（机械电子工程专业论文）组态式在线振动监测与诊断系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘耍 摘要 为了快速有效地开发机械设备在线监测与故障诊断系统软件，本文将工控组态 软件的“柔性化”思想应用于机械设备的在线振动般测与诊断软件系统中。通过 分析机械设备状态监测与诊断的共性，在透彻分析工控组态软件特点的基础上， 提出了组态式在线振动监测与诊断系统的构成，同时对整个监测诊断系统的设计 思想、设计方案、软件实现、关键技术以及现场应用情况等进行了详细论述。 组态的过程就是指从实际工程要求出发，将系统所具有的功能连接起来，配置 成一个可以正常运行的系统的过程。软件的组态内容包括实时画面显示，趋势曲 线显示，实时曲线显示，参数调整，实时报警，实时控制，通信联网，开放数据 接口，历史数据库以及对f o 设备的支持等。 本文讨论了机械振动监测与诊断系统的一般构成以及机械振动信号的常用分 析方法。面向对象技术和组件技术是组态式在线监测与诊断软件的关键技术，本 文对这些技术的概念及其原理进行了研究。本文提出五种组件：测点组件、测点 简图组件、功能窗口组件、轴心轨迹组件、转速测点组件。该系统采用关系型数 据库来管理数据，利用了其约束机制的优势以及触发器的灵活性，保证了组态数 据的一致性和完整性。在系统数据管理中，由于数据的动态性系统引入了链表， 使数据的查找、修改、删除变得非常方便。系统可扩展性好，实现了开放式结构， 设计了采集模块基于动态链接库动态加载的软件方案，使程序可以脱离硬件运行。 采用了d d e 技术，r s 2 3 2 接口技术，w i n d o w ss o c k e l ：s 技术以及o p c 技术，使得系 统可以和多种外设进行数据交换和通信，详细论述了实现通信的原理和步骤。 本系统在开发机械设备在线监测与诊断系统软件上开辟了一条新途径，为今后 开发类似的系统打下了基础。本系统经过现场的实际应用，其先进性和可靠性得 到验证，满足了现场的需要，体现出其快捷性和灵活性。 关键词组态软件，故障诊断，数据库，数据采集 重壅查兰堡主兰垡笙奎二茎j ! 翌堕 a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o pc o n d i t i o nm 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 mf o rm a c h i n e r y q u i c k l ya n de f f e c t i v e l y , t h ep a p e ra p p l i e d t h ei d e a “f l e x i b i l i t y o fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t ot h ec o n f l g u r a b l ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，鬯t e 抽f o rm a c h i n e r y b y a n a l y z i n g c o i r u f l o t m e s so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i ss y s t e m f o r m a c h i n e r y , a n db a s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et h o r o u g h l y , t h e s c h e m eo ft h es y s t e mw a sp u tf o r w a r d t h ed e s i g ni d e a ，s o f t w a r e ，c r i t i c a lt e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o nw e r e a l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ep r o c e s so fc o n f i g u r a t i o ni sa s s e m b l i n gt h es y s t e m f i m c t i o n a c c o r d i n g t o r e q u i s i t i o no fa p p l i c a t i o ni n t oas y s t e mt h a t c a r ld a n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei n c l u d e s r e a l t i m ep i c t u r ed i s p l a y i n g ，r e a l t i m ec u l v ed i s p l a y i n g ，p a r a m e t e ra d j u s t i n g ，a l a r m i n g , c o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，o p e n i n g i n t e r f a c ea n di od e v i c es u p p o r t i n g t h ep a p e rd i s c u s s e dt h eg e n e r a lc o n s t r u c t i o no fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i ss y s t e m f o r m a c h i n e r ya n d t h e t e c h n i q u e o fv i b r a t i o n s i g n a la n a l y s i s o b j e c t o r i e n t e da n dc o m p o n e n tp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g i e sa r et h ek e yt e c h n o l o g i e si n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，d e e ps t u d y o