（机械制造及其自动化专业论文）基于corba的大型机组分布式监诊系统的研发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文结合炼化公司的大型、关键、高速旋转机组的状态监测和故障诊断系 统婀研制而展开。在深入分析原有的监诊系统的基础之上，结合本期系统开发的 具体要求，从数据采集工作站的总体方案设计开始，详细地论述了它的硬件、软 件的设计思想、关键技术，后又对服务器上的数据库进行了需求分析和设计，较 好地解决了大量数据存储与快速查询之间的矛盾。 最后利用c o r b a 技术，把开发的监诊系统整合为一个分布式监诊系统，并 与企业的c i m s 联网。文 、 第一章绪论论述了机电设备状态监测和故障诊断理论与技术研究的目的、意 义、现状及课题背景，提出了本文的主要任务。 第二章在分析对比现有的各种监诊系统的基础上，提出了适合于烟气能量回 收机组监诊系统采集工作站的总体方案，给出了软、硬件的总体设计，提出了数 据采集中的技术难点。并利用分布式技术，对监诊系统采用的网络进行了选型。 第三章详细讨论了采集工作站的硬件设计。对不同的信号采用的不同类型采 集卡的功能、电路原理进行了探讨，对自制的采集卡做了性能、误差分析。 第四章是写采集工作站的软件设计，分为数据采集和传输两部分。设计了烟 机机组在不同的运行状态下采用的不同采集方法，实现了黑匣子功能。数据传输 部分给出了数据通讯协议( 数据结构的定义) 和在网络断开情况下如何实现数据 有效的传输。最后分析气压机组监诊系统数据传输出现的问题，并给出了解决方 法。 第五章以基于c o r b a 技术的分布式系统为框架，把整个三期监诊系统融合 为一体。首先介绍c o r b a 的基础理论，再结合具体的开发工具，开发出了具有 容错和负载平衡能力的系统。 第六章是针对数据库而写的，面对大量的数据采集与存储，如何解决其与查 询、分析的矛盾及限定数据量大小等问题，在总结积累几年开发经验的基础上， 提出了解决办法。 第七章给出了全文的结论和对发展大型旋转机组监测与诊断系统的展望。 关键词：状态监测：故障诊断yc o r b a 、分布式 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ep r o j e c tt h a tc o n t a i n st h es t u d ya n dd e s i g no fs t a t em o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fl a r g ec r u c i a le q u i p m e n t si nac e r t a i nd o m e s t i co i l c o m p a n yt h a tc i r c u m r o t a t ei nh i g hs p e e d ，t h ed i s s e r t a t i o n i sm a d e b a s e do nt h e d e t a i l e da n a l y s i so ft h eo l dm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e ma n d r e q u i r e m e n t so f t h e n e ws y s t e m ，s t a r t i n gf r o mt h ew h o l ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nw o r k s t a t i o n ，i t d i s c u s s e st h ed e s i g ni d e aa n dk e yt e c h n o l o g yo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h i c h c o n s i s t so ft h ew o r k s t a t i o n b e s i d e s ，i ta l s oa n a l y z e sa n dd e s i g n st h ed a t a b a s eo nt h e s e r v e ra n ds o l v e st h ec o n f l i c to f t h el a r g es c a l eo f d a t aa c q u i s i t i o na n dq u i c k e n q u i r y a tl a s t ，t a k i n ga d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yo fc o r b a ，i tu n i t i e st h et h r e e s u b s y s t e m si n t oa d i s t r i b u t e do n ea n dl i n k si tt oc i m so f t h ec o m p a n y c h a p t e ro n ei n t r o d u c e sn o to n l yg o a la n ds i g n i f i c a n c eo