（化工过程机械专业论文）机械设备状态分析与自动诊断便携仪的研究开发.pdf

摘要 机械设备状态分析与 自动诊断便携仪的研究开发 摘要 状态监测与故障诊断技术，通过实时监测设备运行状态，有效的 预防和减少了设备故障。随着人们越来越重视安全生产，状态监测与 故障诊断技术迅速发展，并广泛应用。 为了保证中石油某化肥厂中小型关键设备的安全运行，综合应用 数据采集、信号处理、故障诊断、数据库设计及面向对象程序设计等 技术，开发了基于s u a lc + + 6 o 和w i n d o w s 系统的机械设备状态分 析与自动诊断便携仪。 论文详细阐述了机械设备状态分析与自动诊断便携仪的硬件结 构和软件系统。整个系统包括机组管理、数据采集、在线监测、离线 分析、智能诊断和数据管理等几个功能模块。在线监测部分，采用切 分视图，用实时棒图、波形图、频谱图、轴心轨迹图和趋势图以及峰 值、峰峰值、有效值和峭度等参数直观的反映了设备的运行状态。离 线分析部分，采用频谱、包络、小波、趋势分析等多种分析手段，多 角度的揭示了设备的运行状态。 最后，讨论了滚动轴承的故障机理、故障特征和诊断方法，综合 应用峭度、小波包和包络细化谱分析，实现了滚动轴承故障的自动诊 断。 北京化工大学硕士学位论文 现场应用证明该系统运行可靠，操作简单方便，具有较高的 实用价值。 关键词：状态分析，自动诊断，在线监测，离线分析，s u a lc + + 6 o i i 摘要 r e s e a r c ho np o r t a b l ea p p a r _ 钢r u sf o r c o n d i t i o na n a l y s i sa n d a u t o d i a g n o s i s a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc o n d i t i o nm o n i t 嘶n ga 1 1 df a u l td i a g 芏1 0 s i s c a n p r e v e n ta n dr e d u c em ee q u i p m e n tf a u l tb yr e a l 一t i m em o n i t o r i n gt h e r u 蛐i n gs t a t eo f 协ee q u i p m e n t w i mm o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e n p a i dt os a f e 妙p r o d u c t i o n ，t 1 1 i st e c l l i l 0 1 0 9 yh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yf a s t a n da l r e a d yw i d e l yu s e d t ok e e p ( h ee q u i p m e m so fm ep e 仃。一c h i n af b n i l i z e rp l a l l t n m n i n g s a f e l y ，m i sp o n a b l ei n s 咖e n ti sd e v e l o p e db a s e do n s u a lc + + 6 o 觚d m i c r o s o rw i n d o w ss y s t e mi nw h i c hn l e t e c h n o l o g i e s a sf 0 1 1 0 w sa r e a p p l i e d ：d a t aa c q u i s i t i o n ，s i 盟a lp r o c e s s i n g ，f 撕1 td i a 辨o s i s ，d a t ab a s e ， 锄dm eo o d ( 0 b j e c t 一0 r i e n t e dd e s i g l l ) m e m o d s t h i sp a p e re l a b o r a t e sm eh a r d w a r es t r l l c t u r ea n dm es o f 研a r es y s t e m o fm i st 0 0 1 t h ew h 0 1 e s y s t e m i n c l u d e ss u c h p a r t s ：e q u i p m e n t m a n a g e m e n t ， d a t aa c q u i s i t i o n ，o n l i n e m o n i t o r i n g ， o f 孓1 i n e a n a l y s i s ， i n t e l l i g e n td i a g n o s i sa n dd a t am a i l a g e m e n t 。