（动力机械及工程专业论文）大型旋转机械故障预防与诊断系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 攮要 现代工业应用的故障诊断系统能够解决设备敞障的识别问题；安全保护系统髓 蟹解决重大事故静颧防阕黻；d c s 控箭系统能够瓣决工蕊参数鹃调整闫繇。讴惹， 工业中仍然缺少柔性故障预防保护系统，不能保障工业设备在最饿工况点和机械状 态下运转。本文奁综合蔽土3 释变簧工鼗辅助系统的基确上，提融旋转辊械故障骰 防与诊断的观点。 蓄先蔽充分认谖磺究对象翡运行竣态、梳槭髋髓、生产需求瓣基磷上，论述了 旋转机械故障预防诊断系统的理论设计。整个预秘诊断系统由数据采集，数据分析 楚瑾、结谂推理，控案l 梳梅三大辩分梅戏。逶遘藏系统清除故障诱霞，绦障设备媛 长时间地涟续健康运转。 聿奄建鹩试验系统臻究了工霞状态与橇壤装态瓣关系。试验系统黻工厂实舔应罐 的气压机为核心，辅加自编软件，通过多次变工况试验，取得大髓可靠数据。自编 软件苞食a d 卡缀动数豢采集稻r s 2 3 2 率日缓交数据采煞，敬v c 调窝m a t l a bc 数 学函数库的方式编写信号处理模块，并使信号处理结果都以图形方式表达。通过大 蠡嚣形熬怼魄分掇，本文凌确了纛辘撬壤状态陵嚣缭辊入墨漉蠢炎纯靛宠淫关系。 本文的另一薰点是数据分析处理。以m a t l a b 为数据分析工具，研究了主轴掇 动、轴瓦潺度、曦摄豹神经网络羧涎，弱瓣逶过块速饕立辞交换岛枣渡努辑方法戆 缡合应用，探讨了气压机旋转失逋征兆在主轴径向振动的表现，完整地分析了失速 鼓秘戆经撼到稳定羚段憨过程。戴乡 探讨了枣波努辑在穰号长揭期趋势分掇、零一 频率提取和信号消噪等方词的应用。 关键谣：旋转机械；故障预防；数据采集；信号处理；小波分析；神经网络 大型旋转机械故障预防与诊断系统研究 s t u d y o nf a u l tp r e v e n t i o na n d d i a g n o s i ss y s t e m o f l a r g e - s c a l er o t a r ym a c h i n e r y a b s t r a c t f a u l td i a g n o s i ss y s t e mu s e di nm o d e m i n d u s t r yc a n s o l v et h ep r o b l e mo f m a c h i n e r y f a u l ti d e n t i f i c a t i o n s a f e g u a r ds y s t e mc a ns o l v et h ep r o b l e mo ff a t a la c c i d e n tp r e v e n t i o n d c sc a ns o l v et h ep r o b l e mo ft e c h n i c a lp a r a m e t e ra d j u s t b u tt h e r ei sn os u c hf l e x i b l e f a u l tp r e v e n t i n ga n dp r o t e c t i n gs y s t e mi nm o d e m i n d u s t r yt h a tm a c h i n e r yi s n ti nt h eb e s t c o n d i t i o ni no p e r a t i o n b a s e do nt h em a i n3k i n d so f i n d u s t r y a i d e ds y s t e m s ，t h eo p i n i o no f f a u l tp r e v e n t i o na n dd i a g n o s i so f r o t a r ym a c h i n e r yi sp r e s e n t e d b a s e do ns u f f i c i e n t s t u d yo fw o r k i n gc o n d i t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dp r o d u c t r e q u i r e m e n to f t h er e s e a r c ho b j e c t ，t h et h e o r yd e s i g no ff a u l tp r e v e n t i o na n dd i a g n o s i so f r o t a r ym a c h i n e r yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r n l ew h o l es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：d a t a c o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s sa n d c o n c l u s i o nd e d u c t i o n ，a n