nt h eb a s i cc o n c e p t sa n dp r i n c i p l e so ft h e s e t e c h n o l o g i e sa r ec a r r i e di nt h ep a p e r t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r df i v ec o m p o n e n t s ：t e s t , p o i n tc o m p o n e n t ，p i c t u r ec o m p o n e n t ，f u n c t i o nc o m p o n e n t ，a x i s 廿a c kc o m p o n e n ta n d r o t a t e s p e e dc o m p o n e n t t om a n a g et h ed a t a , t h es y s t e ma d o p t r e l a t i o nd a t a b a s e s y s t e m ，i te n s u r et h a tt h ed a t aw a s c o h e r e n ta n d i n t e g r a l d u r i n g t h ep r o c e s s i n gd a t a ，t h e s y s t e m i n t r o d u c e dc h a i n s s o s e a r c h i n g ，m o d i f y i n g a n dd e l e t e c o m p o n e n t w e r e c o n v e n i e n c e t h es y s t e mw a se a s yt oe x t e n da n dc a r r yo u tt h eo p e n i n gc o n s t r u c t i o n t h e c o l l e c t i n gm o d u l e o f t h e s y s t e mw a s b a s e do nd l l ，s os y s t e mc a nl q , l nw i t h o u ta d c a r d t oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e ra p p l i c a t i o n ，d d e ，r s 2 3 2 ，w i n d o ws o c k e t sa n do p c w e r ea p p l i e d ，t h e p r i n c i p l ea n ds t e p so f c o m m u n i c a t i o n w a sd i s c u s s e di np a p e r t h e s y s t e me x p l o r e an e w w a y o nc o n d i t i o nm 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 m f o rm a c h i n e r y , a n db u i l tu pq u i t eal o te x p e r i e n c ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fs i m i l a r s y s t e m t h es y s t e mw a sr u n n i n ga n ds a t i s f i e dt h ed e s i r eo f u s e r sa n di t sa d v a n t a g ea n d c r e d i b i l i t yw e r e v e r i f l e d k e yw o r d s ：c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，m o n i t o ra n dd i a g n o s i s ，d a t a b a s e ，d a t ac o l l e c t i o n i i 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 l 绪论 1 1 组态软件的发展及概念1 】 2 】【3 】 4 】【5 】【6 7 】【8 【9 】【1 0 】【1 l 】 组态软件大约8 0 年代中期在国外出现，并在8 0 年代末进入我国。但组态软件 在中国的推广确经历了相当长的时间。一开始，由于国内用户对组态软件的不认 识，不了解，宁愿不惜成本针对具体项目做长期的编程开发，而不用组态软件， 再者，面对昂贵的进口软件，很少用户愿意购买而且当时国内用户的工业自动化 和信息技术应用水平还不高，而组态软件提供的针对大规模应用、大量数据采集、 监控、处理并可以将处理结果生成管理数据的功能根本就没有很大的需求。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时， 人们才意识到组态软件的重要性。同时，m i s 系统和c i m s 系统的大量应用，要 求工业现场为企业的生产决策提供详细和深入的实时数据。加之3 2 位操作系统的 出现为组态软件的推出提供了适宜的操作系统。所有这些因素推动了组态软件的 发展。因此在1 9 9 5 年底至1 9 9 6 年组态软件有着较快的增长。 组态软件是监控系统发展的产物。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在 工业监控领域广泛的应用，以及繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的监测软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的监测软件时， 当工业被测对象旦有变动，或者是系统要加以扩充，测点发生了变化。就必须 修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每 个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵。通用监测组 态软件为解决上述工程实际问题提供了一种崭新的方法，使用户能根据自己的控 制对象和控制目的的任意组态，完成最终的监测工程。 