（机械制造及其自动化专业论文）旋转机械监控保护系统框架组态及监视软件开发.pdf

中文摘要 旋转机械监控保护系统框架组态及监视软件开发 研究生姓名；缪昌国 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 随着现代工业的快速发展，在现代工业生产中，设备越来越趋于复杂化，对设备进行状态监测是保 证设备安全的有效保证。本文结合现代科技的最新的人工智能技术和嵌入式微处理器技术，研制了应用 于旋转机械的监控保护系统的框架组态软件及监视软件。 首先，对框架组态软件进行了总体结构设计，该软件将采集模块分为多个功能模块，组态软件用于 对系统资源进行配置，以及采样参数、数据库设置，生成的配置文件通过r s 2 3 2 4 8 5 总线下载到相应的 功能模块中。 其次，研制了嵌入式图形监视软件，该软件主要由传输模块、处理模块和显示模块组成，传输模块 用于从通讯管理模块中获取瞬态数据；处理模块用于特征数据提取；显示模块能够同时对4 个测点进行 实时显示，能够进行多种方式显示，包括：时域波形、频谱图、轴线轨迹、轴心位置、有效值趋势、峰 峰值趋势、特征频率趋势、棒图、列表、峭度等。 再次，对嵌入式系统平台定制进行了研究，平台采用w i n d o w sc e n e t 嵌入式实时操作系统，该实 时性强，系统具有可裁剪性，合理定制平台对于系统性能的影响至为重要。 最后，给出了框架组态软件和嵌入式图形软件实现流程，并将实现的系统平台应用于齿轮箱的振动 数据采集中，取得了良好的实际应用效果。 关键词：旋转机械，状态监测，w i n d o w sc e ，框架组态，a r m 国家高技术研究发展计划资助( 2 0 0 7 a a 0 4 z a 2 1 ) 英文摘要 d e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o nf r a m e w o r ka n dc o n d i t i o nm o n i t o r i n g s o f t w a r ef o rr o t a t i n gm a c h i n e r ym o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e m b ym i a oc h a n g - g u o s u p e r v i s e db yp r o f j i am i n p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e s ，i nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，e q u i p m e n tt e n d e dt o c o m p l i c a t e ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n gi sae f f e c t i v ew a yt oe n s u r ee q u i p m e n ts a f e i nt h i sp a p e r ，f r a m e w o r ks o f t w a r e a n dm o n i t o r i n gs o f t w a r eu s e di nac o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o n s y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r yi s d e v e l o p e dc o m b i n e dw i t ht h en e w e s tt e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n de m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ef r a m e w o r kc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei ss t u d i e d t h es o f t w a r ei su s e df o r c o n f i g u r a t i o no fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n ds e x i n gs a m p l i n gp a r a m e t e r sa n dt h ed a t a b a s e c o n f i g u r a t i o n f i l ec a l lb ed o w n l o a d e dt ot h ec o m m u n i c a t i o n sa n dm a n a g e m e n tm o d u l eb yr s 2 3 2 4 8 5b u s s e c o n d l y ，e m b e d d e dm o n i t o r i n gs o f t w a r ei