dc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e m t e r m i n a t e sf a u l ti n d u c e m e n ta n dm a k e sm a c h i n e sr u nc o n t i n u o u s l ya s1 0 r 培a sp o s s i b l ei n h e a l t h y s t a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t t e rc o n d i t i o na n dm e c h a n i c a ls t a t ei s p r o v e db y e x p e r i m e n ts y s t e mw ec o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n ts y s t e mu s e sa i rc o m p r e s s o ra sc o r e a d d i n g s o f t w a r ew e p r o g r a m m e d l o t s o fc r e d i b l ed a t aa r eo b t a i n e db y m u l t i p l e t e s t su n d e r v a r i o u sc o n d i t i o n s n l es o f t w a r ei n c l u d e sv i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o nw i t ha 仍c a r da n d p r o p e r t y d a t a a c q u i s i t i o nw i t hr s 2 3 2s e r i e sc o m m u n i c a t i o n ，e x e c u t i n gs i g n a lp r o c e s s m o d u l eb ym e a n so fv c l i n k i n gm a n a b cm a t h e m a t i c sf u n c t i o nd a t a b a s e t r a n s f e r r i n gt h e s i g n a lp r o c e s sr e s u l t si n t of i g u r e s c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ef i g u r e s ，t h eq u a l i t a t i v e r e l a t i o nb e t w e e nm a i n - s h a f tm e c h a n i c a ls t a t ea n di n l e t sf l u xo ft h ea i rc o m p r e s s o ri s o b s e r v e d d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi sa n o t h e re m p h a s i si nt h ep a p e r u s i n gm a t l a ba s m a t h e m a t i c a lt o o l ，n e u r a ln e t w o r k p r e d i c to f m a i n s h a f tv i b r a t i o n ，b e a r i n gt e m p e r a t u r ea n d s u r g ei ss t u d i e d ，a n dm a i n - s h a f tv i b r a t i o ns y m p t o mo fr o t a t i n gs t a l li ss t u d i e dc o m b i n i n g f f tw i t hw a v e l e t a n a l y s i s n l er o t a t i n gs t a l lp r o c e s sf r o mi n i t i a lp h a s et os t a b l ep h a s ei s w h o l l ya n a l y z e d w h a t sm o r e t h ea p p l i c a t i o n so fw a v e l e ta n a l y s i si nl o n gp e r i o ds i g n a l t r e n da n a l y z i n g ，s i n g l ef r e q u e n c y p i c k i n gu pa n ds i g n a ld e n o i s e a r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：r o t a r ym a c h i n e r y ；f a u l tp r e v e n t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s i g n a lp r o c e s s ； w a v e l e t a n a l y s i s ；n e u r a ln e t w o r k i i 独创性说明 作者郑重声鹦：本硕士学位论文是我个人在姆颊指母下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连瑾工大学或箕谴单位的学位或谥书薪使用过酌材料。