i nm eo n 1 i n em o n i t o r i n gp a n ， t h es p l i t t e rv i e wt e c h n 0 1 0 9 yi su s e dt os h o w 也en 】姗i n gs t a t eo ft h e i t i 北京化工大学硕士学位论文 e q u i p m e n tb yl o t so fp a “m l e t e r ss u c ha st h ep pv a l u e ，t h er m s ，t h e k u r t o s i sa 1 1 dag r e a tm a l l yd r a w i n g so fm er e a l - t h l l eb 甄m ew a v e ，m e s p e c 协h n ，t h eo r b i ta n dm et e n d e n c y h lt h eo 昏l i n e 箍a l y s i sp a n ，m a l l y k i n d so fa i l a l y s i sm e m o d sa r ea p p l i e dt od i s p l a y 也em n n i n gs t a t eo ft h e e q u j p l e n t s u c ha s ： f r e q u e n c y ，e n v e l o p e ，w a v e l e t ，a n d r e n d e n c y a n a l y s i s a tm ee n do fm i s p 印e r ，f - a u l tf e a n l r e sa n da u t o - d i a g l l o s i sm e t h o do f r o l l i n gb e 撕n gh a v eb e c nd i s c u s s e d u s i n gt o g e t l l e rw i t hk u r t o s i s ，w a v e l e t p a c k e t 雒dm a g i l i 矗e ds p e c 饥瑚t or e 出i z em ea u t o d i a 髓o s i so fr o l l i n g b e 撕n g t h ep r a c t i c a la p i p l i c a t i o n s 雕o v em a tm i ss y s t e mi sc o n v e n i e n tt o o p e r a t ea 1 1 do fg r e a tr e l i a b i l i 以e 仃e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t y k e yw o l m s ：c o n d i t i o na i l a l y s i s ，蠡m l td i a 印o s i s ，o n - 1 i n em o n i t 嘶n g ， o 尽l i n ea n a l y s i s ，v i s u a lc + + 6 0 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 2 0 7 五 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：。g 矿、3 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：益生嗑 聊虢躯唤 日期：翌竺堕，笪! 里 第一章绪论 第一章绪论 1 1 状态监测与故障诊断的意义 随着现代科学的进步与发展，现代工业生产的设备越来越大型化，功能越来 越多，结构越来越复杂自动化程度越来越高。随之而来的问题是，石油、化工、 冶金、能源等行业的许多关键设备，如压缩机、汽轮机、发电机组、轧钢机、转 炉、风机、水泵等，一旦出现故障，不仅设备受损，生产线停工，造成巨大的经 济损失，而且可能危及人身安全，造成环境污染，产生重大的社会影响川。例如， 国外1 9 7 9 年美国三里岛核电站的泄漏事故，1 9 8 4 年印度博帕尔农药厂的异氰酸 甲酯毒气泄漏事故，1 9 8 6 年苏联乌克兰切尔诺贝利核电站的爆炸事故，都造成 了多人死亡和严重的环境污染。国血1 9 8 6 年大同电厂和1 9 8 8 年秦岭电厂的2 0 万千瓦汽轮发电机组分别发生断轴毁机的严重事故，造成了很大的经济损失和恶 劣韵社会影响。所以，人们希望能及时了解设备运行状态，预防故障，杜绝事故， 延长设备运行周期，缩短维修时间，使设备能够安全、稳定、长周期、满负荷运 行，最大限度发挥设备的生产潜力。 状态监测和故障诊断技术借助现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、 失效理论、信息论、机械振动、转子动力学等理论深入研究和认识设备的故障机 理；以包括传感器在内的仪表设备和计算机为技术手段，测量与监测设备运行过 程中的振动、噪声、温度、压力、流量等参数；利用信号分析和数据处理技术， 对这些参数的模型或者数字信息进行分析处理；建立动态信息与设备故障之间的 联系，运用人工智能对设备进行综合诊断；以计算机技术为核心，建立状态监测 与赦障诊断系统口j 。 状态监测与故障诊断系统有针对性的对各运行参数进行连续监测，对设备状 态做出实时评价，不但可以判断和识别设备的工作状态和故障，而且可咀对故障 进行早期预报，识别，防患于未然变故障停机为计划停机，减少停机或避免事 故扩大化，使企业对设备的维修管理从计划性维修，事故性维修逐步过渡到以状 态监测为基础的预防性维修。