ss t u d i e d ，w h i c hi s c o n s i s to ft r a n s m i s s i o nm o d u l e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d u l ea n dg r a p h i c sd i s p l a ym o d u l e s t r a n s m i s s i o nm o d u l eg e t sf i e l dd a t ef r o mc o m m u n i c a t i o n sa n d m a n a g e m e n tm o d u l e p r o c e s s i n gm o d u l ee x t r a c t st h ec h a r a c t e r i s t i c sd a t a g r a p h i c sd i s p l a ym o d u l ec a nm o n i t o r f o u rt e s t sa tt h es a n l et i m e ，a n di th a sm a n yv i e wt y p e ，s u c ha s ：t i m e w a v ev i e w ，f f tv i e w , b a rv i e w , l i s tv i e w ， f r e q u e n c yt r e n d s ，p e a k - t o p e a kt r e n d ，r m st r e n d ，a x i s - p o s i t i o nv i e w , a x i s - t r a c kv i e w , k u r t o s i sv i e w t h i r d l y , c u s t o m i z a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m sp l a t f o r mi sr e s e a r c h e d i nt h i ss y s t e mw i n d o w sc e n e t i su s e d ， w h i c hh a ss t r o n gr e a l - t i m e ，a n dt h es y s t e mc a nb ec u t i ti sv e r yi m p o r t a n c ef o rt h ep r o p e r t i e so ft h es y s t e mt o c u s t o mp l a t f o r m s p e c i f i cr e a s o n a b l e f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no ft h ef r a m e w o r kc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dt h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei si n t r o d u c e di n t h ep a p e r , a n dt h es y s t e mi sa p p l i e dt og e a r b o xc o n d i t i o nm o n i t o r i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep l a t f o r mi sf e a s i b l e a n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y , c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，w i n d o w sc e ，c o n f i g u r a t i o nf r a m e w o r k , a r m s u p p o r t e db yn a t i o n a lh i - t e c hr e 锄c hd e v e l o p m e n tp l a n ( 2 0 0 7 a a 0 4 z a 2 1 ) i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 岬钆17 i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括干0 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 导师签名： 日期：如7 多， 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产中机械设备趋于复杂化、大型化、自动化、高速化及智能 化，为了保证设备安全平稳运行，对设备进行状态监测显得十分重要【1 。2 1 。 旋转机械在现代工业生产中极为常见，应用领域包括：电力、冶金、石化、动力等重要工业部门。 