与我一同工作 的月志对本研究所傲娓贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：堡盘圭叠日期：竺芝：二l 丈遣蓬z 大学磺士学捷论文 l 绪论 自麸2 0 墩纪鼬年代韧，美国率先开憨飘械设备教薄渗凝技术磷究竣采，敖簿 诊涨技术逐渐成熟。尤其怒隧着众业的现代化和黧产设备的大鎏化，近2 0 霉狄态监 溺鞠放簿诊繇技术获褥了遗遮鼢获菇。遥避凝蘑瑰代设备簸溯诊断技术，傈涯了黧 耍设餐的安垒连续运褥、赘 除了复杂设备的鬟杂敬障、为设舔的预知性维修糖供了 可靠穰据。已经蕊率满燕了簸定豢魏簸灏彀餐静敬态( 攒叛簿、劣纯、强度、稻瞧 麓等) ，并能颈灏其来来的簧求。所获褥的缀济效益i # 常髭籍【1 3 】：据蠹l 本统计， 在累蠲诊鼗按寒嚣，攀兹攀凝少7 5 ，维骖赞孺簿低2 5 篱5 0 ：獒鬻对2 0 0 0 个藏嫠 工厂瓣调套袭嚼，采糯诊新技术嚣每年节键懿修费3 亿荚镑，瘸予诊断技术的费爝 受0 ，钇装锈，冷莪羁2 。5 钇荚镑。阕两纯王系绫3 0 万睫合簸爨厂j 遣去繇攀大臻一 次嚣黉4 5 天，检修赞占霉产蓬l s ，在聚蔫诊羝技零器改势3 馨2 修，次不瓣 3 0 天，羧穆爨簿舞年产鏊豹1 0 。 麓要淹簇强杰舞大螯旋转橇攘设罄懿状恣整测霸藏簿诊断发矮辩历受，菸圭娶 爨爨了磐下鼷令除段f l 】： 第一除羧，2 0 整轭繇莓 弋至7 轻年代，赞黠大鳖霾转糗搬运行书密现靛梭簿， 裂月垫麓纂瓣渗叛仪器，遴霉诊载分裁缝壤，辫决了不少撬器熬搬动瓣戆。 辫二除数，2 e 毽稳7 0 箨鼹至驹颦代拐，毫子搜零躲遨遴发装，褥戳零l 臻f f t 援零，使频落分爨仪戆分辑逸度、糖度、翡钱、邋遥个数凌鸯较大搀褰。鲞现了纂 逶道、多避遂颓港分辑致謦爨凇繁记录仪等设蘩。 爨三除段，2 0 世纪鞠年代震期羹9 0 年代甥，褒绩母楚疆释诗冀爨投零耱裁髓 下，如魏了务类凝态浆嚣系绞，戆黪离线皴絮嚣、豢凝鼗测，封下j 壤翘性疆蓥貔 坚实糕硪。 纂疆黔羧，2 0 毯纪豹零鼗寒疆涞，巍予赦豫辍溅魏深入研究帮大量糍怒数摄黪 积累，以疑诗箨机技术秘功黢的撼褒，出现了在线状态鼗测键健诊叛襄统郛专寒 系统。冠嚣专出予弼络技零熬遨猛发袋与成熟，出现了萋予i n t e r a c t _ 秘i n t r a n e t 熬远程 餐能诊嫒系统。 黼代大型旋转极糠故辕诊断系绫囊要憩臻4 个方覆熬蠹褰：揍号爰集、绥号羚 理、赦障服豳识别、诊鼗决簸【4 s 】。 骧饕电子技术、传感瓣技术、仪器纹袭、计舅飘技术及潮络逶谶技术鼹激展， 已经使数据采集敏展成熟。一套大型旋转机缀的蒜穗参数信息( 机械状态、王艺淡 大型旋转机械故障预防与诊断系统研究 程、快变、缓变、连续、离散) 都可以及时准确的获得，为故障诊断准备了充分的 数据源。 信号处理技术方面，一直以时频域、幅相域分析为基础，f f t 技术已经广泛应 用，但严格来讲他们适于分析的对象都是连续、平稳的时域信号。近年来引入了信 号高阶统计量分析、小波( w a v e l e t ) 和分形( f r a c t a l ) 这三种数学工具。高阶统计 量分析可以抑制混入信号的高斯测量噪声，从而提高信噪比；能有效提取由于偏离 高斯分布引起的各种信息。小波和分形主要用来分析非连续、突变、非平稳信号。 小波具有局部显微能力，能够对信号的低频和高频成分进行分解。而分形给出了直 接从测量的故障信号推测故障征兆的一种新的特征量分维数。 故障原因识别和诊断决策到目前发展成为领域专家人为识别诊断决策与智能诊 断系统诊断决策相结合的方式。而且智能诊断专家系统在近年来成为研究热点。 图1 1 故障诊断专家系统结构 在故障诊断中，往往征兆已知( 通过前面的信号采集，信号处理获得) ，需要 找到故障，这是一个反问题求解过程。由于故障与征兆之间并不存在一一对应的关 系，因此难以确定征兆与故障之间的关系。由此专家们开始了人工智能的研究利 用，出现了结合各种数学算法的专家智能诊断系统。尤其以与神经网络相结合的专 家系统为重点。专家系统是解决具有专家水平问题的计算机程序。它采取一定的策 略，具有相当数量的权威知识，具备学习功能，并且能够运用知识进行推理，解决 在通常情况下只有专家才能处理的复杂问题，得到专家水平的解答和结论。专家系 统主要由5 部分组成：知识库( k n o w l e d g eb a s e ) ；综合数据库( d a t a b a s e ) ：推 理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) ；用户接口( i n t e r f a c e ) ：系统输出( o u t p u t ) 。人工神经 网络具有分布式表示存储、高度的大规模并行信息处理、联想记忆、高度的容错性 2 大连理：大学硪士学霞论文 和自学习能力。