从而保证设备安全、稳定、长周期、满负荷优质运 行，避免“过剩维修”造成的不经济，不合理现象。 行，避免“过剩维修”造成的不经济，不合理现象。 l 北京化工大学硕士学位论文 发展状态监测和故障诊断技术在现在和将来都具有重要的现实意义，主要表 现在以下四个方面1 3 】： 1 提高设备管理水平； 2 保证产品质量，提高设备的可靠性和可维修性； 3 避免重大事故的发生，减少事故危害性； 4 可以获得潜在的巨大的经济效益和社会效益。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 故障诊断技术发展概况 早在1 9 6 7 年美国就开展了故障诊断技术的研究与开发，并制定了一系列有 关静态设备设计、制造、试验和故障诊断及预防的标准规程，目前正在研究推行 设备的声发射诊断技术。美国在航空、核工业以及军事部门中诊断技术占有领先 地位，日本则在某些民用工业，如钢铁、化工、铁路等部门占有一定优势。目前， 有关故障诊断的基础理论和应用技术研究的机构已遍及美国、日本的许多研究部 门。由欧洲著名的国际测量学会技术诊断委员会于1 9 8 2 年发起的国际性学术会 议，每隔年或二年举行都要进行一次，这对促进诊断技术的发展起了积极的推 广和推进作用m 】。 总体来讲，状态监测与故障诊断技术的发展，大致可分为以下五个阶段【6 ，7 】： 第一个阶段是在十九世纪，当时机械设备本身的技术永平和复杂程度都很 低，因此主要采用事后维修方式。 第二个阶段是进入二十世纪后，随着大生产的发展，机械设备本身的技术复 杂程度有了提高，设备故障或事故对生产的影响显著增加，在这种情况下出现了 定期预防维修方式，故障诊断技术处于孕育时期。 第三个阶段是从本世纪六十年代开始，随着传感器技术、电子技术和信号处 理技术的发展，出现了更科学的按设备状态维修的维修方式。1 9 6 7 年4 月，在 美国宇航局( n a s a ) 的倡导下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，首次 有组织地开展了近代设备故障诊断技术的研究。之后，欧洲一些国家的研究机构 和公司( 如英国的机器保健中心、瑞典的s p m 公司) 也积极地开展了这方面的 2 北京化工大学硕士学位论文 研究，公开发表了大量有价值的论文，使设备故障诊断技术得到了迅速的发展。 七十年代末，随着电子测量技术和频谱分析技术的发展及其在故障诊断中的应 用，国外大型旋转机械状态监测与故障诊断技术进入了实用化阶段，取得了惊人 的经济效益。八十年代中期，以微计算机为中心的现代设备故障诊断得到了迅速 发展，涌现了许多商品化的计算机辅助监测与故障诊断系统，如美国s c i e n t i c a l t l a m a 公司的m 6 0 0 0 c h 心n 但系统、b e n t l y 公司的a d r e 系统及d 盯e k 公 司的p m 系统等。在这一阶段，由于传感器技术的飞速发展，使得诊断可以利用 振动、噪声、温度、力、电、磁、光、射线等多种信号，从而发展起了振动诊断 技术、声发射诊断技术、铁谱诊断技术、光谱诊断技术、无损检测诊断技术和热 成像检测技术等。 第四个阶段始于本世纪八十年代后期，人工智能技术迅猛发展，并在实际工 程中得到应用，使设备诊断技术达到了智能程度。国内开展设备故障诊断技术的 研究是从七十年代末，八十年代初开始的，虽然起步较晚，但发展十分迅速，尤 其近几年来，许多高校和研究机构在设备诊断技术的理论和应用方面作了大量的 研究工作，并取得了可喜的研究成果。这时候国内出现了针对不同对象的状态监 测与故障诊断系统：郑州大学的m m d s 2 0 0 0 系统在化工行业应用较多，西北工业 大学的m d 3 9 0 5 系统在石油化工行业应用较多，英达华公司的e n 8 0 0 0 系统在电力 行业应用较为广泛【2 】。从设备状态信息采集、信号分析、数据库管理，甚至包括 诊断结论的获得均由计算机来完成，采用方式既有离线监测，也有在线监测。在 分析方法上，出现了多种多样的信号分析处理方法，如全息谱分析技术、小波分 析技术、神经网络诊断技术、各种时频分析技术等，且更加注重振动幅值、频率 相位信息的全面综合利用。这时还涌现出不少好的的故障诊断专家系统或自动诊 断系统，并逐步向诊断智能化和快捷化方向过渡。 第五个阶段是从阶段二十世纪九十年代末以来，网络化监测诊断成为故障诊 断系统的一个重要发展方向。在网络系统构成上，充分利用企业现有的i n t e m e t 资源与企业的内部网，做到资源共享、节省投资并方便实现远程诊断，所监测的 参数不再只局限于振动、轴位移等，而是进一步扩展到了影响机械运行状态的主 要工艺过程量，如流量、温度、压力以及一些主要开关量，对于机械设备运行状 态的把握更及时、更全面、更准确。这时很多非线性信号处理方法，如分形理论、 北京化工大学硕士学位论文 混沌理论等被引入到机械设备的故障诊断工作中，而且在设备管理工作上，诊断 技术正在逐步向设备诊断工程方向迈进。 