旋转机械的转速一般都比较高( 每分钟3 0 0 0 转到几万转) ，如汽轮机、压缩机、轧钢机、大型电机、风 机等，其工况反映了机器设备的运行状态，一旦发生故障，不仅对机器设备造成损坏，并且会影响后续 生产，严重时会导致机毁人亡，对国民经济造成巨大损失，甚至对环境造成灾难性的毁坏。2 0 0 8 年美国 佛罗里达州电力设备发生故障导致两座核反应堆关闭，交通信号灯熄灭，电梯停下，停电影响到的人数 超过4 0 0 万人。2 0 0 5 年吉林一家石化企业胺车间发生剧烈爆炸，共造成5 人死亡，1 人失踪，近 3 0 人受伤，1 0 0 吨苯类污染物进入松花江水体。这些都由于设备的不正常作业导致的。这就要求企业投 入一定的资金用于对运行设备进行状态监测，这样才能发现潜在的故障，并及时排除隐患，能够大大减 少了企业用于设备损坏的维修费用，及停工引起的损失。据英国某研究机构调查，对大型发电机组进行 状态监测获利投入比例为1 7 ：1 ，因此状态监测不仅是安全生产所必须的，更具有现实的经济价值1 3 一。 状态监测技术日益获得重视与发展的另一个重要原因是能改革维修体制。当前，国内外对机械设备 主要采用计划维修，定期停工对设备进行检修，在许多场合下，这是非常不合理的，对不该修的设备修 了，不仅费时费钱，甚至会降低设备工作性能，而需要修理的设备又没修，不仅降低设备寿命，而且导 致事故。 随着计算机技术、通讯技术、电子技术及自动控制技术的迅速发展，利用各种新型的传感器，以计 算机为平台对旋转机械进行在线状态监测已经成为一个重要的发展趋势。国内开发的监测系统火多是针 对某一个特定的对象进行的，系统比较封闭，系统柔性不足，并且数据不具有通用性，一旦对象发生改 动，整个系统就要重新设计，这样造成工作重复，并且软件的可靠性不高，不利于系统的维护。本课题 通过开发框架组态软件和嵌入式实时图形监视软件，使系统的柔性和通用性得到了大幅度的提高【孓7 。 1 2 课题研究基础 1 2 1 状态监测保护系统的发展现状与趋势 旋转机械状态监测系统主要监测反映旋转机械状态的转子振动、机壳振动、齿轮箱振动、轴承差胀、 轴向位移及过程参数( 温度、压力、流量) 等，进行信号的采集和信号处理，获取机组当前运行状态和特 征值。 美国是最早从事于旋转机械状态监测研究的国家，早在1 9 6 7 年，在宇航局的倡导下，就成立了机械故 障预防小组。现今美国有大量的著名公司从事于该领域的研究，并开发了许多有效的状态监测系统，其应 用领域涉及汽车、石化、石油、电气设备、航空、发电机组、炼钢设备等 s 9 1 。 美国g e 公司近几年推出了t r e n d m a s t e r p r o 系统，t r e n d m a s t e r p r o 系统具有的创新总线结构是该产 l 东南大学硕士学位论文 品最关键的特征，该结构将成百个永久性安装的传感器和测量点连接到一个单一线缆传感器网络中，并将 测量数据输入该公司研发i 拘s y s t e ml 软件。该系统与传统的连续监测系统相比，不但可以显著降低配线 费用，并且系统每隔几分钟就会对单独的测量点进行扫描，能够提供准连续性状态监测数据。 2 0 0 4 年g e 公司推出了a d r e s p 便携式机械故障诊断系统，该系统代表了g e 公司最先进的高转速、 多通道的便携式数据采集解决方案。a d r e 固8 x p 最多可以同时进行1 2 8 个通道的数据采集。a d r e 系统适 用于要求过程、旋转和往复机械测量的任何行业，如航空航天、运输、通用制造业、发电、石化和汽车行 业掣1 们。 美国艾默生公司先后推出了c s i4 5 0 0 ，c s i6 0 0 0 状态监测系统，c s i4 5 0 0 又分为c s i4 5 0 0 m 、c s i4 5 0 0 t 、 c s i4 5 0 0 m s 、c s i4 5 0 0 q ，c s l4 5 0 0 m t 监测系统应用于电力、石化、石油行业，c s i4 5 0 0 m t 最多可配置 3 2 个传感器输入通道，1 6 个转速输入通道和1 6 个继电输入输出通道，c s i4 5 0 0 m s 可以配置1 2 个信号通道、2 个转速通道和2 个继电通道。c s i4 5 0 0 q 是防爆型型号，功能与c s i4 5 0 0 m 相同。c s i6 0 0 0 状态监测系统集 成了o v a t i o n 和d e l t a v t m 过程控制系统，是a m s 设备管理平台的组成部分，c s i6 0 0 0 适用与电厂汽轮机、 工业燃气轮机、水轮机、离心压缩机、螺杆压缩机，以及风机、泵、齿轮箱和电机设备，该系统通过集成 化的实时振动监测和集成的过程监控，能够优化设备性能和生产过程。2 0 0 9 年1 月1 9 日，艾默生公司又推 出了c s i6 5 0 0 在线保护及分析系统，c s i6 5 0 0 允许用户将c s i6 0 0 0 保护系统中的所有模块与新的预测分析 系统模块集成到同一个框架内，形成一个完整的在线监测系统，同时c s i6 5 0 0 扩展了a m s s u i t e 诊断软件， 能够帮助用户在工厂设备缺陷发展成为严重故障之前发现它们。