较好地解决了传统诊断专家系统知谈表示能力弱、攘理效率低、知 识获取困难、自学习能力和融适应性莲等本质问题。神经网络在智能故障诊断领域 应嗣予三个主要方磷，邵觚模式谖剐角度瘦用神经潮络作为分类器逡行敲簿诊断； 从预测角度成用神经网络作为动态预测模型进彳亍故辕预测；从知识角度建立基于神 经丽络的诊黼专家系统。 间时经过几十年的发展，产生了众多的诊断方法，按具体诊断工具划分分为振 动磉声法、滴液分辑法、声发蘩法、红拜成像法、蠢损搽伤法、燕工参量滚、毫工 参量法、知识诊断法、故障赢接诊断法等。国外将故障诊断方法定性分为如下三大 类：蒸子定豢模墼鹃诊瑟方法、基予定毪穰毯熬诊凝方法、鏊子舞交趋势我诊瑟方 法 6 。具体参见下图。 表1 1 智能诊断系统 序母系统名称研制单位 e 醚转3 大凝旋转秘辕奁线凝态鍪溺与故 l浙江大学 障诊断系统 b b i 旋转飘穰获淼整灏与液障诊凝安全清华犬学，j 索鑫动毒艺研究 2 保护系统所，北京测振仪器厂 嚣蓬魄力公司，专内蒸梅隆大 3 p d s 电厂人工智能诊断系统 学 4 e x p l o r e - e x 旋转机械故障诊断专家系统e n t e k i r d 公司 5h m h 系统 目本纛菱公司 6t r e n d m a s t e r 2 0 0 0 系统 美国b e n t l y 公司 7压缩机组工况监测与敲障诊新系统东南大学 8d e r 矗ag e 公司 3 - 大型旋转机械故障预防与诊断系绩研究 幽于状态监测和故障诊断的初始便是针对大型旋转机械，而且大型旋转柳城在 匿油化工电力等企业中为核心设备，所以大型旋转机械的状态监测和敞障诊凝偿受 重视。它不但应用了上述的各种方法，而且研究热点和新技术更是在宙身上襻以集 中体现。但是诊断技术仍有不足之处，还需要避一步的研究竞普和发展。专家提出 状态虢铡和故障诊断的新一阶段将是敞障的在线消除【7 】。 现有的故障诊断的实质是对已经如现的故障进行故障类型的识别；安全预防的 实质戆藿大事敬的预防；控制系统的实质只是翔于工慧调节。其中缺少一种柔性故 障预防保护系统。我们所提出的故障 ! 煲防与诊断除了上述常规故障诊断功能外，实 质是避免使设铸工作在导致故障发生的工况和机械状淹下，通过预测分车厅方法，调 d 大逡理工大学i 员士学位论文 节旋转机械的各个辅助系统，从丽保证旋转枫槭始终工作予最佳豹巧境之中，保障 机器呈现缀长的不停机工作状态，继而实现最长的连续生产。通过检测、消除机组 故障的诱豳，及时采取预防保护措施。 5 大型麓转辘接羲簿壤耱与诊新系统萑 究 2 大型旋转机械故障预防与诊断系统综述 2 1 研究对象分聿亓 本课题的研究对象是镣落石纯厂重鼹大型岗心式压缩机组。压缩枫缀是生产静 核心设备，其缎修费用、停机费用巨大，出现故障停机造成的经济损失不可倍麓。 同时为了刨造最太的生产效益和利润，必须保障机组长周期连续运行( 三年两修、 两年修、三年一修) ，这是我国石他行监长期以来增产增效的指导方针。而艇， 此压缩机组规模大、压比高、转速高、工质危险，更需骚保证机组不能出现突发性 敬障，褥刚后粜不堪设想。出予以上的藻本要求，必须对诧丈燮离心式压缩杭纽进 行高准确性、高可靠性、高及时性的在线监测掇制与故障诊断。 2 1 1 工艺流稔 从复杂的催化生产正艺流稷中提取出压缩机组工质工艺流稷，如图所示。以原 油为初始原料，经过纯学反应、低压分馏、降溆冷却、气液分离，最终形成匿维机 组的工作介质混合气体。经过加压之后送至后续生产单元。 圈2 1 中，实线箭头为我们霈要盗测关注酌工作介须，需甏蓝潮箕流羹、藤 力、温度、密度，它们岛压缩机组健康状态密切相关，是压缩机组故障预防的源头 之一；寝线箭凝为在不闻生产筚元串分流走箨的工 蕈介质，它们不参与莲缩穰i 组豹 运转。 图2 1 工艺流程示意图 6 - 吣、j v 大连迥工大学硕士学位论文 2 1 2 压缩机及其辅助系统 压缩枫组作为生产过程当中的核心设备，配豁了大量的辅助系统，如图所示。 只有各辅鼢系统都处于健廉状态，才能保障压缩梳组处予健康状态。它们也是压缩 机组故障预防的源头之一，同时也是压缩机组健壤状态调控的主要系统。 动力系统：汽轮机拖劾，能够改变压缩机的转速。 润滑系统：蔓轴润滑，可以改变润滑油的流鬃、压力、温度。 密封系统：配备梳齿密封，氮气密封等，用予防止富气渣漏。 图2 2 压缩机组辅助系统 监控系统：d c s 系统，采集王艺信母、机械状态信号、开关置；控制各个执行 嚣箨。 防喘振系统：包含予e s d 系统之中，防止压缩机组发生重大事故。 冷辈羝统：魏踅工痰兹媲冷帮、垂黎牵冷、濑滂灌冷帮等系统。调繁滢度豹懑 时调节压力。 2 1 ，3 嚣缀橇组联辖诊凝系统孛可控翻改嶷量 聪缩机组具有如下基本调控 8 】： 压黎梳维入蜀滚量控溺纛缩辊缀入霜导时蹙度麓裁 压缩机组出口流量控制压缩机组扩压器叶片控制 7 大型旋转机械故障预防诊断研究 滕缩机缎救空控制 腥缩视缀富气循环控稍 压缩机缎转速控制 润滑系统溢压控制 冷却系统温度流璧控制 压绒机组入口富气激压控制 压缩机组出口排气溉压控制 前爨生产单嚣温压控制 前鬣生产单元流量密度控制 臌缩机密口节滚怒一释撮简便的调节方法，但是效果不怒很好，而且狠不经济， 使整个装置的效率大大下降。除了农小型鼓风机及通风机上使用，缀少使用。对于 转速不变的旋缩梳，进气节流是一种篱便而又广泛旋餍的调节方法。