近几十年来，设备故障诊断技术不断吸取现代科学技术发展的新成果，从理 论到实际应用都有迅速的发展，至今已发展成为集数学、力学、振动分析、信号 处理、人工智能、电子技术及网络技术等各种现代科学技术于一体的新型交叉学 科。故障机理的研究、故障信息处理技术的研究、人工智能专家系统和神经网络、 故障诊断装置的开发研究等都在飞速发展，具有十分广阔的前景。当代故障诊断 技术的发展趋势主要表现为以下几个方面。 1 混合智能故障诊断技术研究：将多种不同的智能技术结合起来，尤其是 将神经网络、模糊逻辑与专家系统结合的诊断模型很有发展前景。这方面的研究 刚开始，很多问题需要深入研究。智能诊断系统在机器学习、诊断实时性等性能 方面的改善，是决定其有效性和实用性的关键。 2 智能b i t 技术研究：b r r ( 机内测试) 技术为设备和设备内部提供故障检测 和隔离的自动测试能力。b i t 的智能化是发展趋势，这主要体现在b i t 的智能设 计、智能检测与智能决策。 3 基于h l t e m e t 的远程协作诊断技术研究：这就是将设备诊断技术与计算机 网络技术相结合，用若干台中心计算机为服务器，在企业的关键设备建立状态监 测点，采集设备状态数据。在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企 业提供远程技术支持和保障。 目前和今后的研究热点可归纳为以下几方面瞰】： 1 多传感器数据融合技术； 2 在线实时故障检测算法； 3 非线性动态系统的诊断技术； 4 混合智能故障诊断技术； 5 基于网络的远程协作诊断技术； 6 以故障检测及分离为核心的容错控制、监控系统和可信性系统研究。 1 2 2 状态监测与故障诊断系统概述 状态监测与故障诊断系统以现代科学中的机械振动，转子动力学，可靠性理 4 北京化工大学硕士学位论文 论，失效理论等为理论基础；以计算机程序设计为主要技术手段，借助传感器等 仪器仪表测量与监测设备运行过程中的振动，噪声，温度，压力，流量等参数； 利用信号分析和数据处理技术，对这些参数的模型或者数字信息进行分析处理： 运用人工智能建立动态信息与设备故障之间的联系，对设备进行综合诊断。 近几年来，随着科学技术的发展，人们越来越重视安全生产，认识到对设备 进行状态监测与故障诊断的重要性和必要性，状态监测与故障诊断系统日益广泛 应用，不断出现各种针对不同监测对象，不同类型的状态监测与故障诊断系统。 状态监测与故障诊断系统主要分为基于台式机和便携式的两大类。台式机系 统主要是针对专门的大型设备如汽轮发电机组、空压机组等设计的，监视功能齐 全，有较强的分析和诊断功能。但由于台式机体积庞大难以随身携带，在生产现 场也难以展开等，这些都限制了它的使用范围，且对中小型机械设备来说投资高， 不利于广泛推广。便携式系统因其质量轻、体积小、携带方便等优点，可以弥补 基于台式机系统的不足，以便实现简易、迅速的定期巡回检测和分析诊断，了解 设备的工作状态。 当前对机械设备进行状态监测系统主要有三种方式：在线监测系统、离线监 测系统和便携式监测系统。在线监测系统适用于对一台或几台关键设备的部分关 键参数进行连续监测和及时的故障预报、诊断，其系统构成复杂，费用昂贵，专 用性强。离线监测系统较简单，主要是依靠现场信号采集，然后进行数据分析与 故障诊断，不能实时处理、分析，因此很难及时提供设备维修的建议。而便携式 监测系统既能在线监测诊断，又能离线分析诊断，具有分析功能强大、便携轻巧、 价格较低、操作简便、灵活，能自己供电，可以实现简易、迅速的定期巡回检测 和分析诊断等优点。它是在线监测系统的补充，具有可临时替代功能，也可进行 一些特殊的采集和故障分析【”。所以对于在生产线流程工业中占绝大多数的中小 型关键性设备，大多采用便携式状态监测与故障诊断系统。 远程诊断技术，是设备诊断技术、计算机网络与信息技术、数据库与决策支 持技术相结合的产物。用若干台中心计算机作为服务器，在企业的关键设备上建 立状态监测点，采集设备状态数据：在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中 心，为企业提供远程技术支持和保障。跨地域远程协作诊断的特点是测试数据、 分析方法和诊断知识的网络共享，因此必须使传统诊断技术的核心部分( 即信号 北京化工大学硕士学位论文 采集、信号分析和诊断专家系统) 能够在网络上远程运行。 由故障诊断技术的发展了向可见，远程故障诊断技术能够充分利用更多的技 术支持和数据共享，从而大大地提高了设备诊断的成功率，成为设备状态监测与 诊断系统的发展趋势。 要实现远程故障诊断技术，应重点研究和解决如下几方面的问题o ： 1 网络环境下运行的远程信号采集、分析软件的设计； 2 基于网络的大量实时监测数据的远程传输： 3 基于网络数据库的开放式诊断专家系统设计； 4 设计的标准化( 包括测试数据标准、诊断分析方法标准和共享软件设计 标准) 。 目前，国内外很多单位都在开展远程诊断技术的研究，而且远程协作诊断系 统基本已在实验室实现，但由于该领域的术语、数据格式等信息内涵尚未达成一 致，协作机制、协作手段还欠完善，距离建设设备诊断医院的目标尚有一定差距。 1 3 课题的主要研究内容 1 3 1 课题的提出 本课题是根据中石油某化肥厂的设备管理状况和中小型关键设备的安全需 要提出的。