f t h e o r i e so fc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i s ，b u ta l s oa c t u a l i t i e sa n dt h eb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c t i ta l s o a n a l y z e s t h e r e q u i r e m e n t s o fu s e r sa n dm e n t i o n st h em a i nt a s ko ft h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n o fa l lt h e p r e s e n tm o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i ss y s t e m s ，c h a p t e rt w op r o v i d e sas u i t a b l ew h o l el a y o u to f t h ee x p a n d e r s m & d s y s t e ma n dd e s i g n i n go f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e i ta l s op r o v i d e st h ek e y t e c h n o l o g yo f t h ed a t aa c q u i s i t i o n u s i n gt h et e c h n o l o g yo ft h ed i s t r i b u t e ds y s t e m ，i t c h o o s e san e t w o r kf o rt h em & d s y s t e m c h a r t e rt h r e ed i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nw o r k s t a t i o n i td i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fc i r c u i ta n df u n c t i o no fs e v e r a lk i n d so fc a r df o rp r o c e s s i n g t h ed i f f e r e n ts i g n a l m e a n t i m e ，i ta n a l y z e st h ee r r o ra n dp e r f o r m a n c eo ft h ec a r d s m a n u f a c t u r e db yo u r s e l v e s c h a r t e rf o u rf o c u s e so nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ew o r k s t a t i o nw h i c hi sd i v i d e d i n t ot w o p a r t s o n ei sd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h eo t h e ri sd a t at r a n s f e r r i n g i ts o l v e st h e p r o b l e mt h a tt a k e st h es u i t a b l em e t h o d so fd a t aa c q u i s i t i o nu n d e rs e v e r a lk i n d so f s t a t u so ft h ee q u i p m e n t sa n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no f b l a c k b o x ”t h ep a r to fd a t a t r a n s f e r r i n gg i v e st h ep r o t o c o lo f t h ed a t ac o m m a n i c a t i o n ( t h ed e f i n i t i o no ft h ed a t a s t r u c t u r e ) a n dt h ee f f i c i e n tm e t h o do f t h ed a t at r a n s f e r r i n gu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f t h en e t w o r kd i s c o n n e c t i o n f i n a l l y , i td i s c u s s e st h ep r o b l e mo fd a t at r a n s f e r r i n gw h i c h t o o k p l a c ei nt