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 的概念是伴随着集散控制系统( d c s ) 的出现才被广大 的技术人员所熟悉，几乎所有的d c s 系统都支持组态的功能。组态软件指用于数 据采集与过程控制的专用软件，他们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和 开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和 简捷的使用方式，其预设置的各种模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项 功能，并能向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。组态软 件是面向监控和数据采集的软件平台。 组态的过程就是指从实际工程要求出发，将系统所具有的功能连接起来，配置 成一个可以正常运行的系统的过程。一般来讲，组态包括硬件的组态和软件的组 态，因为硬件的选择涉及到现场的需求分析，以及价格因素等的限制。因此硬件 主要是针对目前振动系统监测所用的硬件情况来进行分析和设计。软件的组态内 重庆大学硕士学位论文1 绪论 容比较丰富，包括实时画面的显示，趋势曲线显示，实时曲线显示，参数调整， 实时报警，实时控制，通信联网，开放数据接口，历史数据库以及对i o 设备的广 泛支持等。 1 2 组态软件的特点及发展 组态为模块化任意组合。组态软件最突出的特点是实时多任务。数据采集与输 入输出，数据处理与算法实现，图形显示及人机对话，实时数据的存贮、检索管 理、实时通信等多任务要在同一台计算机上同时运行。通用组态软件主要特点有 ( 1 ) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括硬件设 备或系统结构) 或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更 新和升级：( 2 ) 封装性( 易学易用) ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便 用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不需 要编程技术) ，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；( 3 ) 通用性，每 个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备( p l c 、智能仪表、 智能模块、板卡、变频器等) 的i od r i v e r 、开放式的数据库和画面制作工具，就 能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功 能和网络功能的工程，不受行业限制。 组态软件的使用者是现场工程技术人员，使用组态软件的目的是使使用者不用 修改软件程序的源代码就能生成适合自己需要的应用系统，因此在设计组态软件 时应充分了解现在可能的以及潜在的基本需求，找出其共同的东西，作为组态软 件要解决的只要问题如下： 如何与采集、控制设备进行数据交换。 使来自设备的数据与计算机图形画画上的各元素关联起来 处理数据报警 存贮历史数据并支持历史数据的查询 各类报表的生成和打印输出 为使用者提供灵活多变的组态工具以适应不同应用领域的要求 具有预留的第三方数据接口，方便数据共享。 综上所述，组态软件具有多任务，接口开放，使用灵活，功能多样，运行可靠 等特点。图1 1 是现有组态软件的大致结构。 在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但 制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对组态软件需求的提升；也决 定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。未来 组态软件的发展将主要表现为以下一些特征。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图i 1 组态软件结构 f i g u r e1 1t h ef l a m eo f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 数据u o 方式多样化 大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。在这种情况下驱 动程序只能由组态软件商提供，或者用户按照某种组态软件的接口规范编写，这 对用户的要求提高了。而在支持o p c 的系统中，数据的提供者作为服务器，数据 的请求作为客户，服务器和客户之间通过c o m 技术通信而不必知道实现细节。 开放性 组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还 是硬件供应商都将组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求组 态软件大量采用“标准化技术”，如o p c 、d d e 、a c t i v e x 控件、c o m d c o m 、s o c k e t s 等使组态软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以 根据自己的需要进行二次开发。组态软件采用标准化技术还便于将局部的功能进 行互连。在全厂范围内，不同厂家的组态软件也可以实现互连。 瘦客户技术 由于远程网络监控技术在监控系统的应用组态软件正在从单机向客户服务器 方向发展，使得通过i n t e n e f f i n t r a n e t 观察和控制生产过程的需求成为可能并且急剧 增长。瘦客户技术使得用户可以在企业的任何地方都可以方便的获取信息。在企 业l t 人才和资源比较缺乏的情况下，使用瘦客户技术只需要对服务器端进行维护 至鏖奎堂堕圭堂垡丝苎 l i 兰 升级，可以使系统安装和维护费用大幅度降低a 嵌入式系统平台的应用 目前的嵌入式应用软件主要基于d o s 和各种实时多任务操作系统，大多应用 在一些特殊场合和特殊设备上，随着现代制造业的发展，对这些特殊设备的控制 也提出了更多的要求，尤其是人机界面和复杂控制方面的需求，p c 的小型化、 w i n c e 的发展为满足这种需求奠定了基础。