为满足应用单位对不同设备进行巡回检测和分析诊断的需求，确保中 小型设备的安全，更及时、充分的了解多台机组运行情况，预防故障的发生，同 时考虑到投资效益比，于是开发了机械设备状态监测与自动诊断便携仪。该系统 集在线监测、离线分析和故障诊断于一体，既可以用于便携式的在线监测、故障 诊断和数据保存，又同时可以进行离线分析和故障诊断，并通过对记录的数据进 行分析判断，提出更为切实可行的维修时间和维修方案。为了使该产品具有一定 的通用性，在完成课题的过程中查阅了大量文献，全面分析和研究了旋转机械监 测与故障诊断中的信号处理方法，使之尽量适应绝大部分的旋转机械。 根据以上所述，该状态监测与故障诊断便携仪应满足以下要求： 1 监测与诊断过程不影响设各的运行和生产性能。不妨碍设备的检修和人 工操作： 6 北京化工大学硕士学位论文 2 监测与诊断系统应兼顾简易诊断和精密诊断； 3 监测与诊断系统应能进行实时在线监测，异常报警，并能进行实时在线 诊断，给出诊断结果和维修建议； 4 监测与诊断系统应能进行数据记录和状态数据追忆分析，并能自动生成 分析诊断报表； 5 系统操作方便，运行可靠，通用性强。 1 3 2 课题的主要研究内容 课题在广泛研究机械设备故障和数宇信号处理的基础上，开发了机械设备状 态分析与故障诊断便携仪。论文的主要内容如下： 第二章介绍了系统的设计要求、总体构架和开发环境，通过系统框架图，展 示了系统的工作过程和主要功能。 第三章介绍了系统在线监测的各部分功能，包括添加机组、打开删除机组、 报警值危险值设置、参数设置、实时监测界面、数据保存等，并对软件实现中 的关键问题进行了探讨。 第四章介绍了系统离线分析部分所采用的数据分析方法、滤波和动平衡等功 能模块，以及系统的数据保存和管理部分。 第五章介绍了滚动轴承的自动诊断系统及其应用，对滚动轴承的自动诊断方 法进行了初步探讨。 第六章对课题和论文工作进行概括总结，并结合工作中的体会对系统的完善 提出了几点建议。 1 4 本章小结 本章主要介绍了状态监测与故障诊断技术、状态监测与故障诊断系统及其在 现代化生产中的重要作用。概括介绍了国内外故障诊断技术、状态监测与故障诊 断系统的现状及发展趋势。最后介绍了课题背景和课题的主要研究内容。 第二章系统总体方案 2 1 系统设计要求 第二章系统总体方案 系统方案设计的好坏是系统成败的关键，它不仅直接影响系统的质量，还决 定着系统将来的发展与维护。系统的方案设计必须结合工程项目的实际情况，充 分发挥能动性，在保证可靠性的前提下，力求功能实用、分析可靠、操作简单， 另外还要有良好的兼容性和扩展性。 为了使该产品满足上述要求，在生产实际中发挥作用，设计时必须着重考虑 以下因素： 1 可靠性。可靠性是系统设计所要考虑的首要因素。系统应用于所监测和 诊断的对象，其目的是为了确保其安全运行，延长其使用寿命，因此系统本身应 比监测的对象具有更高的可靠性。如果一味追求功能指标而不注意可靠性问题， 则将失去其工程价值。由于本系统面向生产实际，现场情况复杂，噪声、振动很 大，工作环境恶劣，尤其当系统正在对机组进行监视时，任何一个微小的错误都 可能导致系统的崩溃或者错误的结果，因此保证系统的可靠性是一项艰巨的任 务。 2 实时性。机械故障按形成速度分为突发性故障和缓变性故障。突发性故 障一经发生就使工况急剧恶化，轻者使机器不能正常运行，严重时甚至导致整机 损坏乃至灾难性后果，因而突发性故障是机械故障诊断预防的重点。要求系统处 于在线监测情况下具有实时性，就是为了及时了解工况，预防突发性故障的发生。 缓变性故障发展缓慢，有早期症兆可早期发现，一般不影响机器的继续运行， 但随着故障发展，缓变性故障也可能转化为突发故障，所以需要进行实时监测， 以密切注意其发展趋势，防止故障扩大。 3 ，高效性。由于本系统要实现对多设备进行管理，对象动态可变，因此参 数设置和维护十分频繁，同时采样监测工作十分复杂，数据处理的量也很庞大， 只有系统各项任务的处理工作简洁、高效，才能实现系统的实时性。同时分析手 段应力求丰富、有效，分析结果应力求准确、可靠，才能使用户对现场工况进行 综合分析，做出正确判断。 北京化工大学硕士学位论文 4 扩展性。系统在设计及研制时应考虑到今后的扩展和自开发问题，以满 足技术发展的连贯性和一致性需要。可维护性也是一个重要的因素，开发好的系 统应该充分考虑用户在现场使用时进行维护的便利性，模块的更换，系统的检查 维护等都应十分方便，易于操作。同时还要注意系统的独立性，本系统是在设备 原有监测仪表基础上的功能拓展，因此要做到使用或断开情况下不影响已有生产 仪表的正常工作，也就是说即使系统开路或短路，接地等都对现场仪表的正常指 示无影响。 5 通用性。设备应综合监测多种参数，同时能易于扩展或者改变监测对象， 使之尽可能适用于大多数的旋转机械。能对数据实时进行各种分析处理，可以存 储分析大量数据，提供敏感参数，分析图谱，诊断结果，直观简洁的给出设备运 行状态评估和建议。 6 便携性。本系统直接面向管理工程师及现场操作人员，因此硬件的配置 与软件的操作在满足功能要求的前提下应尽量多的考虑用户的方便。系统界面美 观、信息量丰富、操作简单。设备整体轻巧、便携、操作简便并且可以自供电， 适用于现场恶劣的工作环境和分散的中小型设备的状态监测及故障诊断。设备应 易于操作，采用触摸屏，主要功能键采用外置贴片式键盘，同时有鼠标、键盘、 网口和u s b 接口方便数据传输。 