h ec o m p r e s s o r sm & ds y s t e ma n d s o l v e st h i sp r o b l e m t i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t c h a p t e rf i v e c r e a t e saf r a m e w o r kb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fc o r b a ，a n d i n t e g r a t e st h et h r e es u b s y s t e m s f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e so fc o r b a w i t ht h eh e l po ft h ed e t a i l e dd e v e l o p i n gt o o l s ，i tc o m p l e t e sas y s t e mw h i c hh a st h e a b i l i t yo f t o l e r a n c ea n d t h eb a l a n c eo f l o a d i n g c h a p t e rs i xf o c u s e so nt h ed a t a b a s e f a c i n gt ot h ec o n t i n u o u sd a t aa c q u i s i t i o n a n ds a v i n g ，h o wt os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h el a r g es c a l eo fd a t aa c q u i s i t i o na n d q u i c ke n q u i r ya n dl i m i t a t i o n t h es i z eo ft h ed a t a b a s e b a s e do nt h e e x p e r i e n c e s a c c u m u l a t e di nt h es e v e r a ly e a r s ，i tg i v e sac o n v i n c e ds o l u t i o n c h a p t e rs e v e n ，t h ef i n a lp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n ，s u m m a r i z e st h ew o r k ，p r e s e n t s c o n c l u s i o na n dp r o s p e c to fd e v e l o p i n gc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s s y s t e mo fl a r g ec r u c i a le q u i p m e n t k e y w o r d s ：s t a t em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，d i s t r i b u t e dn e t w o r k ，c o r b a i i i 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章论述了机电设备状态监测和故障诊断理论与技术研究的目的、意义、现状 以及课题的背景，提出了本文的主要任务。 第一节大机组监诊科技的发展历程 机械故障诊断是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运 行状态的变化在诊断信息中的反映，其研究内容包括对机器运行过程的监测、运 行现状的识别诊断及运行发展趋势的预测三个方面【l 】【2 j 。 机械故障诊断是上世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科。 一方面，随着现代设备的日趋大型化、复杂化、自动化，设备一旦出现故障，给 生产乃至人们的生命财产安全造成的影响往往大得难以估算，为使设备保持正常 运行状态所花的费用在企业的经营费用中也占了很大的比重，因此，为使这一占 有重要地位的设备维修工作更加高效而科学，就必须对维修对象设备的劣 化、故障状态、故障部位及其原因有正确的了解；另一方面，6 0 年代中后期是 计算机技术、电子技术、现代测试技术迅速发展的年代，伴随着快速傅立叶变换 ( f f t ) 和算法语言的出现，将信号处理技术从硬件到软件推向了一个新的高度， 加之机械设备和零件的可靠性研究，机械零件损坏机理的研究等等，象声发射技 术、红外测温技术、油液分析技术、振动信号分析技术及各种无损检测技术的出 现，从理论、实践和应用等诸方面促进了机械设备故障诊断技术的深入发展。 随着生产规模的不断扩大和大生产的兴起、发展，生产方式发生了很大的变 化，出现了流水线的生产方式，加上机器设备本身的技术水平和复杂程度的提高， 机器的故障或事故对生产的影响显著增加了。