为了更好的利用c s i6 5 0 0 做出实时决策， a m s s u i t e 提供了一个简单的图形化界面，显示内容包括了过程参数、保护系统参数、预测分析系统参数 及设备性能参数j 。 丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统，主要功能有：自动谱比较并进行故障预警报警，对6 和 2 3 恒百分比带宽谱进行速度补偿，幅值增长趋势图显示，三维谱图显示，振动总均方根值计算，并能 够支持局域网。 与国外相比，国内对于状态监测技术起步相对较晚，但是得到了快速的发展。自上世纪八十年代以 来，设备状态监测开始受到国内一些大型企业得重视，借助于高校和研究所的科研力量对故障机理进行 了深入的探索和研究并开发出一系列状态监测系统。 哈尔滨工业大学研制成功的3 m d 大型旋转机械状态监测、分析与故障诊断网络系统，该系统能够 自动采集、记录和分析与设备安全运行有关的振动参数与工艺参数，使机组操作人员快速准确地把握机 组工作状态、运行效率、预测和诊断机组各种常见故障。该系统对降低设备故障等、防止重大事故发生、 延长设备使用寿命和实行状态维修起到了十分有意义的作用。 东南大学自1 9 9 0 年以来研制了m f d 系列工况监视与故障诊断系统，其主要功能包括数据高速采集 和在线显示、数据管理和分析等功能，已在国内多家石化、电力、冶金企业使用，取得了较好的经济效 益和社会效益。 随着各种新技术在状态监测与分析系统上的大量应用，状态监测与分析系统在结构和功能上有了许 多新的发展。 1 ) 框架是当前状态监测系统开发的最新设计方法，由于监测系统结构复杂，监测对象不再是固定的 某一对象，为了使系统能够具有普遍意义，同时避免系统“监测过度”或者“监测不足”，要求系统在功 能上可以能够具有组合特性，结构上可以裁剪或者扩充。因此就需要开发具有强大的组合配置功能的框 架组态软件，最近艾默生公司推出的c s i6 5 0 0 监控系统充分体现了框架设计的思想1 1 2 - 1 3 j 。 2 ) 嵌入式微处理器技术的飞速发展，使得嵌入式系统能够具备强大的状态监测功能。嵌入式系统越 来越多地用于在线状态监测，一般大多是在通用型的嵌入式实时操作系统上( 如w i n d o w sc e 、u c o s i i 、 2 第1 章绪论 l i n u x 、v x w o r k s 等) 开发实时状态监测系统，这些操作系统能运行在各种不同的处理器上，具有强大的功 能，例如具备了文件和目录管理、多任务、设备驱动支持、网络支持、图形用户视图以及用户界面等功能。 3 ) 在线监测今后的发展趋势还是围绕多传感器信息融合技术、在线实时故障诊断防范、故障监测及 分离为核心的容错控制与监控技术、可信性系统研究等等。 1 2 2 组态软件发展现状及趋势 随着工业自动化水平的迅速提高和计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越 高。尤其是计算机技术一直保持着快速的发展，各种软硬件技术也已趋于成熟，软硬件资源丰富并且接 口趋于统一，将计算机技术应用与工业控制领域将会降低生产成本，提高控制水平。组态软件在这样的背 景下发展起来的。 “组态”的发展是随着分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的出现才被工程技术人员 所熟知的。组态的概念首先是来自英文c o n f i g u r a t i o n ，其主要含义是通过软件工具对计算机及软件的各种资 源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的【1 4 。1 7 1 。 目前常见的组态软件有美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、i n t e l l u t i o n 公司的f l x 系统、德国两门子公司的 w i n c c 、亚控公司的k i n gv i e w 组态王、三维公司的力控等组态软件，这些组态软件功能类似，从功能上来 看这些组态软件所都具有以下几个方面的特性： 1 ) 图形组态 绝大多数的组态软件都是以微软公司的w i n d o w s 平台为基础的，利用了w i n d o w s 平台所具备的强大功 能，软件界面友好，操作简单，易于学习，使工程技术人员可以快捷地绘制出系统的结构及控制流程，开 发出的系统界面生动直观。 2 ) 开放式结构 组态软件可以支持多种通讯协议，支持大量的通讯设备和外围硬件，可以对底层采集模块进行通讯， 也能够与管理层进行通讯。现有的组态软件大多是通过o d b c 将数据导出到外部数据库中，以供其他系统 调用。 3 ) 脚本功能 现在的组态软件大多都支持脚本语言，具体的实现方式有三种类型：一是内置的类c b a s i c 语言，二是 采用m i c r o s o f tv b a 的编程语言，三是采用面向对象的脚本语言。类c b a s i c 语言要求用户使用类似高级语 言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。但是这种方式对脚本的支持不是很 完善，它要求用户编写程序，使用系统提供的函数组合完成系统功能。