2 2 系统工作过程 设备故障诊断技术。其实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态；预测设 备的可靠性；确定其整体或局部是正常或异常；早期发现故障，并对其原因，部 位，危险程度等进行识别。和评价；预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出 实施维护决策的技术。 在实际进行设备故障诊断时，仅凭工人经验可以判断出机械是否有故障，但 是并不能指出设备发生了什么故障。要想判断故障类型和故障部位，就必须使用 完整的状态监测与故障诊断系统，对设备状态进行详细分析。基于计算机辅助的 在线监测与诊断系统的主要环节如图2 1 所示 1 1 1 2 】。 9 北京化工大学硕士学位论文 图2 1 设各状态监测与故障诊断系统的主要环节 f i g 2 lm a i np r o c e s so f c o n d i 在0 nm o n i t o i i n ga n df h l td i a 即o s l ss y s t e m 采用在线监测与故障诊断系统进行故障诊断，不能像有经验的工人那样凭经 验，而是必须通过采取系统运行状态的特征参数，运用一定的分析方法来确定系 统的状态，本质上是一个系统识别的过程。其主要的实施过程如下13 】： 1 信号的在线检测：信号的在线检测必须满足两方面的要求。一是在线， 这是针对系统而言，对于连续运行的机械设备是指机器运行过程中的检测，是生 产线上进行的，否则达不到监测与诊断的目的。二是动态过程具有多方面的信息， 但不是所有的信息都能反映设备的故障状态，没有必要都检测，所选择的信号及 其在机器上的部位都要能敏感的反映工况特征信息的变化。此外，在信号在线检 测中，所选用的传感器必须能完整的将信号采集下来。 2 信号的特征分析：鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的 与故障无关的信息，一般不宜用作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法 把直接检测信号转换为能表达工况的特征量。对于某些有规律的信号，也可从波 形结构上提取特征量。特征分析目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况 状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开 来，达到“去伪存真”的目的。因此，信号处理是特征分析的一种工具，但不是 唯一工具，用作特征分析的方法有频域分析、时域分析、统计分析、小波分析及 波形结构分析等等。 3 特征量的选择：将初始模式向量进行维数压缩、形式变换，去掉冗余信 息，提取故障特征，形成待检模式。在实际生产中，各个特征量对工况状态变化 的敏感程度不同，应当选择敏感性强、规律性好的特征量，达到“去粗取精”的 1 0 北京化工大学硬士学位论文 目的。选择对具体机械最敏感的特征量，才能加强监视诊断的针对性，提高诊断 的准确性。特征量的选择还要考虑判别的实时性，要求计算简单，如能在一定程 度上表达工况状态的物理含义，就更有利于对工况状态变化进行的分析。 4 工况状态识别：工况状态识别就是状态分类问题，分类与诊断往往是一 个概念。此处从生产过程不同的目的考虑，把“分类”分成监视与诊断两个问题， 工况监视的目的是区分工况状态是正常还是异常，或者那一部分不正常，便于进 行运行管理，强调在线和实时性因为主要是正常与异常两种状态，用模式识别 及模型参数判别都很有效。 5 故障诊断：故障诊断首先需要根据监视系统提供的信息，对当前工况状 态及其发展趋势做出确切的判断。故障诊断的主要任务是针对异常情况，查明故 障部位、性质、程度，这就不仅需要根据当前机组的实际运行工况，而且还需要 考虑机组的历史资料及该领域专家的知识，才能做出精确诊断。诊断和监测不同 之处在于诊断精度放在第一位，而实时性是第二位。 2 3 系统总体构架 以方便现场操作使用和智能化为研发目标系统硬件、软件依据模块化设计 思想，分为数据采集，在线监测、离线监分析故障诊断，数据管理等模块，既 可以在，i n d o w s9 8 系统中运行又可以在w i n d o 粥x p 系统中运行。 系统整体结构如图2 2 所示： 2 3 1 系统的硬件实现 圈2 2 系统整体结构圈 f i g 2 - 21 1 1 ew h o l es y s i e ms 仇l c 曲e 系统硬件部分的基本功能即信号调理和a d 转换。采用压电式加速度传感 北京化工大学硕士学位论文 器对监测设备进行信号采集。把采集到的模拟信号，经过放大、a d 转换，然后 将所得数字信号传送到p c 总线便携机进行处理、分析和保存。信号采集部分的 硬件结构原理如图2 3 所示。 图2 - 3 信号采集硬件结构原理图 f i g 2 - 3t h eh a r d w a r es 订u c t u r eo f s i 印a la c q u i s i t i o n 1 传感器：亦称变换器，它能将所测量的某一物理量，按一定规律转换为 与之对应的另一种物理量并输出。