采用远程的故障诊断与监测，可以为我们带来以下的收效【5 】： ( 1 ) 诊断智能化的提高。相比于传统的独立的系统，由于“临床”机会的增多，基 于渗断网络的诊断系统可以得到更多有益的故障案例以及及时的得到需要的信息。正是 随着诊断网的成长，它固有的优秀性能，以及更多的“临床”机会的出现，使智能诊断 也不断的得到发展，使诊断经验迅速积累，在众多的实践中得到完善；而独立的诊断系 统，由于缺少故障案例以及整个系统的封闭性，实际上很难再发展。 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 ( 2 ) 可实现多诊断系统远程协作诊断。不同位置的专家以及诊断系统组成一个大 的硷断网，实现资源的共享。对于一个特定的诊断对象，将会有一个“优秀的”诊断系 统为它服务。也就是说这个系统不仅仅是一个“诊断医生”，而是一所“医院”的服务， 从根本上提高系统的整体诊断能力。 ( 3 ) 整个生命周期的系统管理。实现了从设计、生产、到安装应用整个生命周期 的管理，以及诊断过程中信息的及时反馈。它的应用大大的提高了企业与研究机构直接 的合作，从需求阶段就使两方充分合作，提高了工作的效率；这种模型对设备或系统的 生产方，也改变了现场维护、技术支持的开销，提高了工作的效率：同时，利用远程网 络提供的信息媒体对企业人员进行培训，节约了人员以前千里迢迢培训的不必要开支。 ( 4 ) 提高了信息的共享性、及时性，是企业、专家获得了第一手的信息资料，为机 组运行的可靠以及故障诊断的研究创造了理想的环境，形成了丰富的诊断数据库和诊断 知识库。 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 2 数据采集与状态监测 2 1 数据采集的硬件系统 整个数据采集的过程是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量 后，再由计算机进行存储、处理、显示和打印的过程。通过这个模块故障监测、诊断 系统可以将采得的数据进行信号分析、趋势分析、故障诊断，并作为信息载体在整个网 络中进行发布。 2 1 1 采集系统原理分析 目前，数据采集系统硬件机构主要采用微型计算机数据采集系统以及集散型数据采 集系统两种形式。而微型计算机数据采集系统以其结构简单，环境适应性强，高性价比， 易扩展性等等特点在诊断系统中得到了广泛的应用。其组成结构由传感器、模拟多路开 关、程控放大器、采样保持器、a d 转换器、计算机及外设等凡部分，具体结构如图 2 i 所示。 多路歼关 图2 - 1 数据采集系统图 f i g 2 - lt h es y s t e ms t r u c t u r e o f d a t ac o l l e c t i o n ( 1 ) 传感器 各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先需要将这些 非电量转化成电信号，然后才能进行进一步处理。把各种物理量转换成电信号的器件称 为传感器。传感器的类型很多，如测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻等；测量机械 力的有压敏传感嚣、应变片等；测量机械位移的有电感位移传感器、光栅位移传感器等。 ( 2 ) 模拟多路开关( m u x ) 数据采集系统往往同时对多路模拟信号进行采集。在不要求高速采样的场合，一般 采用公共的a d 转换器，分时对各路模拟量进行模数转换，目的是简化电路，降低成 本。一般模拟多路开关有2 “个模拟输a ，端，n 个通道选择端，由n 个选通信号控制其 中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端连通，让该路模拟信号通过。 查型墼望垩堡些型皇垫堕堡堂墨塑塑塑皇茎茎一 有规律的周期性改变n 个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关- 构成个 周期性分组的分时复用输出信号，由后面的a d 转换器分时复用对各通道模拟信号进行 周期性转换。 ( 3 ) 程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大器 的作用是将微弱的输入信号迸行放大，以便充分利用a d 转换器的满量程分辨率a 例如， 传感器的输出信号一般是毫伏数量级，而a i ) 转换器的满量程输入电压多数是2 5 v ， 5 v 或t 0 v ，且a d 转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定约。为了能充分利用a d 转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要把模拟输入信号放大到与a d 转换器 满量程电压相应的电平值。 