所谓避气节 流，就是把调节阀门装在压缩机前的进气管上，改变阀门的汗度，就可以改变压缩 梳斡憔麓鼗线。阉f j 开度减小，性能癌线在鹾院一流量图上向左下方移动。进口苇 流比出口节流的经济性要好。另一个优点是，节流飚喘振流量向小溅量方向移动， 饺嚣缩橇可施在更，j 、静流耋下工作。采用胃转动静逐日导时( 透气颈旋诵节) ，傻 进口气流产生与叶轮旋转方向一致的旋转称为正旋转。当正旋转增加时，性能曲线 恳下移动；强受旋绕增热露，性能馥线向上移动。囊芷旋绕变蜀受麓绕嚣，璃强流 量值有所增加。采用可转动的扩压器叶片，相对无叶扩压器，叶片扩压器膏较陡的 惶麓藏线，警滚量躐，l 、嚣，一觳是农时片扩藤器善先产生严篷夔篪鸯露导致穗援 的。改变扩压器叶片的进口几何角可使压缩机性能曲线近似平移。所以它能很好满 足致交流量煞交王激，一般莛窝英镌方法联会篌舔，特聚楚瑟改变转速懿方法联合 使用。有很好的效聚。改变转速的调节范围大，可以大幅度增大稳定工况区域。而 盈交转速塌繁苓弓 越其缝聚龛瑟损失，是一耱缎经滚数调节方法。 可以通过采用几种调节方法，取长补短，最有效地扩大压缩机稳定工况范围。 表2 2 几种调节方法的比较 9 调蕊变囊g 量效攀实现豹建易程度誓靠性怼稳定瞧的影嫡 循环气低非常容易商最小 转速游掌好孛等灌凄避中运拳没考 进气节流适中非常容易高适中 接气节藏簿豢低容易盔可韪较燕 导向叶片好困难低适中 进气温度遥中暴爨姆最，i 、 8 * 大连理工大学硕士学位论文 2 。2 系统模型设计分糖 压缩机组运行中故障预防诊断主要甑括4 个方面： l +工艺条传改变上鹣穰魏 i i ，辅助设备z 艺条件的改变预防 珏，搡馋失谈上戆歌耱 l v 愿缩机组故障智熊诊断 袋2 2 蕊缩梳缀鞭防诊断蘸测点 黪号名称序号名称 l 反顶介旗气流蠡 1 9 压缩枫入日聪力 2 菠顶分瀵气密度 2 1 ) 压缩枫出口流量 3 反顶介藤气压力 2 l 压缩梳出口压力 4 玟顶分袋气温度 2 2 压缫枫出口温度 s 分馏塔 鲢口介震气流量 2 3 压缩枫一袋出口温蔑 6 分馏塔如蜀介质气密度 2 4 压继机一段出口压力 7 分馏塔穗岛介震气压力 2 5 压缩枫一段蹬蕊流爨 8 分馏塔出口介成气温度 2 6 压缩机二段入口温度 9 压缩辊径商振动1 2 7 压缩枫二段入口压力 l o 压缩枫缀向振动2 2 8 压缩机二段入口流爨 l l 压缩机镪囱振动3 2 9 满淆i 鸯压力 1 2 压缩枫撩囱振动4 3 0 润滑油温度 1 3 压缩梳秧向位移 3 l 润滑涌流螽 1 4 压缩机轴瓦温度1 3 2 冷却水流量 l s 驻缩梳樯瓦温度2 3 3 冷郯承温度 1 6 压缩机止推轴承滠度 3 4 汽轮机转速 1 7 驱缩辊入口流爨 3 5 键稽位信号 l s 压缩机入口湿度 3 6 开荧璧( 若干) 压缨机组故障诊断生要以搬勘信号分析处理为主。机组的撇动特性分析，可以 程不蒋极不解俸浆情嚣下对辘器斡故障添嚣、舔健移劣讫疆凄避霉灌确懿瑟，蔗餮 9 ， 大型旋转机械故障预防与诊断鲧统研究 i f 机械故障诊断豹首要手段。在本预防诊断蕉统之中，振动信号仍然是最重爱的机 组健康状态特征量。但是不同于以往敞障诊断系统的是，振铷量不稀是唯一盥孤立 的特，征量，唆将与工藏状态、辅助系统状态结合成特征量向爨。表2 2 列举了系统 主要的监弱僚号。 匿2 3 预防与诊断系统流程图 上图为竣貔与诊鼗系统淀程圈：主要分麓蓊茧肇元、舔缩壤缝、专家系统3 个 模块。在前灏单元j f 口压缩机组模块巾均包含信号采集站与控制执行机构。空心箭头 缝表示工艺滚程：擎线箭头装示蕊专数据滚；鼹线箭头表汞控翻数獾渡。觚蘸重擎 元和压缩机组实时采集的信号进入专家系统模块，经过预处理、预防诊断推理产生 凌繁措藏，黻控裁数据流彩袋下达绘各个撬行梳弱，实现鼓障兹实赡颈陵与诊甄。 1 0 - 大逛理工大学硕士学做论文 嚣2 4 势枣蔑瓣络纯结穗鞫 系统结构采麓劳蠢或窝终讫缝稳；出数据采寨子网，控剿执褥子霹褴捷态魅溯 尚域网构成 1 0 ，1 1 1 。如豳所示。网络上的各现场工作站均能独立完成分布式处瑷具 鸯鼗薄蠢诊巍功熊。慕一蕊煮裳生效薄黠，著不影鹂其它苇熹熬正常工 挈。翅终戆适 应新技术的发殿而扩充溅升级，只需更新相应设铸或将相应设备“挂”强阏上即可， 麓单方便；透过串继嚣、圈鞒、瘸关霉实现网络各段辎、爨类及冥型嬲终翅麴置 联，形成较大的开放性计算机网络系统。就其糯实意义而言分布式网络化预防与 诊赣系统毒与生产过程撩涮系统、生产管理萤惠系统连嬲，镬生产控制、设备扶杰 监测与故障预防诊断、舷产管璃形成闭环一体化，实现整个生产过程的全局最优状 悫安全遮簿。系统构成娥本低，擞规徐格呈下辫趋势，弼络接口集戏发逐渐提蓠， 信号传输电缆数踅减少，建网费用相戍较低。潲时，网络上各羔作站均可实现软、 溪转资源共享，瞧提裹了整个系统煞性能赞摆比。羽络系统具霄裹瘦互联的特性， 支持多用户、辩任务并发执行，可承糕较多的工作负赫。溅点数囊可潋穰多，覆盖 范强丈，对通过网络避霉亍远程诊断，使予通过装享各粪信息实现羚教龄测、集中管 理和综合控制。 大型旋转机械故障预防与诊断系统研究 服务器组运行专家系统软件程序，是系统的核心。主要功能有：系统组态、数 据预处理、征兆提取、智能诊断、诊断解释、趋势分析、历程追忆、事故黑匣子、 启停状态监测、故障档案管理、时域及频域振动分析工具、打印等。 