v b a 语言将组态系统中的对象以组 件的方式加以实现，使用v b a 的程序对这些对象进行访问，但是v b a 的语法错误只有在执行的时候才能被 发现。面向对象的脚本语言提供了对象的访问机制，对系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问，比 较容易掌握和扩展，但是程序的实现则相对比较复杂。 4 ) 丰富的功能模块 组态软件以模块形式挂接在基本模块上，互相独立提高了系统可靠性和可扩展性。利用各种功能模块 能够完成系统结构、功能、图形监测和数据库的组态。 5 ) 强大的数据库 组态软件均有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。负责整个应用系统的 实时数据处理、历史数据存储、报警处理，完成与过程的双向数据通讯【1 8 - 2 2 1 。 现今的组态软件大多是由不同的d c s 厂商开发的，在软件设计风格，软件的功能，通用性方面存在 3 东南大学硕上学位论文 很多不足，原因主要有一下几点：1 软件由非专业公司完成，设计风格不一致，2 厂商之间存在技术保密， 接口不一致，3 系统功能特殊性，功能各有长短。随着监测组态技术的发展，组态软件将在跨平台支持， 功能规范性以及组件通用性方面进一步发展。 当前组态技术在组态的方式和组态的环境也在一步一步的演变，组态的方式更加方便和形象化，组 态的环境也越来越便于人机对话。目前，比较常用的控制组态方法有以下几种：一是功能框表填充法， 二是组态语言描述法，三是图形组态法。 1 ) 功能框表填充法 功能框表填充法是大型集散控制系统常用的组态方式，同时也是一种常用的控制算法组态方式。使 用这种方法进行组态时，首先要知道控制系统需要哪些功能模块以及如何进行连接。然后填写一张组态 表格以便输入控制器。组态的过程是先对所有输入点进行定义组态，其次是对每一个控制同路进行组态， 最后对每一个输出点进行组态。采用这种组态方式的组态软件有a b b 公司的n e t w o r k 9 0 系统， h o n e y w e l l 公司的t d c 3 0 0 0 系统。 功能框表填充法是一种比较基本的组态，既可以进行系统配置组态，又可以进行控制组态。其特点 就是简单明了、易懂易学。但是这种组态方法有很大的缺点，用它进行控制组态时不直观、不灵活。 2 ) 组态语言描述法 许多集散控制系统都提供了专门的组态语言，供用户完成控制组态，国内的组态软件大部分采用了 这种方式。组态语言的基本元素是语句，形式上与高级语言类似，但它的针对性强，除具有一般的算术、 逻辑运算、函数和程序控语句之外，还有一些语句直接对工业控制设备、执行机构进行操作。 用组态语言实现控制组态，可以使组态很灵活，能完成比较复杂的控制组态，但同时组态语言具有 不直观，使用不方便等缺点。 3 ) 图形组态法 图形组态法借助于形象易懂的图形界面，方便、快捷的操作手段，能非常容易地生成一套控制策略。 这种组态方式有“所见即所得”的特点，各模块之间的关系在屏幕上一目了然，便于检测错误。 鉴于系统设计要求和系统设计周期，使用图形组态方法比较简单，并且是以后组态发展的趋势，能够 更便于工程技术人员掌握，所以采用图形组态的方法。 本课题中开发组态软件与传统意义上的组态软件有一定的差别。传统的组态软件更像是一个图形化的 系统编辑软件，集中了系统中所有的功能，包括监测，采集，数据库管理，图形监测等，针对的系统结构 一般都比较简单，功能比较单一，不适合复杂系统的监测。目前用于状态监测的组态软件具有传统组态软 件的一般特性，也是通过图形化编辑来搭建系统，但是组态软件更偏向于系统的配置功能，对系统的功能， 数据库，报警，监测方式等进行组态，然后导出系统的配置信息，提供给系统中别的相关软件使用，与传 统的组态软件相比功能单一化，但是在系统信息组态方面加强，能够表达出更加复杂的系统，并且对软件 的维护和升级都有帮助。 1 2 3 嵌入式系统发展及其应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，并且软件和硬件可以裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外同硬 件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视和管理。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高，功能强大，性价比高，实时性强，支持多任 务，占用空间小，效率高，面向特定应用，可根据需要灵活定制【2 3 - 2 8 1 。 4 第l 章绪论 嵌入式系统应用广泛，已被广泛应用于移动计算平台( p d a 、掌上计算机) ，智能家电( 数字电视、机 顶盒、网络设备) ，通信设备( 智能手机) ，娱乐设备( m p 4 ) ，甚至军事应用等诸多领域。在状态监测领域 也同样可以使用嵌入式系统，其功能强大，价格合理，表现稳定，将促进状态监测和智能诊断的重大改革， 使用前景相当广酣2 8 - 3 2 1 。 目前使用比较广泛的嵌入式处理器架构有x 8 6 、a r m 、m i p s 、s p a r c 等，其中，a r m 处理器是当前 使用最为流行的嵌入式微处理器，目前a r m 处理器在手持设备市场上占有9 0 的份额【3 3 1 。 