一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有较大 差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实 时控制改变。程控放大器能够实现这个要求，就在于它的放大倍数随时可以由一组数码 控制，这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也有相应的一组数码控制改变 放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。它的使用大大拓宽了数据采集系 统的使用面。 ( 4 ) 采样保持器( s h ) a d 转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望a d 转换器输入端的 模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用s h 来实现，s h 的加入， 大大提高了数据采集系统的采样频率。 ( 5 ) a d 转换器 因为计算机只能处理数字信号，所以需把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换 功能的器件是a d 转换器。a d 转换器是采样通道的核心，因此，a d 转换器是影响数 据采集系统速率和精度的主要因素之。 ( 6 ) 接口电路 该电路用来将传感器输出的数字信号进行整形和电平调整，然后再传送到计算机的 总线。 ( 7 ) 微机及外部设备 他们负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理， 然后根据需要来显示和打印。 ( 8 ) 定时与逻辑控制电路 数据采集系统各器件的定时关系是比较严格的，如果定时不合适，就会严重影响系 统的精度。例如，模拟多路开关的两个开关切换时间是8 0 0 n s ：在模拟多路开关切换期 间，程控放大器同时切换放大倍数，大约是8 0 0 n s ；从程控放大器的个新放大倍数到 产生稳定的输出大约是4 0 0 n s ：那么，从程控放大器倍数开始切换至0 采样保持器开始跟 踪至少需要1 , 2 u r n a 若采样保持器跟踪时间是6 u m ，a d 转换至少再延迟6 u m 后才能 开始。定时电路就是按照各个器件的工作次序产生各种对序信号，而逻辑控制电路是依 据时序信号产生各种逻辑控制信号 6 】【7 1 。 查型垫丝垩堡些型兰垫堕堡堑墨丝堕塑窒皇堑苎- 一 2 ，1 2 轴位移与轴振动物理量测量原理 本套系统采集的机械信号包括振动及位移参数。前端采用美国b e n t l y n a v a d a 公司电 涡流传感器。 电涡流探头的工作原理是探头前端产生高频电流，并在轴颈或推力盘上产生涡流， 该涡流的感应电压反作用于探头，使探头输出电压比原加于其上的电压低。该输出电压 值与探头间隙成一定的线性关系，工作原理及探头特性如图2 - 2 、图2 - 3 所示。 图2 - 2 电涡流传感器工作原理 f i g 2 - 2w o r k i n gt h e o r yo f e l e c t r i cw h i r l p o o l 乏 9 蓦e 3 l235 距离r a m 图2 - 3 探头特性曲线 f i g 2 - 3c u r v eo fp r o b ec h a r a c t e r 安装时须使探头间隙与输出电压落在线性范围内，否则会出现测量误差。一般初始 间隙电压设在一7 5 v ( 灵敏度为4 v m m ) 或6 5 v ( 灵敏度8 v m m ) 。在图2 - 4 中，v o 即 为初始间隙电压。若测量轴位移，则由于启动后推力盘从中间位置移向止推轴承上，间 隙电压变成了v l ，滤去轴向高频振动产生的交流成分v 。，v 1 v o 即为轴位移产生的电压 差；若测量径向振动，v i 是由于转子运转时油膜将轴抬起( 此时v i v o ) ，探头间隙发 生变化后所输出的电压，但由于测量的不是v j ，也不是v 1 一v o ，而是轴径向振动的交流 成分v 。因此须滤掉直流成分v l ，而保留交流成分v 。这是轴位移与轴振动测量中的 不同之处f 8 】川。 2 1 3 采集系统硬件实现 2 1 3 1 硬件布置 时间t 图2 4 交直电压成分 f i g 2 - 4a ca n dd ce l e m e n t 整个系统采样硬件部分的具体配置如下： 传感器系统：利用机组已经配备的监测仪表和传感器系统，如b e n t l y 电涡流传感器、 转速计和温度传感器等。 查型塑丝垩堡些型兰垫! 苎兰堕墨竺堕堡茎量翌垄一 采样系统：本系统采用n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 美国n i 仪器公司，简称n i 公司) 的 p c i 总线e 系列多功能d a q 数据采集板卡，采集卡型号为6 0 7 1 e 。