在这种背景下，便出现了定期预防 维修的方式，以便在机器尚未发生故障之前就进行检修和更换零部件。定期预防 维修比事后维修方式的确是一大进步，多年来在设备维护管理中起到了积极的作 用。但这种对设备定期维修制度会出现维修过剩与不足的缺陷，因此，随着科技 发展，人们正在追求一种更加完善的制度预期维修制 2 6 瑚】【8 4 】。 设备状态监测与故障诊断技术是随着故障诊断理论的发展而开始出现和发 展的。从大型机组状态监测与故障诊断技术的发展历程来看，根据系统的网络结 构大致经历了以下四个发展阶段： 1 集中式结构 在一台计算机内完成现场的工况监测、信息分析处理和故障诊断。由于要在 一台计算机内完成在线状态监测与故障诊断，因此，这种结构实时性差，但结构 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 简单。它是在五十年代末期，随着计算机开始被应用于过程控制领域，常规的模 拟仪表控制系统逐渐被计算机集中控制系统所代替的。 集中式结构存在着致命的弱点，即实时性差且危险集中。计算机一旦出现故 障，对与此计算机相连的设备都无法进行状态监测与故障诊断。 2 分散式结构 多台计算机分别对不同的主从设备进行监测诊断，互相独立。分散式结构避 开了集中式结构危险集中的弱点，易于建立、管理与维护，但这种结构由于计算 机的分散使得数据共享性很差。 3 主从式结构 综合了集中式结构和分散式结构的优点，实时性好。这种结构也可称之为上 下位机结构，下位机负责对相关设备在线数据的采集，上位机负责数据处理和故 障诊断。对大型设备或密切协作的设备群主要采用主从式结构，它是目前监测诊 断系统常采用结构。 4 分布式结构 七十年代以来，随着计算机系统、通讯系统、控制论、信息论与自动化、系 统工程相互促进、相互渗透、综合发展而使工业过程控制领域出现了分布式控制 系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，又称集散控制系统) 。d c s 自问世以来， 发展异常迅速，已被广泛应用于工矿企业的生产过程控制、核试验、航空航天、 核电站、核聚变实验装置等领域。 分布式监测诊断系统( d m d s ，d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ， 又称集散监测诊断系统) 是受分布式控制系统的启发而产生的。它是在主从式结 构的基础上引进了工业局域网技术，把在地域上分散，生产上又相关的主从式互 连起来，对数据进行统一管理。该系统的特点是：形成分布式的监测网络，各监 测点的数据统一由诊断中心进行处理；可以提供个统一的开放式框架，使各监 测点易于加入这一系统，便于管理，实现综合诊断以提高确诊率。分布式监测诊 断系统实现了数据、信息共享，系统综合交流更加方便，它是当今研究和发展的 主要方向。分布式结构也是本课题所采用的体系结构。 第二节技术手段 经过3 0 多年的发展，机械故障诊断学无论在广度和深度上都得到了较大的 发展，新的理论不断产生，手段也不断完善，机械故障诊断学日趋科学化、实用 化，已经基本形成了以振动诊断技术、油液分析技术、温度监测技术以及无损探 伤技术为主要手段的局面【3 圳。 1 、振动诊断技术 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 与其它方法相比，振动诊断技术由于具有理论基础雄厚、分析测试设备完善、 诊断结果准确可靠、便于实时诊断等诸多优点而在机械故障诊断的整个技术体系 中居主导地位。但振动诊断技术涉及信息传感、振动测试、信号处理等诸多领域， 因而对设备诊断技术人员的要求较高。 2 、油液分析技术 以铁谱和光谱分析技术为代表的油液分析技术，具有信息集成度高的特点， 只要是油液所经过的部位，其磨损故障一般可通过对该处的油液进行取样分析诊 断出来。 3 、温度监测技术 有非接触式和接触式测量，特点是诊断过程简单，诊断结果一目了然。 4 、无损检测技术 五、六十年代在发达国家首先发展起来，主要包括射线探伤、超声探伤、渗 透探伤等，特点是无损性。对于改进产品制造工艺、降低制造成本、提高设 备的运行可靠性等具有重要意义。 第三节现状及趋势【5 _ 7 】 机械故障诊断技术在世界各国的发展是不平衡的，美国是最早展开机电设备 故障诊断领域研究的国家，技术上也处于领先地位。美国有许多从事设备故障诊 断技术的研究单位，开发出了不少监测系统，主要有j o h n sm i t c h e l l 公司的超低 温水泵和空压机监测技术，s p i r e 公司的军用机械的轴与轴承诊断技术， t e d e c o 公司的润滑油液分析诊断技术等，在国际上处于领先的地位。在大型 旋转机械方面，美国的西屋公司已完成了网络化的汽轮发电机组故障诊断专家系 统。 其次是英、日等国，英国在摩擦磨损以及汽车、飞机发动机监测和诊断方面 具有领先地位；日本的钢铁、化工、铁路等民用工业的诊断技术很强。 从1 9 8 6 年正式成立了中国振动工程学会机械故障诊断分会以来，我国在设 备诊断软硬件系统的开发研制方面也取得了很大的进步，先后研制出了多种类型 的在线和离线( 巡检) 设备诊断系统，我国的高等院校在丰富诊断理论方面作了 不少有益的探索，取得了很大成就，同时，已经培养了一批以设备状态监测和故 障诊断技术为研究方向的研究生。 目前，状态监测和故障诊断已经形成了比较完整的学科体系。