将嵌入式系统应用于工业控制领域主要基于嵌入式系统如下几个特点： 1 ) 嵌入式操作系统都是实时操作系统，使用比较多的有v x w o r k s 、l i n u x 、w i n d o w sc e 、q n x 、p a l mo s 等，这些嵌入式操作系统的最大延时时间都是微秒级的，实时性对工业控制领域相当重要。 2 ) 嵌入式系统硬件和软件可以裁剪，大大提高系统资源使用效率，相对于传统的p c 机控制，更具有 价格优势。 3 ) 嵌入式系统高度集成，性能稳定，结构相对于传统的控制系统，体积紧凑，功耗低，功能模块化， 系统更加稳定，能够应用在更为广泛的领域。 国外将嵌入式技术应用于状态监测领域已经取得了很大的成功，并且开发了许多成功的产品，例如 r o c k w e l l 的e n p a c 2 5 0 0 系统，该系统采用w i n d o w sc e 嵌入式实时操作系统；艾默生公司的c s i2 1 3 0 系统：瑞 典s k f 公司的p r o l o gi i l 系统p 5 1 。 本课题中图形监视系统采用嵌入式实时操作系统w i n d o w sc e n e t ，硬件平台选择为a r m 9 t 控开发 板，基于对w i n d o w s 桌面版操作系统的熟悉，有利于对w i n d o w sc e n e t 平台下应用软件的开发，强大的开 发工具，众多的支持厂商为该监视系统的推广提供了有利的条件。 1 3 本课题的提出 本实验室一直致力于旋转机械状态监测领域的研究，经过多年的研究也相继开发出一系列m f d 产 品，并已经成功应用于多个工业现场，取得了良好的经济和社会效益，但是还存在不少需要改善的地方， 主要有一下几个方面： 1 ) 系统的通用性不好，当需要监测一个新的对象时，程序源代码需要进行很大的改动才能应用于 实际中，这样不仅浪费了大量的人力，也造成了系统的不稳定，容易导致系统崩溃，更不利于对系统进 行维护和更新。 2 ) 系统的实时性不强，这个与系统的开发平台相关，早期的监控系统是基于w i n d o w sn t 操作系 统，该系统为非实时操作系统，是由分时操作系统发展而来的，其特点是尽量缩短系统的平均响应时间 并提高系统的吞吐率，在单位时间内为尽可能多的用户请求提供服务。 3 ) 原先的监测软件中采用了轮询的方式，不断查询数据状态，导致了系统资源严重浪费。 针对于以上的问题，本课题涉及的旋转机械智能监控保护系统在保持传统的监控保护系统已有功能 的基础上，结合现代科技的最新发展，采用分布式人工智能技术、嵌入式微处理器技术、d s p 技术以及 计算机网络技术开发的新一代智能化、模块化、组态化旋转机械监测保护组合仪表。 本课题在系统设计上，做到了模块化、小型化、网络化，增强了开放性、可扩展性和灵活性，能够降 低成本。系统组态配置，通过设置各种配置参数和运行参数，包括通道配置信息、通道报警值、报警方式、 报警延时、报警逻辑、采样参数、数据存储管理参数以及不同功能模块的特定参数等，使得可以根据不同 的硬件要求搭建相应的系统。良好的软件操作界面，实时嵌入式操作系统，提升机组状态监测的整体技术 含量和水平。 5 东南大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本论文通过对国内外状态监测和故障诊断技术的研究与分析，在为某企业开发的旋转机械监控保护 系统项目的基础上，研究和设计了一种更加通用和模块化的状态监测系统。本论文的研究内容归纳为以 下几点。 1 ) 框架组态软件及监视软件结构设计 本文的第2 章主要介绍框架组态软件和图形监视软件设计，在框架组态软件设计部分，并对框架组 态软件中各个功能模块的设计和组态文件的设计进行了阐述，在图形监视软件设计部分，又对数据处理 模块和图形显示模块进行了结构设计。 2 ) 嵌入式在线图形监测软件平台定制 本文第3 章研究了嵌入式图形在线监控软件的系统开发平台定制，以及通讯部分的设计，其中平台 定制部分包括了特定模拟器的开发，b s p 包更新及图形监视系统平台定制，通讯设计部分包括实时数据 传输网口通讯及用于组态下载和更新的串口通讯设计。 3 ) 系统的实现与应用 本文的第4 章分为两个部分，首先研究了离线组态软件的实现，并给出了部分界面，然后研究了图 形监视软件的实现，并对该图形监视软件的功能进行说明，最后将组态软件和图形监视软件应用于齿轮 箱振动数据采集，对其运行状态进行振动监测，最后对监测数据进行了分析。 6 第2 章框架组态软件及监视软件总体结构设计 第2 章框架组态软件及监视软件总体结构设计 组态的含义是使用软件工具对计算机及软件进行资源配置，达到使计算机或者软件按照预先设置， 执行某种特定的任务，满足使用者要求的目的。组态软件为工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式 制作现场控制过程和控制策略的工具。 框架组态软件用于对监控系统的系统资源进行配置，通过在框架中插入图形化功能模块，达到对特 定系统的设置，提升系统柔性。 2 1 系统框架组态软件总体设计 2 1 1 框架组态软件总体结构设计 状态监控系统具有多个功能模块，不同的模块根据选择监测功能的不同，可以对不同的物理量进行 监测，这就需要框架组态软件具有强大的组态能力，能够根据具体系统配置资源，通过组态软件将系统 表达出来。