传感器是实现自动检测与自动控制的首要环 节，如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，那么自动检测和自 动控制都将无法实现【1 4 】。 选择传感器时应注意如下问题f 1 0 l ：一是力图使最重要的参数能以最直接、最 合理的方式测得，选择的测量参数应该具有较高的信噪比：二是传感器的量程、 灵敏度等指标应符合信号检测的要求；三是应综合考虑传感器的使用环境要求、 价格、寿命、可靠性、维修、校准等问题。 本课题根据现场环境和监测位置的实际情况，选取测量振动信号的压电式加 1 2 北京化工大学硕士学位论文 速度传感器。压电式传感器与其他类型的传感器相比，具有灵敏度高，频率范围 宽，线性动态范围大，体积小安装形式多样等一系列优点，在现场振动诊断中 得到广泛应用，是振动测量的主要传感器型式【1 5 ) 。在现场作一般性检测时，可采 用磁座吸附在设备上进行数据采集。 2 数据采集卡：实现传感器输入信号交流和直流分量的分离，并由模拟开 关实现对通道信号的交流直流分量的选择测量以及对各个交流分量的积分、放 大、滤波等预处理。 2 ，3 2 系统的软件部分 系统的软件部分控制着硬件的数据采集，并对采集的数据进行实时的计算， 显示和保存，同时可对保存的数据进行离线分析和故障诊断，生成各种报表。主 要包括以下几个功能模块： 1 在线监测：实时采集、计算、显示和保存数据。 实现多监测点，多参数和多方法的监测功能，并能切换显示在线监测界面可 以实时显示各个通道的振动信号，和对偶测点的轴心轨迹。既可以进行正常工况 监测，也可以进行启停机状态监测。 计算和显示各个通道的有效值，峭度，峰值，峰峰值等敏感参数，能进行简 单的频谱显示，用来初步判断设备是否出现故障。 当设备振动测量值超过报警阈值时，系统自动报警，并保存数据，同时生成 监测报告。 手动保存数据和自动保存数据，为离线分析和故障诊断提供了充足的数据 源。 2 离线分析：调入在线保存的数据进行各种分析处理。 分别对一组，两组或者多组临时数据、历史数据、起停数据、报警数据、趋 势数据、标准频谱数据等，进行频谱、包络、小波、倒谱、趋势分析等各种分析 处理。 趋势图通过峰峰值、有效值、峭度趋势，显示一段时间内设备的运行状态， 判断故障的发展过程，预测故障的发展趋势。 3 智能诊断：自动提取特征频率，显示故障特征，完成故障诊断过程，并 北京化工大学硕士学位论文 以图形或汉字显示出诊断结果。开放的知识系统，可提供知识的查询、创建、修 改和删除功能，以及对故障树各结点和规则库规则的查询、添加、修改和删除功 能。 4 报表生成：在线监测可以生成监测报表，趋势分析可以生成趋势报表， 智能诊断可以生成诊断报表。 根据以上设计要求，系统菜单结构图2 4 所示： 设备状态监测与故障诊断系统 乞多形心 i 监测设置f监测方式圈离线分析目智能诊断圈数据管理斟动平衡b liiili 添加机组波形选择机组自动诊断复制数据单平面法 打开删频谱 调入数据查询修改删除数据双平面法 除机组数据库 峰峰值 时域分析格式转化 预设报警值退出诊断 有效值频域分析 参数设置 峭度值时频分析 开始监测 轴心轨迹 相关分析 停止监测 保存数据包络分析 退出系统 多文件分析 滤波分析 生成报表 退出分析 2 4 系统开发环境 图2 4 系统菜单图 f i g 2 4f j g u r eo f s y s t c mm e n u 硬件是系统的实体，软件是系统运行的灵魂。一个完善可靠的系统不仅需要 高质量的硬件支持，还需要配以高质量的软件。软件环境的选择是实现一项设计 方案之前需要考虑的重要因素，是开发一套功能完善、性能可靠的应用软件的基 1 4 北京化工大学硕士学位论文 础。软件环境的选择包括软件平台选择和程序开发工具的选取。 2 4 1 软件平台的选择 本系统是工程应用系统，直接面向现场用户，这就要求系统拥有一个统一友 好的用户界面、简单易学、操作简便。同时所选择的平台应便于快速高效地进行 系统开发，起到事半功倍的效果。操作系统起着系统调度、内存管理、文件管理、 输入输出管理等重要功能，是应用软件生存和工作的基础。 考虑到以上这些因素，本系统采用w 证d o w s 操作系统作为软件运行和开发 的平台。它是目前p c 机上的主流操作系统，具有一致的图形用户界面，使得用户 易学易用。方便地利用熟悉的窗口、菜单、对话框等界面元素进行参数设置、数 据管理等一系列复杂的操作。与设备的无关性使得用户能够所见即所得，方便地 在各种输出设各上( 如打印机) 得到当前屏幕上观察到的机组监视画面和各种分 析图谱。与微型机上所使用的其它一些操作系统相比，w i n d o w s 操作系统更适合 于作为本系统的软件平台，因为它具有如下一系列优良特性1 1 6 - 1 9 】： 1 抢先式多任务：这种抢先式的分时处理可解决w m d o w s 3 x 中协同多任务 模式下因一个任务崩溃而导致整个系统死锁的现象。 2 多线程：这实际上是多任务在一个应用程序内的反映。有了多线程的支 持，w i n d o w s 系统下的应用程序更能发挥系统的优势，本系统即应用了这一特性， 使系统性能有了很大提高，可靠性更好。 3 多个消息队列：每个应用程序都有自己的消息队列，可防止因某程序失 败而不能接收消息，导致系统死锁的现象。 