对于振动信号 的采集来说，目前的计算机技术已经能胜任各种场合的需要，在硬件技术飞速发 展的同时，软件技术的进步也极大地促进了信号分析与处理技术的应用。除了经 典的统计分析、时序模型分析、时频域分析、参数辨识外，近来又发展了频率细 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨迹分析以及基于 非平稳信号假设的短时傅立叶分析、w i n g e r 分析和小波变换等。事实上，振动 信号的分析处理技术还在不断的发展之中，新的理论和技术还将不断出现。 状态监测和故障诊断系统，正朝着以下几个方向发展：网络化：在拓扑结构 上是一个分布式的计算机网络，内部以一个工厂或某一定范围内的机组为对象建 立分散的数据采集站，数据采集站所采集的数据经过一定处理后发往集中的诊断 中心；监测控制一体化：监测保护与控制的一体化就成为发展的必然趋势，从而 使监测与诊断系统不但具有状态监测、报警、分析与诊断的功能，更具备闭环控 制功能，确保机组处于最佳运行状态。 在诊断方法上，除了单一参数、单一故障的技术诊断外，目前多变量、多故 障的综合诊断已经兴起，传感器的多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断 技术的智能化是趋势。具体表现在以下几个方面： 1 与当代最新的传感技术尤其是激光测试技术的融合。近年来，激光技术 已从军事、医学、机械加工领域深入发展到振动测试和设备故障诊断中，已成功 应用于测振和旋转机械对中等方面。 2 与最新的信号处理方法相融合。随着新的信号处理方法在设备故障诊断 领域中的应用，传统的基于快速傅立叶变换的机械设备信号分析技术有了突破性 的进展。 3 与非线性原理和方法的融合。机械设备在发生故障时，其行为往往表现 为非线性。例如旋转机械的转子在不平衡外力的作用下表现出的非线性特性。随 着混沌与分形几何方法的日趋完善，这一类诊断问题将得到进一步的解决。 4 与多元传感器信息的融合。现代化的大生产要求对设备进行全方位、多 角度的监测与维护，以便对设备的运行状态有整体的、全面的了解。因此，在进 行设备故障诊断时，可采用多个传感器同时对设备的各个位置进行监测，然后按 照一定的方法对这些信息进行处理，如人工神经网络方法，现已成为机械故障诊 断领域的一个最新研究热点。最近有学者探索将人工神经网络与传统的专家系统 结合起来，建造神经网络专家系统。初步的研究成果表明，这种新型的专家系统 能较好地克服传统的专家系统和人工神经网络各自的缺陷而具有很多的优势。 5 与现代智能方法的融合。现代智能方法包括专家系统、模糊逻辑、神经 网络、进化计算等，在故障诊断技术中已经得到广泛的应用。随着智能技术的不 断发展，设备状态的智能监测和设备故障的智能诊断将是故障诊断技术的最终目 标。 另外，由于现代的机电设备越来越复杂，发生故障的原因也很复杂，利用非 线性科学中的分形和混沌理论，在基于混沌复杂机械系统状态预测思想的基础 上，对复杂系统的动力学模型进行分析，研究非线性复杂机械系统的状态演化， 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 通过相空间重构，对其未来的发展趋势作出预测。现在，已经出现了基于分形理 论、混沌理论的机械故障诊断系统，使故障诊断技术从理论和实践上都提高到了 一个新的层次。 第四节课题的背景、任务殁本文的主要工作 1 4 1 课题的背景 本课题的主要任务是对炼化公司的催化装置的关键设备一大型机组系统进 行状态监测与故障诊断。整个系统分为三大部分：气压机组系统、主风机组系统、 烟气能量回收机组系统。 气压机组监诊系统开发的较早，使用的是上下位机结构。负责对气压机组进 行监测诊断，其下位机进行数据的采集，并以棒图的形式进行显示及报警监视。 上位机进行数据的分析及处理，并给出诊断结果。 主风机组监诊系统负责对2 台主风机、2 台增压机、1 6 台机泵进行监测。采 用客户机朋日务器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 结构，用研华m i c 2 0 0 0 作为采集工作 站， 向服务器传送数据。服务器进行数据分析处理存储，并以图形的方式显示 出来，以上两个系统已经组成了一个网络化的监诊系统。 烟气能量回收机组是该公司生产过程中重要的能量回收装置，该系统共有1 2 振动信号、6 0 路缓变信号、1 6 路开关量信号。此次开发的监诊系统要求与前两 期整合在一起，形成一个多机组分布式网络化监诊系统，同时与公司的c 1 m s 网 相联，在网上实时发布各机组运行状态信息，使领导和技术人员及时了解催化车 间机组的运行状况，保证机组安全、可靠、高效地运行，提高公司对大型关键设 备的监管水平。 1 4 2 课题的任务及本文的主要工作 该课题所要完成的任务及监诊系统应具有的功能如下： 1 快变信号( 振动、位移) 的整周期等相位采样功能 动态信号蕴含着丰富的机组运行状态信息，因此，动态信号是了解机组 运行状态的主要手段之一。为了获得信号的真实性以及处理分析的准确性， 必须利用键相信号进行整周期等相位采集。 2 信号的采集 转速信号的采集；1 2 路快变信号的采集；6 0 路缓变信号的采集；1 6 路 开关量信号的采集。 