组态软件的主要功能为通过图形化的方式，正确表达出监控系统资源配置信息。 图2 1 系统框架组态流程 7 查堕奎堂堡圭堂垡丝壅 利用组态配置软件，能够根据用户需要动态搭建监测系统，在p c 机上运行组态配置软件，框架组 态软件调用系统功能模块库中的模块，将模块添加入系统，并从信息文件中读取默认参数，对已经添加 的模块的默认参数进行重新设置，设置完成后，生成系统配置信息文件，然后通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 将配置 文件传给通讯管理模块，通讯管理模块再通过串口将配置信息分别传给底层相应的采集板卡，其根据配 置文件，进行数据采集，其流程如图2 1 所示。 系统功能模块库中的模块及其功能如表2 1 所示： 表2 1 系统各功能模块 监视软件中通讯管理模块是必须的，其余模块为可选模块，系统的第一个槽位置固定设置为通讯管 理模块。 框架组态软件结构如图2 2 所示，用户操作组态框架软件，首先从信息文件中读取默认的通道配置 参数，信息文件有两个：c o n f i g i n f 和d e f a u l t i n f , c o n f i g i n f 用于存放通道的功能、通道量程、传感器类 型等等信息，d e f a u l t i n f 用于保存各个模块的通讯配置参数、采样参数、通道配置参数和默认报警、危险 上下限。系统通过这样的方式大大提升系统的可扩展性，当系统中的参数有变动时，只需要修改这两个 信息文件即可，而不需要对程序代码做任何修改，所有的默认参数都是通过外部信息文件读取进来。当 系统搭建完成，最终可以导出配置信息文件( 冰) 。 2 1 2 框架组态软件各模块详细设计 图2 2 框架组态软件结构 在下面将以通讯管理模块和位移速度力口速度模块为例，介绍模块参数设计过程，并对模块参数作 用进行说明。 3 第2 章框架组态软件及监视软件总体结构设计 1 ) 通讯管理模块详细设计 通信管理模块实现整个监控保护系统的维护和管理、采集数据的存储管理以及常见故障的在线诊 断。 通讯管理模块的主要功能为数据通讯、数据管理与采样控制，需要根据这些功能对该模块设定相应 的参数。因此，通讯管理模块主要设置的参数包括系统采样参数，数据管理参数，及系统通讯参数。 系统采样参数包括了稳速状态与起停状态下采样参数，及一些默认值，监测对象运行状态主要分为 稳速状态和起停状态，稳速状态即系统平稳运行时的状态，监测对象的转速一般在预定转速附近；起停 状态主要发生在系统刚开机时的升速状态或者系统停机后的降速状态，参数如表2 2 所示： 表2 2 系统采样参数设置 通讯管理模块需要利用c a n 总线获取其余模块所采集的瞬时数据以及处理后的特征数据，利用 r s 4 8 5 总线实现组态配置信息下载、更新和模块的维护与管理，通讯模块还要通过以太网口将瞬时数据 和特征数据上传给上层显示系统。 因此，模块通讯设置参数部分主要包括了串口通讯参数、网口通讯参数及c a n 总线通讯参数，通 讯管理模块分别有c a n 总线，串口和两路网口，具体参数包括：c a n 总线波特率及i d ， r s 2 3 2 4 8 5 总线波特率及i d ，两路网口i p 地址及网关。 数据管理部分主要是对各种数据保存组数及保存间隔进行设置，根据设定的数据组数保存各种数据， 用于进行离线状态分析，具体包括了报警数据，短期趋势数据，长期趋势数据，危险数据，当前数据及 历史数据。 2 ) 位移速度力口速度模块详细设计 振动位移速度伽速度监控模块集成4 通道振动位移，速度，加速度等信号的调理和测量功能，通过 d s p 控制同步采样a d 芯片实现4 通道振动信号的同步采样，并计算振动特征量，包括峰峰值、有效值、 分频( o 5 x 、l x 、2 x 等) 幅值及相位等。 位移速度力速度模块与框架中其余功能模块的通讯都需要通过通讯管理模块作为中转，位移速度 加速度模块通过c a n 总线与通讯管理模块之间进行瞬态数据和特征数据的传输，以及通过r s 4 8 5 总线 进行模块信息的下载和更新。 9 东南大学硕士学位论文 模块参数主要包括了该模块与外部分通讯参数及测点功能设置，参数如表2 - 3 所示： 表2 3 系统通讯参数设置 在系统配置有键相模块时，振动位移速度力口速度监控模块在键相模块输出的采样启动及采样脉冲 信号控制下实现多个模块的同步采样；而当系统无键相模块时，若存在转速监控模块则由其输出的采样 启动及采样脉冲信号同步采样，否则，由其中的一块振动位移速度力口速度监控模块( 由组态确定) 自 行产生采样启动及采样脉冲信号控制同步采样。系统采样标志就是用于设置是否由该振动位移速度n 速度板卡触发采样。 通道设置参数用于对通道的状态进行控制，其中主要的包括通道报警状态控制，通道o k 模式控制， 安全栅，旁路设置等等，主要的状态参数如表2 4 所示： 1 0 第2 章框架组态软件及监视软件总体结构设计 表2 4 通道控制参数设置 当系统中外接标准传感器时，就不需要对该传感器进行校正，对于非标准传感器，通过分段线性校 正的方法能够减小系统的监测误差，提高系统精度。 