专家系统的数据库分为数据数据库和知识数据库。数据数据库用来存储和处理 机组运行的各种信息，并具有管理和检索功能。数据库中不仅包括设备的机械结构 参数，固有动力特性参数，运行中的快变参数，慢变参数和过程参数等当前数据直 接表示机组当前的状态，还记录机组的各类历史趋势数据，用来表明机组状态变化 的过程。数据库中的数据不是简单的堆积，而是经过预处理、归类、信号压缩和特 征提取再存储起来。许多有关旋转机械故障诊断的知识，都是经验性的知识，目前 尚无理论上足够的依据，本系统采用基于产生式规则的知识库。 此专家系统将综合模糊数学、神经网络的特性，是一种新的故障诊断方法。它 以专家系统诊断法为基本框架，利用模糊数学的模糊性来表达在专家系统中无法以 确定性数据来表达的内容及所推断结论的：利用神经网络的自学习性和联想性，来 学习特定诊断对象的特有特性及所出现的新故障类型，以解决诊断专家系统的知识 表示、知识更新和知识补充问题。因此本系统将具有以不断发展升级的能力。 2 3 小结 根据第一章介绍的故障诊断发展过程我们可以看出：机械故障诊断技术是沿着 有故障到无故障的方向发展的，不断向故障的源头探索。开始阶段针对已 有故障的表现现象诊断故障的位置、时间、原因，得出维修策略，继而研究故障发 生的征兆、跟踪故障的发展恶化过程，确定最佳的维修时机，即经跨入了故障预防 阶段。机械故障诊断技术的发展方向是在线非停机状态下故障消除。那么模拟机械 运行状态的变化，消除机械故障的诱因，保证机械运行在最佳状态，就成为研究的 重点内容。任何机械及零部件都是有寿命的，如何使他们获得最长的寿命? 由此我 们设计了故障预防诊断系统，从故障发生的各个源头着手，消除各种故障发生的直 接诱因，利用充分的提前时间，调控相应的辅助设备，保障机组处于最佳的工作状 态之中，获得最长的健康寿命。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 3 试验系统综述 以上提出了对机械故障诊断的新观点，核心思想是提前对由于工艺条件改变引 起的机械故障做出预警，采取相应措施避免故障的发生。由此需要通过试验系统完 成工质状态与机械性能之间相互关系的确定。初步检验此预防思想的可行性和有效 性。所以我们利用工厂现场设备，以工控机为核心，采用v c 6 0 为编程工具，综合 d a s 技术、d d e 技术、串口通信技术建立了套离心式压缩机试验数据采集系统， 并用m a t l a b 函数库编写了信号处理模块。完成先期数据采集、分析、规律总结。 3 1 试验系统硬件构成 3 1 1 系统总体构成 图3 1 试验系统总成 离心压缩机为实际生产备用机，其装配了热力性能传感器及监测仪表( 入口流 量，入口温度，入口压力，出口温度，出口压力) 和轴瓦温度、润滑油温度、润滑 油压力等传感器及其检测仪表，此外二次装配了轴径向振动传感器及监测仪表 ( b e n t l ，y 3 3 0 0 ) 。数据采集及通讯过程如上图所示：热力性能参数通过热力性能 传感器采集送至p l c ，经过初步处理再送至工业计算机，然后通过r s 2 3 2 串口以数 字信号形式送至试验计算机；压缩机主轴径向振动数据通过b e n t l y 3 3 0 08 m m 传 感器采集送至b e n t l y 3 3 0 0 监测器，再经d a s 研华p c l 一1 8 0 0 送至试验计算机。 试验计算机安装离心式压缩机机械性能监测系统软件完成数据的采集、处理、分 析、存储等功能。 3 1 2 离心压缩机及其原动机 试验用离心压缩机为沈阳鼓风机厂生产，铭牌参数如下表所示： 一1 3 大型旋转机械故障预防与诊断系统研究 表3 1 压缩机铭牌 名称沈鼓离心鼓风机 型号 g n 2 5 l 一2 出口压力0 6 7 m p a 进口流量 15 0 m 。m i n 原动机功率 2 2 0 k w 进口压力0 0 9 8 m p a主轴转速 2 1 4 0 4 r m i n 进口温度 2 0 临界转速 6 6 0 0 r ，m i n 进口介质 a i r5 2 8 0 0 r m i n 产品编号 2 0 0 0 3 7 8制造日期2 0 0 0 7 3 0 不 试验用离心压缩机的原动机为沈阳电机股份有限公司生产，铭牌参数如下表所 表3 2 电机铭牌 名称三相异步电动机 型号 y k k 3 5 5 - 2 - w 标准编号 1 e y 0 5 0 3 2 4 j t 接线法 y 额定功率 2 2 0 k w 额定功率因数 0 8 7 7 绝缘等级 f 额定电压 6 0 0 0 v 外壳保护等级 1 p 4 4 定额类型 s 额定电流 2 5 3 a 额定转子电流海拔 1 0 0 0 m 额定频率 5 0 h z 转子绕组开路电重量2 4 7 0 k g 压 额定转速 2 9 6 5 r r a i n 出品编号 z 2 0 8 出品日期2 0 0 0 一7 离心压缩机和原动机通过变速箱构成一体。原动机经膜片联轴器与变速箱低速 级相连；离心压缩机主轴与变速箱高速级同轴。 3 1 3 传感器布置方案 由于离心压缩机主轴与变速箱高速级同轴，其主轴为悬臂式，所以径向振动传 感器及轴瓦温度传感器就安装在变速箱高速级轴承处。