其提供了多达6 4 路 荤端，3 2 路差分模拟输入以及1 2 位模拟输入精度等的优异性能。 现场计算机：采用a d v a n t e c h ( 研华) 工控机的标准机型i p c 6 1 0 ，配置为 p c a 6 1 7 9c p u 全长板卡，2 5 6 m b 内存，i n t e lp e n t i u mi i i1 g h zc p u ，4 0 g b 硬盘。 系统将传感器测得的转子径向振动、轴向位移、转速、键相和轴瓦温度等模拟信号， 通过现场监测仪表的l 一5 v 或4 - 2 0 m a 标准信号接口与现场工业计算机上的多通道高速 a d 采样卡连接，这中间通过了信号抗于扰功率缩放等步骤，将采集到的数据准确安 全的送入现场工控机。采集系统具体硬件布置如图2 5 所示。 2 13 2 采集卡参数 图2 5 数据采集系统硬件布置图 f i g 2 - 5h a r d w a r ea r r a n g e m e n t so f d a t ac o l l e c t i o n 6 4 路单端3 2 路差分模拟输入 1 2 位精度 1 2 5 m s s 采样速度 1 2 5 m s s 磁盘写入速度 士0 0 5 至i j 土1 0 v 输入范围 两路1 2 位模拟输出 8 条数字f o 线 两路2 4 位计数器定时器【1 0 】 2 2 数据采集的软件系统 工业生产过程中现场条件恶劣，机器运转过程中产生的振动、温度信号受到了四 周环境的影响。因而对故障信息的完全提取需要高的采样率的保证。只有这样才能将机 器运转的特征如实的反映到监测系统中。同时，要做到故障的完全跟踪，对某一时刻采 样信息的深入提取还是不够的，这还需要我们在整个时域中对机器运转进行连续监测。 因此实时采集也成为了故障信息有效提取的决定因素之一。 22 1 触发方式与传输方式 现代采集技术中，触发a d 转换有软件触发、定时器同步触发及外部触发三种方式。 而数据的传输方式有软件查询、中断方式、d m a 方式及f i f o 方式。图2 - 6 、图2 7 分 7 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 别是软件查询及中断方式的工作流程图。这里以研华p c l l 8 0 0 采样卡为例，四种数据 传输的速率比较如下：软件查询1 0 2 0 k h z ；中断方式1 0 3 0 k h z ；d m a 方式2 0 0 k h z ； f i f o 方式3 3 0 k h z 。高速连续数据采集的情况下，考虑到整个系统的性价比后，我们利 用6 0 7 1 e 快速离散式d m a 技术将定时器同步触发与f i f o 数据传输方式相结合，使得 处理器从d a q 板卡的事件中解放出来。实践证明，这种方法将大大提高系统的采样频 率和数据的可靠性，同时也改善了w i n d o w s 环境下实时数据采集中整个系统的性能 f l l l _ f 1 2 l 图2 - 6 软件查询工作流程图 f i g 2 - 6f l o wc h a r to f s o f l w a r eq u e r y c p u 向i o 设备 发出读写命令 c p u 执行其它任务 中断发出 霪 洋 y 中断服务程序 n 中断返回 检查i o 状态 n 乏竺耋竺，) 1 兰竺竺竺 y 数据传输i 图2 7 中断方式工作流程图 f i g 2 7f l o wc h a r to f i n t e r r u p t 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 2 2 2 编程接口选择 软件接口方面，目前国外的测试仪器或系统生产厂家，在生产硬件的同时，都推出 其相应的支持软件或软件开发平台。如为产品开发者提供的软件工具；为系统集成者提 供系统应用软件的集成的环境；为终端用户提供编写自己的用户应用程序的手段。以 n i 公司为例，提供了图形编程软件( l a b v i e w ) ，开发实时系统的图形编程软件 ( l a b v i e w r e a l t i m e ) ；c 语言集成开发环境( l a b v i n d o w s c v i ) ；执行测试的环境( t e s t s t a n d ) 等等开发工具与环境“”。这里，为实现一套集采集、分析、网络传输、故障监测、诊断 功能于一体的发行版系统。我们选择了利用n i 公司提供的a p i 函数：n i d a q f u n c t i o n ， 在c + + 语言中实现高速的信号采集。虽然这种方法具有一定的难度，但是它自身的灵活、 高效满足我们的需要。它使得整个系统采样频率最高可达到了1 2 5 m h z 的速度，为后 续的开发分析奠定了基础。 2 2 3 采样程序介绍 在v c 集成环境中，调用n i _ d a q 函数实现高速数据采集。