3 状态信号的数据库存储、查询功能 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 所有的振动、位移、转速、工艺、开关量信号，对常规数据按现场、日、 周、月分别稀化后，存储在数据库系统中。 4 信号分析和诊断功能 各测点信号的实时显示功能；各测点信号的趋势分析功能；超限报警显 示功能；流程画面显示功能；轴心轨迹图显示功能等。 5 网上实时监诊功能 本系统通过监诊网络系统，采用浏览器i n 务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 技术实现烟气能量回收系统的状态信息和分析结果的网上实时监视功能。 项目要达到的技术指标( 要求) ： 1 所有当前信号必须存储三天以上； 2 所有i o 采集卡与原来气压机、主风机系统一致； 3 开关量的采集速度达到毫秒级； 4 工艺信号的采集速度不低于2 秒： 5 所有采集数据通过网络存入服务器数据库： 6 机组的所有测点数据能在公司c i m s 网上发布，公司c i m s 上客户机可 以通过登录服务器对机组进行实时监视和查询等功能。 本文的主要任务是要完成烟气能量回收机组系统的状态监测与故障诊断，并 解决三个系统之间的组建局域网问题，完成数据处理、存储、查询等工作，并与 企业计算机信息管理系统联网，以逐步实现集设备状态监测、生产控制、故障诊 断于一体的生产控制与设备综合管理系统。 本文针对课题的任务，主要研究的工作有： 1 从网络组网原理出发，设计了三大子系统之间以及与公司计算机信息管 理系统中心的组网方案。 2 详细地探讨了监诊系统中烟气能量回收机组采集工作站的软硬件开发与 研制；同时解决了三个子系统联网中出现的数据传输与存储的问题。 3 按照分布式系统的结构模式，提出了基于c o r b a 技术的分布式监诊系 统的构思并进行了设计和实旌。 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 【摘要】本章在分析对比现有的各种监诊系统的基础上，提出了适合于烟气能量回收 机组监诊系统采集工作站的总体方案，给出了软、硬件的总体设计，提出了数据采集中的技 术难点。并利用分布式技术，对监诊系统采用的网络进行了选型。 现在各行各业中大都有各自的监控系统，尤其是在电力、石化、冶金等行 业。这些行业进行生产所需的关键设备大多是大型的旋转机械，而且这些设备的 地理位置有时较为分散，如电站的发电机组、石化生产上的气体压缩机组等。大 型旋转机组的运行状况比较复杂，需要监测的量很多，如振动、位移、转速、温 度、压力、流量及开关量等。要想对机组的运行状况能随时随地的准确了解，就 要充分地利用最新、最可靠的技术，对监诊系统进行全面合理的设计，构造出技 术上先进、经济上实用的方案。 第一节现有的各种监诊系统模式1 8 电子技术、信息技术、材料科学的发展大大地推动了信号检测和处理技术， 计算机已经广泛地应用在工业领域，出现了在线的计算机监测诊断系统且有很大 的发展。尤其在大型旋转机械的实时监测和诊断中，振动量和位移量( 快变信号) 的实时采集和分析对监测仪器要求很高，使用计算机可以充分利用其强大的计算 和分析功能，迅速地进行数据的分析、处理，如时频域转换、轴心轨迹、波德图、 小波分析，使工程技术人员及时掌握设备的运行状况，同时为故障分析提供有效 的依据，而且可以方便地组织实现各种诊断理论算法，对典型故障作出判别。因 此以计算机为核心的状态监测和故障诊断系统受到了普遍的重视与研究，国内外 纷纷研制适用于生产实际中连续运转的关键设备的计算机监测诊断系统。综合国 内外情况，其典型模式有下列几种。 2 1 1 传感器一采集器一个人计算机系统 该系统为最初的监诊系统，由传感器拾取各种运行参数，通过采集器，再传 到个人计算机进行处理和分析。该类系统的突出优点是以丰富的故障诊断软件支 持的微机为基础，采用微机组态，用高性能的采集器巡检，送微机处理分析，制 作图表与文件。其特点是实用方便。 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 2 1 2 传感器一监测仪表一采集器一个人计算机系统 该系统是利用监测仪表输出的反映被测对象运行状态的模拟或数字信号，输 入到系统的采集器，再到个人计算机，利用计算机系统中丰富的组态软件、实时 监测软件、诊断软件和专家系统，对机组进行实时状态监测与故障诊断。这种模 式的最大优点就是二次监测仪表及计算机监测系统同时监测对象的运行及故障 的发生。监视仪表带有保护系统作用，而计算机系统能直观提供运行状况，自动 存储和记录参数，并能迅速诊断并给出故障位置、类型及发展趋势，从而大大提 高状态监测和诊断的置信度。 就实现采集监视而言，该系统又具有两种形式。一种是分布式采集监视方法： 采用以高度模块化为特点的工业用s t d 微机总线，多个c p u 和a d 芯片协同 工作，将信号分散处理再串行传送至微机。该方法大大改善了采集、监视的实时 性，而且可根据现场的实际情况灵活配置，组态方便。但是系统结构相对复杂， 协同性差，对整个机组的动态分析( 特别是振动相位分析) 极为不利，且串行通 讯对故障信号的反应和处理较慢。如美国本特利公司研制的t d m 系统。另一种 是p c 总线式采集监视方法：将数据采集卡插入p c 机内，由p c 总线驱动，数 据采集器与计算机共用一个c p u 。