为进一步明确结构布置，示 意图如下：( 只示意试验监测参数传感器) 一1 4 大连瓒 ：大学颧士学位论文 表3 3 传感器编号名称 编号名称编弩名称编学名称 1 入口流擞 2 入口压力 3 入口温度 4 邂口温度 5 滋日匝力 6 经寓振动3 7 径向振动4 8 径向振动l 9 径向振动2 1 0 辘瓦溢发2 l l 轴瓦温度1 圈3 2 传感器布置方案示意圉 3 1 4b e n t l y 3 3 0 0 b e n t l y 3 3 0 0 8 r a m 涡流传感器系统 1 2 1 4 ，爵戬铡爨梳械斡振动，辅的位嚣残 者机械的其他部分与探头的相对位鼍。它出前置器、探头、和延伸电缆三部分构 成。 b e n t l y 3 3 0 0 $ m m 传感器系统应用电涡流原理测量探头顶部与被测液筒之间的 鼹离。蘸甏器产磐一个低穗率无绫电频率( r f ) 信号，密延 牵毫缆送爨搽头漆都篷 面的线圈上，在探头端部的周围都有这一r f 信号。如果在这一储号的范阐内，没 鸯导体毒孝瓣，瑙释藏到这一范霞肉静靛羹，都会嚣翻探头。如果脊导俸榜籽懿表瓣 接近于探扶顶部，则r f 信号在导体表面会形成小的电涡流。电涡流使得r f 信号有 戆囊臻失。该豢失大小是搿爨测纛靛。导体表蟊鼷离探头矮部越j 氇，其麓藿搂失越 大，传感器系统利用这一能量损失产生一个输出电压。前置器输出电压在很宽的范 1 5 * 大鼙旋转撬藏鼗簿臻防与诊辑系统疆究 疆内与澜豫成线性眈铡关系。b e n t l y 3 3 0 0 系列8 m m 涡流传戆器系统其有2 m m 的 线性测擞范围，可以从距离探头表面约o 2 5 m m 处开始，到距离探头表面约2 2 8 r a m 豹囊亟方。该系统对阖陈静灵敏痰为7 ，8 7 v r a m 。在溺萤阕陈辩，可提供鬻分辨率，系 统在很广的温度范围内都可以保持精度。如果采用热补偿，几乎在所有的机械所处 豹环境都能胃靠运行。 振动探头成对使用，安装猩垂直轴线的同一平面内，一个在垂直方向，一个在 东平方翔，二翥夹角为9 0 4 5 4 ，戢畿把两个探；妥分踊安装在中心线两翻4 5 4 处，两者夹角保持9 0 。本试验系统选用后者。 逶过三芯嚣蔽毫缆覆霹连接蘸置器鞠b e n t l y 3 3 0 0 双逶遂摄动登溺器。驳遵遂 振动监测器可提供完善的、在线的振动监测。该监测器适用于所有型式的旋转及往 复瓠藏。它可以连续溅鬟劳篮撬嚣个竞垒独立涎遭静绞囊援裁，势接受寒鑫嚣令趋 近式位移传感器系统的信号。由于它是一个具有微处理器的监测器，所以可以设置 警告及惩险擐繁点；霹敦送行数字调节；哥戳农渡晶鬓上显示振动售弩熬峰一峰壤 振幅。而我们最需要的是其对倍号的缓冲处理输出功能，两个传感器的输入信号， 郄接缓游处理势送往经手售号输入继惫器模块上器垂静璇予以及整测鼗嚣蠢教瓣羁 轴接头上。我们选用后者连接p c l 一1 8 0 0 。 3 。l 。5a v 脒t 黔鞋p c l l 8 0 0 本试验系统贾求对4 路振动信号长时间、滚续、实时、高速采集，并且根据需 要可能遴行奏l 髅，困j 毙选爨一款褰性戆熬多功貔数据采集卡是卡分重瑟懿。p c l l 8 0 0 数据采集卡是a d v a n t e c h 用于i b mp c a t 和兼容机的内嵌式高速高性能多功能数据 采集卡，逶罴予冬穆控铡系绞。越卡不仅牲戆馕冥，瑟显毫竞耱戆较牟支持，傻雩罨 这种卡成为工业控制和实验室应用的理想选择。其主要性能为： 3 3 0 k h z1 2 搜a o 转换。 1 6 通道单端输入或8 通道麓分输入。 内嵌l k 字繁f i f o 缓弹。 1 6 通道模拟比较器 1 6 位的数字囊输入输出。 在f i f o 方式下传送速率可达3 3 0 k h z 。 奁d m a 方式下传送遮率可达2 0 0 k h z 。 在d m a 方式下1 2 能的模拟惫输出。 可缡程增懿的单双极输入 - 1 6 - 大连理工大学硕士学位论文 配备菜单驱动软件包 要使p c l 一1 8 0 0 采集卡正常工作，首先需要对其进行硬件配置。这主要通过2 个 功能开关和4 个跳线完成。如下表所示： 表3 4 采集卡配置 选项硬件编号试验系统选择 通道配置，单端或差分 s w l 差分输入 基址选择 s w 23 0 0 3 1 f 内部参考电压，- i o v 或- 5 v3 p i - 5 v 触发和g a t e o 选择j p 2d i o ，d 1 2 d f l a 参考电压，i n t e x tj p 3 ，j p 4i n t ( 内部) 本试验系统主要应用采集卡的采样和a d 转换功能，该过程的基本步骤为： 1 ) 初始化。即进行数据采集板的基址设置，大多数p c 外设和接口板由i o 口地址 控制，这些设备由i o 进行寻址。p c l _ 1 8 0 0 需要3 2 个连续地址，可用的地址从 0 0 0 h 至3 f o h ，然而其中有些地址可能已被其它外设所占用。所以必须根据外设地址 占用情况合理选择基地址( 基地值的缺省值是3 0 0 h ) 。软件中设定的基址要与数据 采集板p c l 一1 8 0 0 硬件开关设置的基址相符，否则不可能对p c l - 1 8 0 0 寻址控制。 2 ) 设定a d 转换模拟量输入范围。 3 ) 设定多路扫描通道号。 4 ) 设定a d 触发方式。p c l 一1 8 0 0 数据采集板支持三种触发方式：软件触发、可编 程定时触发、外部脉冲触发。