4 独立的内存空间：每个进程都有自己单独的地址空间，各程序间的内存 相互独立，一个应用程序产生的错误不可能影响戮另一程序，稳定性更好。同时 可更高效地支持大于6 4 k 的数组等数据对象，算术运算性能高，运行速度快，这 对于本系统数据量大、数据处理频繁、实时性要求高的特点有着重要意义。 5 强大的网络功能：提供了t c p p 组件，可以很方便地设置使用，便于网 络通讯，数据传输。 1 5 北京化工太学硕士学位论文 2 4 2 开发语言的选择 当前开发w 协d o w s 程序的较为流行的语言有b o r l a n d 公司的b c ( b o r l a l l d c + + ) 、d e l p h i ，m i c r o s o n 公司的v b ( s u a l b a s i c ) 、v c ( s u a lc + + ) ，s u n 公司的j a 、，a 等。v b 和d e 髓h i 可视化编程能力较强，简单易用，但数据类型 较少，计算能力不强，对复杂的实时性工程的驾驭能力不如b c 和v c 。j a a 是 当前比较流行的语言，它的最大优点是可移植到其他平台，但是使用一个“虚拟 机”来运行可移植的字节码而非本地机器码，使得程序的编译速度变慢。v c 和 b c 都是用c h 进行可视化编程的工具。c + + 是一门优秀的程序设计语言，它是 c 语言的扩展，继承了c 语言高效、简洁、快速、可移植性好的传统，同时还提 供了面向对象的特性和模板特性。它融合了3 种独立的编程传统c 语言代表 的过程性语言传统，c + + 在c 语言基础上添加的类代表的面向对象语言的传统， c + + 模板支持的通用编程传统，因此既可以进行过程化程序设计，也可进行面向 对象的程序设计和通用编程。c 十+ 实现了类的封装、数据隐藏、继承及多态，使 得其代码容易维护及高度可用。随着c + + 成为a n s i 标准，这种新的面向对象程 序设计语言迅速成为了程序员使用最广泛的工具。几乎在所有的计算机研究和应 用领域，都能看到c 十+ 的影子【“。 早期的w i n d o w s 程序多采用b c 开发，但v c 后来居上，v i s u a lc + + 是 m i c m s o a 公司推出的强有力的w i n d o w s 编程工具，它与w i n d o w s 操作系统更加 紧密的结合及其良好的集成开发环境，使得它已成为当今世界最流行的软件之 一，与b c 相比具有如下特剧2 1 甜】： 1 具有强大的类库功能和完善的类库框架。v i s u a lc + + 所提供的m i c r o s o f c 基础类库( m i c r o s o nf m m d a t i o nc l 觞sl i b r a r y ，简写为m f c ) ，对w i n d o w s9 5 n t 所用的、i n 3 2 应用程序接口( w i n 3 2a p p l i c a t i o np r o f a m m i n gh l t e r f a c e ) 进行了十 分彻底的封装它为编程者提供了一个应用程序框架，这个应用程序框架为编程 者完成了很多、v i n d o w s 编程中的例行性工作，如管理窗口、菜单和对话框，执 行基本的输入和输出、使用集合类来保存数据对象等等，这使得可以使用完全的 面向对象的方法来进行w i n d o w s9 5 n t 应用程序的开发，从而大量的节省了应 用程序的开发周期，降低了开发成本，也使得w i n d o w s 程序员从大量的复杂劳 动中解救出来。用m f c 编写的程序也更加便于维护和扩充。 1 6 北京化工大学硕士学位论文 2 编译功能强大，优化编译效果好。m f c 类库应用程序几乎与w i n d o w s s d k 样短，运行速度有时比相应的w i n d o w ss d k 程序更快。 3 简便的消息处理机制和强大的在线帮助能力，给程序的开发带来了极大 的方便，使、聃n d o w s 编程不再深奥和晦涩，而是一件有意义并且有趣的事情。 4 完善的向导功能。所提供的a p p w i z a r d 、c l 髂s 耐z a r d 及资源编辑器等极 大减小了编程的繁杂程度，提高了程序的设计效率。高度集成化的工作平台使应 用程序一些界面特性，如属性页( 也叫标签对话框) 、打印和打印预览、浮动的和 可定制的工具条变得更加的容易。同时给程序设计、调试带来极大的方便。 2 4 3 系统的面向对象设计方法 随着现代工业不断发展。各产业部门对设备故障诊断提出了越来越高的要 求。因此状态监视与故障诊断系统的规模和复杂性也曰益增加，为降低软件开发 和维护的困难程度，提高系统的可扩展能力，系统软件希望能由可重用及模块化 的组件构成，面向对象的程序设计思想是解决这一问题的有力工具。 面向对象的程序设计把一个复杂问题分解成为若干能完成独立功能的对象， 将这些对象组合起来完成一个复杂功能。每个对象可能又由更小的对象组成。每 个小对象也完成特定的功能，它们相互间既独立又有联系，正是这种联系使这些 小对象能组合成一个复杂系统。它包含三个基本概念【2 5 2 踟： 1 数据抽象：是把数据和对数据进行操作的函数紧密结合起来，从而有效 地定义了一种新型数据类型，称抽象数据类型