首先在定时器触发采集 事件后，经过一系列的系统初始化及配置操作后，开始采集。整个过程以f i f o 方式将 数据不断送入缓存。采样结束后，调用d a q 函数进行后处理，获得所需数据，整个采 样程序流程图如图2 - 8 所示。主要函数说明如表2 - 1 所示： 表2 - 1n i _ d a q 函数说明 t a b l e2 - 1n i d a qf u n c t i o nl i s t 函数名称函数说明 d a q _ r a t e s c a n s e t u p s c a n s t a r t d a q c h e c k s c a n d e m u x d a q _ v s c a l e d a q - c l e a r n l d a q e r r o r h a n d l e r n t d a e y i e l d 将用户设定的间隔时间数值转化为采集卡内部系统时钟频率。 对采集过程进行配置。包括采集通道序列表，各通道离散数据量化阀值。 初始化多通道数据采集过程。对采样点数、频率、缓冲池等进行设定。 检验当前数据采样过程是否完成以及采样状态及目前获得的采样点数。 将s c a n 获得盎勺以行主序存嫱韵数据调整成为列优先存赭序列。 根据量化阀值将采样输入的二进制离散数据转化为测量电压值。 结束当前采样操作。 对错误及报警进行后处理。 癌动事件发生器。 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 采集韧始化 d a q r a t e 采集配置 s c a ns e t u p 卫一 采集启动 s c a ns t a r t 数d 擎ac h ；e c k 滚 q - ， 1 。a 数q 据s t o 完p p 全c d - 1 i 。a 数o 据s t 非o o 壳o e 芏d ! = f 数据后处理l s c a nd e m u x 采集终止 d a q _ c l e a r 图2 - 8 采样程序流程图 f 嘻2 - 8f l o wc h a r to f d a t ac o l l e c t i o np r o g r a m 23 系统状态监测模块介绍 状态监测是及时了解机组运行状态，防止故障发生，保障机组安全运行的基本手段。 本系统在数据采集的基础上，以数字、棒圈或示渡器的方式，直观实时、在线的显示 机组振动的峰峰值、时域波形、转速、温度等参数，对于超限的信号通过声音和视觉 进行报警。 系统运行后自动进入状态监测模块，在该模块中，按下“采集”按钮，系统开始采 集数据，对各通道信号进行监测。按下“停i e ”按钮，系统终止采集。 在状态监测面板中，点击“参数设置”按钮进入机组信息与参数设置模块，该面 板显示了机组的结构简图和基本信息，标出了各测点对应的信号类型、通道、灵敏度和 上下限等。用户可以根据实际情况对监测信号的灵敏度、报警上下限值等进行设置。按 下“确定”按钮，则设置的数据将自动保存下来。 对于振动或温度信号，系统提供了两种表达形式。棒图表达了振动峰峰值或温度的 实际值，而实时图表达了振动或温度随时问的变化情况。 在棒图显示的状态下，通过选择机组，可以使当前机组所有通道都显示在系统窗口 内。在实时图显示的状态下，每屏显示四个通道，通过点击采集面板右下脚处滚动条， 可以依次查看机组每通道。 调节量程滑杆可以动态的改变棒图或实时图的量程，也可以在量程数据输入框中输 八期望数值，系统保持情杆选择与输入框输入数据的同步。 若监测的信号超过用户设定的上下限，则控制面板中的报警灯自动闪烁，提示用户 查型垫望垩翌鉴型兰垫壁堡堑墨竺堕! 至兰墨垄一 机组出现异常，并且系统自动保存当前报警数据a 系统提供报警日志记录功能。在报警记录对话框中，记录报警历史信息，包括报警 时间、位置、原因、保存信息等项目，并提供了相应的报警纪录管理工具。监测系统运 行相关窗口及界面如图2 - 9 、图2 - 1 0 、图2 - 1 1 、图2 - 1 2 所示。 图2 - 9 系统信号采集及监测面板 f i g 2 - 9d a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gp a n e l 图2 - 1 0 实时曲线监测面板 f i g ：2 - 1 0m o n i t o r i n gp a n e lf o rr e a lt i m ec u e 大型机组远程监测与故障诊断系统的研究与开发 图2 1 1 监铡参数设置面板 f i g 2 - 11p a r a m e t e rs e t u pp a n e l 图2 一j 2 报警记录 f i g 2 - 1 2a l a r ml o g 1 2 盔型墨塑垩矍些型兰垫堕堡墅墨堑堕塑茎墨墨垄一 3 信号处理 31 信号分析基本理论介绍 信号处理是排除或消弱噪声干扰，保留或增强有用信号，精化故障特征信息，提高 诊断灵敏度和可靠性