该方法组成简单，采集到的数据直接存储在 p c 机缓冲区，易于分析处理，但监测实时性受影响，尤其是监测与诊断不能并 行工作，这一问题随诊断预报功能的发展和加强而更加突出，如西安交大的 r m m d s 系统。有些系统对此作了一些改进，利用中断技术改善监测实时性， 如西安交大轴承所的r b 2 0 ，3 系统，它对故障信号的反应时间不超过5 0 m s 。 2 1 3 集散型监测诊断系统 该系统是针对多机实时监测的需要，在全厂各关键旋转设备处设立监测分 站，它面对运行人员，负责对机组数据进行实时地采集、监测、分析及通讯；另 外设一主站( 诊断中心) ，与各监测分站相连，它面向工程师、专家，负责全厂 各监测分站的控制和管理，并诊断故障。其特点是监测、分析功能分散，诊断管 理功能集中，监测、诊断并行工作，形成厂内监测网，易于开展专家系统诊断， 进而可提供决策依据，如美国西屋公司的p d s 系统。 2 1 4 分布式网络化监测诊断系统 近年来监诊系统中愈来愈多地融合了迅速发展的网络技术，加之企业正在推 行信息化管理和生产，所以在故障诊断技术先进的国家和地区出现了新型实用的 网络化远程监诊系统，国内也有企业和高等院校在进行这方面的研究和产业化工 作。该系统类似于上述的集散型监测诊断系统，但是更多地运用了网络技术、通 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 信技术、分布式的数据库技术，性能和结构上比上述第三种先进。 目前炼油化工生产过程中大多采用d c s ( 集散控制系统) ，它一般是采集生 产过程中的过程量如压力、流量等，根据一定的规则进行闭环控制。状态监测过 程中不但要采集这些过程量，而且更重要的是采集振动量，通过分析这些振动量， 可以获得重要的机组运行信息。现在有学者提出这样种观点要把这两个系 统整合起来，实现监诊与生产控制一体化。 本课题的烟气能量回收机组的监测与诊断系统完成以后，要和气压机组系 统、主风机组系统整合起来，构成分布式网络化的监测与诊断系统，拟采用 c o r b a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e 公共对象请求代理体系) 技 术，它是一个透明的中介分布式对象标准，具有卓越的分布式计算能力，遵循 c o r b a 标准编写的分布式对象可以在许多的平台中执行，可以使这些不同的平 台、操作系统以及程序语言之间互相通讯。但使数据存取速度稍减慢，仍可满足 要求。 第二节总体方案 在设计在线监诊系统之前，首先应该清楚地了解设备的运行过程，分析测点 信号的类型及数量，详细阅读技术协议书，认真写出用户需求分析，理清设计思 路，在此基础上进行系统的总体方案设计【5 3 】【5 4 j 。 烟机机组由烟气能量回收机、轴流风机、减速箱、电动机四部分组成，而每 一部分测点布置不同，需要监测的信号类型也不相同，主控程序各部分的划分则 是以对数据的不同处理为原则的。 2 2 1 设计的原则 设计一个好的系统，要考虑到方方面面的问题，监诊系统也不例外。但是从 全局出发来看，首先是必须把握好几个大的方面。对本系统，着重要考虑好以下 几点： 1 系统的性能与质量：即准确性与可靠性的问题。本监测系统必须二十四 小时3 6 5 天不停地运转，要求它能稳定地运行，同时能够保证采集数据的准确度， 使得下一步的数据处理后做出的频谱图形能正确地反映机组的运行状况。要求设 计时在满足技术要求和性能要求的前提下，尽可能地提高系统的可靠性。 2 设计周期和成本：在保证质量的前提下，缩短设计周期，降低成本，提 高系统的市场竞争能力。要求尽量采用已经成熟且先进的技术。 3 系统的可维护性与可扩展性：采集工作站的软件部分应该按照软件工程 的要求去开发，使软件部分的工作标准化。也易于协调好项目的各个开发阶段和 9 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 各部分之间的关系，便于以后的维护与升级。另外，本系统设计时要充分考虑 技术上的发展，易于以后新技术的应用。用户也有可能在以后提出一些对系统进 行调整或扩充的要求，也要求在设计时留有余地。 4 用户的易操作性：系统要有较高的自动化程度，同时也还需要面向生产一 线的技术人员及操作工人，故设计时要使得系统易于操作，体现科技以人为本。 2 2 2 设计的思想 分析前期的气压机组监测系统，下位机是在d o s 系统下把采集到的数据首 先在本机上实时显示，同时分两路送到服务器上的共享目录中，上位机从其中一 个目录取走数据，做实时频谱分析及诊断；服务器从另一个目录取数据，也做实 时频谱分析及诊断，还进行数据存储及网上发布，为了在网上能看到频谱分析， 在服务器上又重复了该功能。实际运行中，下位机由于是在d o s 下采集，速度 非常快，实时性好，虽然任务繁忙，基本能满足要求，但频谱分析功能显得重复； 主风机组监测系统中，采集工作站上采用w i n 9 8 操作系统，因在w i n d o w s 系统 中，使用分层体系，一般用户不能直接操作硬件。硬件操作要通过w i n d o w s 系 统的消息处理功能。如果想直接操纵硬件，需编写复杂的虚拟设备驱动程序，且 系统的实时性比起在d o s 系统下要差。 通过对现有的几种监诊系统模型的对比，结合本期的烟气能量回收机组系统 的实际情况，在总体设计思想上应该把握以下几点： 1 烟机采集工作站与服务器的分工 因在d o s 操作系统下，直接操纵硬件较容易，且采集速度快，实时性好， 故本期采集工作站采用d o s 操作系统，并且采集到的数据直接送往服务器，自 身不做任何处理，功能比较单一。 