3 ) 其余模块设计 轴向位移差胀模块基本功能与振动位移速度力日速度监控模块的功能类似。振动数据也是通过c a n 总线传输，组态更新与系统维护则通过r s 4 8 5 实现。 轴向位移差胀模块参数和位移速度加速度模块参数设置类似，该模块的主要功能包括轴向位移和 差胀监测。 该模块跟位移速度n 速度模块不同的是传感器的安装，该模块中不会对同一个测量点在不同角度 下安装两个传感器，例如轴向位移监测，只要在轴端安装一个位移传感器。 该模块主要是进行位移量的监测，位移速度，力口速度模块也能够实现轴向位移的功能。 采集的转速也可通过c a n 总线或r s 4 8 5 总线传送给通信管理模块。每套系统可同时插入3 块转速 监控模块，以实现转速三取二超速保护功能。 键相模块实现2 通道键相信号的采集，并对键相信号实现锁相倍频以提供振动信号整周期同步采集 所需的采样触发信号。此外，转速键相模块在无转速或转速低于某一设定值时，可通过其内置的定时器 由软件产生同步采样触发信号。在两种工作方式下，转速键相模块均可提供同步启动脉冲，用于启动各 振动信号采集模块进行瞬时数据采集，该模块主要用于触发采样，辅助其他模块监测。 温度模块实现6 通道温度过程量的监控保护，其采集的数据通过r s 4 8 5 接口上传至通信管理模块。 该模块参数设置大体与前面模块类似，该模块的主要功能有温度和温差，模块可以对通道进行组合设置， 即将任意通道的温度进行组合，输出通道的平均温度。 东南大学硕上学位论文 2 1 3 框架配置组态文件设计 图2 3 为组态配置文件的数据结构，文件的头部保存了该框架的所有信息，包括有多少模块，模块 的类型，接下去，按照模块顺序保存各个模块的信息，模块的信息中按照模块头信息，各个通道信息进 行保存。这样方便配置信息的解析。 系 统 信 息 文 件 头 通 讯 管 理 模 块 模 块 n 模 块 甲 累 c o n f i g f i l e h e a d l e n g t h c h a n n e l s e t u p f l a g c h a n n e l s t y l e f l a g m o d u l e l n f o l e n g t h c h a n n e l d a t a f l a g c o n f i g l n f o h c a d l c n g t h c h a n n e l l n f o l c n g t h c o n f i g i d c h a n n e l n a m s l o t s e r i a l n e t d e v i c e n a m e l c o n f i g l n f o h e a d i 上n g l h c h a n n e l l n f o l e n g t h c o n f i g i d c h a a n e l n u m s l o t s c r i a l n e t d e v i c e n a m e c h a n n e l n a f i l e c h a n n e l n a m e c h a n n e l n a m e c h a n n e l n a n l e c o n f i g l n f o h e a d l e n g t h 模 块 头 信 息 通 道 - - 通 道 n 通 道 u 通 道 厶 图2 3 配置文件数据存储格式 为了避免软件配置过程中频繁的文件操作，首先根据用户插入的模块类型，申请相应大小的内存， 并且在内存中写入相应的默认值，然后根据用户的配置，在内存相应位置，更改相应的配置参数，最后 完成参数配置后，一次将内存中配置的信息写入文件中去。 组态框架软件还提供通道配置拷贝的功能，可以将其中一个通道的配置完全拷贝到其同一个模块中 的其余通道，这样可以大大方便了用户，减轻了系统设置的复杂度，提高了系统配置效率。 1 2 第2 章框架组态软件及监视软件总体结构设计 2 1 4 框架组态报警设计 框架报警组态主要通过状态逻辑编辑软件实现，目的是为了处理模块和通道报警之间的逻辑关系， 主要的运算符包括：与、或、非，通过独立的背板并行总线获取其它各模块及通道的报警输出信息，内 部c p u 根据危险逻辑表达式运算后输出相应的报警状态，这能够使得报警或危险状态更加可靠准确。 具体过程如图2 4 所示，监视软件得到各个模块的通道输出状态后，将各个状态作为输入参数代入由逻 辑编辑软件产生的逻辑运算式中，然后内存c p u 进行计算，将最终输出统的运行状态。 | i l 罩甲辫甲ii 望早霪里卜三至三l l 妙 l ：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 4 框架报警组态 各个功能模块的报警参数是不一样的，根据监测参数的不同，有对应不同的监测报警参数，例如位 移速度力口速度模块监测参数包括：通频峰峰值，间隙电压，通频振动斜率，o 5 倍频幅值，0 5 倍频斜 率，0 5 倍频相位，l 倍频幅值，l 倍频斜率，1 倍频相位，2 倍频幅值，2 倍频斜率，2 倍频相位，一旦 发生故障，各个特定频率的能量分布能够反应故障类型，油膜涡动故障在o 5 倍频能量分布集中，转子 不平衡故障在l 倍频处能量分布集中，转子不