考虑本系统的实际情况，软件触发不易精确控制，不 适于高速a d 转换。外部脉冲触发适于条件式的a d 转换而不适于周期性的a d 转 换。p c l _ 1 8 0 0 板上的i n t e l8 2 5 4 可编程内部定时计数器可用来产生定时触发脉冲 来触发a d 转换。定时触发精确，可控。因此非常适于高速的采集系统。本系统的 触发方式定为可编程定时触发方式。 5 ) 执行多路a d 转换。由于是对多路信号进行采集，因此前一路通道采集结束应 该触发下一通道的a d 转换，如此循环往复不断进行。本系统中每2 个通道设定为 一个循环。 6 ) 数据传送。p c l 一1 8 0 0 提供4 种方式传送a d 转换数据：软件缓冲池，中断， d m a ，f i f o 。本系统选择第一种方式，速率为1 6 k h z ，满足系统需要。 1 7 大型旋转机械故障预防与诊断系统研究 在硬件的组装上还采用了a d v a n t e c h 配套的p c l d 8 8 0 工业端子板，它是一 个用于现场信号线连接的通用螺丝端子板。通过2 0 针的扁平电缆或3 7 针d 型接头 电缆，它能够连接各种p c l a b c a r d s 的模拟和数字端口。在端子板上增添适当的 电阻、电容可以很容易地实现低通滤波、降压、分流功能。在本系统中应用3 7 针d 型接头电缆连接。 3 1 6 串口通信 监测计算机串口终端+ 连接电缆+ 试验计算机串口终端。通过一条9 孔对9 针的 d b 9 接头的连接电缆连接工业计算机和试验计算机的串口接口实现数字信号采集系 统的硬件连接。此数字串口采集系统完成2 个压缩机主轴轴瓦温度、压缩机入口温 度、入口压力、入口流量、出口温度、出口压力、润滑油压力信号的采集。 采集系统应用r s 2 3 2 串行数据接口标准。目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应 用最广泛的一种串行接口。它被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单 端标准 1 5 1 。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号 是相对于信号地。典型的r s 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端 驱动器输出正电平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在5 1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为 t t l ，从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 2 3 2 电平再返回r r l 电 平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与3 1 2 v 。由于发送电平与接收电平的差 仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送 距离晟大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发 设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。所以r s 一2 3 2 适合本地设备之间的 通信。 3 2 试验系统软件技术 3 2 1 软件功能介绍 整套系统在v i s u a lc + + 6 0 环境下开发，具有数据采集、数据存储、现场监 测、信号分析等多项功能，把t l a b 数学函数库接口和d a q 高速实时采样技术以及 r s 2 3 2 串口通信技术融于一体，实现了系统高速的开发模式以及稳定、高效的工作 性能 1 6 。具体功能模块图如下所示： 1 8 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 软件模块图 下面将按照软件应用过程对软件进行简要说明。 图3 4 软件主界面 主界面由5 个部分组成：a 为热力性能监测模块；b 为串口数据显示模块：c 为 振动数据棒图显示模块；d 为振动、轴瓦温度连续显示模块；e 为系统控制模块。 首先单击系统控制模块中的参数设置按钮，弹出参数设置对话框。在这里 对振动信号衰减系数、灵敏度、振动上下限报警设置。在c 区设置量程编辑框 中可以随时改变绘图坐标比例。 1 9 大型旋转机械敞障预防与诊断系统研究 图3 5 参数设置对话框 兜成初始参数设置之后，单击系统控制模块中的启动串口采集和启动振 动采爨按镶，出袋确定提示对话框，褥次摹毒按锤露关翔采寨，圈样会先窭 现确定提示对话框。成功启动厨，在a b c d 各个模块中照示相成图形。假并不保 存经餐数摆+ 阐3 6 确定提示 程系统控制模块中选定试验种类( 变流囊试验；变压力试验) 厝，单击启动 保存按钮，系统将以系统时间和数据类型代号为文件名建立文本文 牛，保存各项 采集数据，色括主辅振动的垂个峰峰值数据，压缩机进口流誊、温度、压力等热力 性能数据。文本内设置的格斌为：第一行保存采样频率，第二行保存当前联缩机的 入口流量、漩度、聪力，第三行开始连续保存数据。