服务器要把从采集工作站送来的数据保存，并进行比较运算后做慢变信号的 棒图、快变信号的实时时域波形、轴心轨迹图显示。根据用户的需要，从保存的 历史数据中提取所需数据，进行f f t 运算，做趋势图、级连图、波德图分析等 等【8 l 。 2 软硬件的分工 因硬件速度较快，而软件灵活，且有些硬件的功能可以用软件来实现，设 计时应该充分利用这些特点。智能键相卡上采用锁相倍频电路来处理键相信号， 产生一定数量的脉冲去控制研华p c l l 8 0 0 采集卡采集振动信号。用软件计算回 转周期、转速，判断机组的不同运行状态。 尤其在升速和降速过程中，转速不断发生变化，采样周期随之发生变化，以 满足整周期采样的要求，获得准确的频谱分析结果。 + 频谱分析通过编制算法程序用软件来实现，可以满足要求。 浙江大学硕士学位论文第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 2 2 3 硬件部分总体方案 1 缓变信号采集卡 缓变信号的采集速率要求为不低于2 秒，共有6 0 路。而研华公司的p c l 8 1 3 有3 2 通道，选用2 块可满足通道数要求。具体指标如下： 1 2 位a d 分辨率，采速：2 5 k h z ； 3 2 路单端模拟信号输入； 5 0 0 v 直流总线隔离； 温度系数：2 5 p p m ； 可编程设定输入范围：5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v 或0 - 1 0 v ， 0 - 5 v ，0 2 5 v ，o 1 2 5 v ； 可编程设定a d 触发模式和数据传送模式，附加接线端子卡； 可见p c l 一8 1 3 完全可满足系统的要求。 2 快变信号采集卡 振动和位移信号为快变信号，要求采集卡必须有较高的采集速率。烟机的 最高转速约为6 0 0 0 r p m ，每转采集6 4 点，连续采集8 转为一个样本信号，则 每通道的采集频率为( 6 0 0 0 6 0 ) 6 4 = 6 4 0 0 h z ，按1 2 个通道设计，则采集卡 的采集频率应为：( 6 0 0 0 6 0 ) 6 4 1 2 = 7 6 8 k h z 。 研华p c l l 8 0 0 为多通道高速采集卡，具体指标如下： 1 2 位a d 分辨率，采样速率为每秒3 3 0k h z ，1 k 字先入先出( f i f 0 ) 存 储器； 1 6 路单端或8 路差分模拟量输入： 2 路1 2 位模拟量输出( d a ) ( 1 路带d m a 功能) ； 1 6 路数字量输入输出( d 1 0 ) ； 1 路1 6 位计数器； 1 6 路模拟量看门狗电路： 可见p c l l 8 0 0 完全可满足系统的要求。 3 开关量采集卡 开关量采集速度要求不低于1 毫秒，根据公司的要求，自制了采用单片机 控制的开关量卡，有关该开关量卡的详细情况，请参考本论文的第三章第四节， 具体指标如下： 1 6 路隔离数字量输入通道； 中断处理功能； 可见自制的开关量卡完全可满足系统的要求。 4 系统信号处理流程如图2 一l 。 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 快变信 j 融琳u ，“i 卜工 烟 县 ( 1 2 路) 键相信 一智能键相卡。自制，i l 触发 控 号( 1 路) 机 机 温度、 动rl，l p c l r 1 3 li - i p c 压力等 f 6 0 路) f 机 6 1 0振动峰 峰值 ( 4 路) 二次仪表 组 开关量 l自制开关量卡i ( 1 6 路) 图2 - - 1 系统信号流程图 注：本采集工作站的所有输入信号均是从生产现场的v i b r o m e t e r 二次仪表中 引入的，故只要按照不同类型的信号接线端子接入对应的处理卡输入端即可。经 过a d 转换( 快变、键相信号在进行a d 转换前还要对其进行预处理) ，最后成 为数字量送到工控微机，保存在存储器上和以图形的方式进行显示。 2 2 4 采集软件总体设计 烟机机组由烟气能量回收机、轴流风机、减速箱、电动机四部分组成，而每 一部分测点布置不同，需要监测的信号类型也不相同，主控程序各部分的划分则 是以对数据的不同处理为原则的。 本监测软件是在实时条件下运行的，故具有实时软件的一些特点： 1 实时性：实时监测系统最基本的要求之一，不但数据的采集、传输要实 时性好，而且在发生事故的时候，要及时地尽快地采集事故前后的数据 2 可靠性：由于进行实时监诊的设备都是大型的关键设备，一旦出现故障， 则会对企业造成重大的经济损失。保持它们安全、稳定连续运行，对企业的生产 有重要的意义。因此监诊系统要准确地获取设备的状态信息，使生产人员能及时、 准确掌握设备的运行状况。 基于以上两点，采集工作站软件结构上进行模块化设计。 数据采集模块：按技术协议书上的要求，在不同的工况下，按照不同的采集 策略进行四种不同类型数据的采集。这四种类型的数据指快变信号数据、慢变信 号数据、开关量数据、键相信号数据。 数据存储和传输模块：采集进来的各种类型数据以数据文件的形式保存，并 浙江大学硕士学位论文 第二章烟机机组监诊系统的总体方案及结构设计 以最快的速度向服务