为嵌入式系统量身定制的微型化的人 机界面软件是组态软件厂商的新的发展方向。 能够同时兼容多种操作系统平台 可以预言微软公司在操作系统市场上的垄断最终是要打破的，未来的组态软件 要求有跨平台，跨系统的能力，至少同时兼容w i n n t 和l i n u x u i n x 。 1 3 开发背景及意义 近年粟，工业现代化的大力推进，大型旋转机械的需求数量不断的增加，而且 这类机械本身还不断向大功率、高转速和复杂化方向发展，为了确保工作过程的 的安全性和可靠性，避免事故的发生，以使他们发挥最大的经济和社会效益，设 备在线监测和故障诊断技术已在部分地方得到了应用。该技术的使用的具体意义 在于： 避免设备发生重大安全事故或生产废品而造成的巨大经济损失，保证设备在 规定的期间内无故障安全可靠运行。 利用监测诊断系统可以及时判别设备是否有故障，并且能够迅速查明故障原 因、部位、预测故障影响。从而实现有针对性的按状态维修，那里坏了修那里， 而不是大折大卸，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量，减少备件储备， 提高设备的维修管理水平。 向运行人员提供及时的信息，有效地运行，提高设备使用的合理性、运行的 安全性和经济性，充分挖掘设备潜力，延长服役期限，以便尽量合理地使用设备。 向维修管理人员及时提供设备运行情况，及时准备备品备件，及时处理有关 故障，真正实现预知维修，以最少的代价发挥设备最佳的效益，做到最佳运行， 使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低。 机器振动监测与故障诊断技术是一门综合性、应用性很强的技术，它包括了信 号检测、特征提取、状态识别和预报决策四个部分。每个部分都建立在大量的理 论基础之上，需投入实际应用必须重视应用系统的设计与开发。但是如何高效、 可靠地开发软件是一个必须面对的问题。传统的振动监测软件都是针对具体的设 备，其测点，数据管理，0 输出以及a d 采集卡都是固定的、不可更改的，如果 需要增加铡点、改动监测对象就必须要修改源程序或者要从头开始，从而不可避 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 免的有大量的重复劳动，而水平并没有因此得到大幅度的提高。随着计算机应用 的深入，相应软件的日趋复杂，这一问题越发突出。 工控组态软件在工控领城的成功应用为组态式振动监测软件开发提供了很好 的思路，用这种“柔性化”方法开发的工控软件具有很好的开发效率，并且能很好地 适应外界需求的变化。组态在线监测与诊断软件就是借鉴这种“柔性化”开发思 想，研制适合机械设备在线监测与诊断的组态化软件。表面上看机械振动监测与 故障分析诊断系统在功能上是工控组态软件功能的一个子集，实际上由于两者本 质目的不同，导致了不能用工控组态软件作为机械振动监测与故障分析诊断系统。 工控组态软件目的偏重于控制功能，所以监测得到的数据量相对较少而且采样频 率较低，对采集到数据的诊断分析功能也少。而机械振动监测与故障诊断系统的 目的除了采集数据并显示外，更重要的是它还要保存大量的机组启停数据、日常 数据、故障数据，以备作故障分析，所以两者在数据分析功能上是有根本区别的。 组态式在线振动监测与诊断软件的开发应重在于组态化的思想而不应拘泥于具体 的组态化形式，因此，在研发该组态软件时更多的是借鉴工控组态化软件的思想， 至于具体的组态形式在不同的应用软件领城可以采用灵活多变的形式。 1 4 本课题研究的内容、目的 分析机械振动监测和故障诊断软件和数据采集要解决的共性问题，设计出一 个该类软件的框架，在此基础上完成系统核心部件的设计和编码，具体内容包括 数据i o 层的设计模块及对外接口的设计，组态模块设计，运行模块设计，数据库 的规划设计，功能模块组态设计，数据管理模块设计，实时趋势曲线模块设计等。 期望软件能达到以下目标： 实现一个组态式振动监测系统软件的一个原型 为开发类似的监测软件提供一个参考模型 经过适当的扩充该软件能够应用于一般的监控系统 对精密分析系统的设计能够考虑以前类似系统的兼容性 利用该组态软件为本实验室已运行的在线监测故障诊断系统做升级，从而 验证本软件的正确性和可靠性 定期监测机组的振动大小，与有关标准对比，判别机组状态。 兼容多种数据采集卡，将多种数据采集卡采集的数据统一起来，形成与数 据采集设备无关的数据文件。 设备监测组态软件包括组态表编辑、回放、存盘、打印及与其他程序和设 备进行通讯等功能，并对信号分析、预测维修数据库进行管理。时域幅值域分析、 时延域分析、频域分析、传递相干分析、ff ，r 细化、检波滤波、高通绝对值分 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 析、轴心轨迹分析、数字滤波、倒频谱分析、三维功率谱分析等。 通过i n t e m e i 网络化诊断，将振动特征参数传输到i n t e r n e t 上，实现远程诊 断 为了完成上述目标，主要开展的以下几方面内容的研究： 0 组态软件概念模型的研究 0 振动监测中数据采集以及和第三方程序数据交换的研究 测点、功能模块组织策略的研究 f o 输出的组织研究 网络数据传输的研究 w i n d o w s 编程多线程，多任务和数据库编程的研究 报警系统的研究 该系统的主要目的是使使用者在生成适合自己需的系统时不需要修改软件程 序的源代码，达到快速生成应用系统。从而，减少重复性工作，减少传统式开发 振动监测软件的成本。 6 重庆大学硕士学位论文 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 2 1 机械状态监测与诊断的基本技术1 0 3 1 1 1 【1 4 】【1 5 1 1 1 6 设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或在基本不拆卸 的情况下的状态量判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响，从而找出 必要对策的技术。它在动态情况下，利用机械设备劣化进程中产生的信息( 如振 动、噪声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等) 来进行状态分析和故障 诊断，涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及 人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科，是对这些理论的综合利用。机 械设各状态监测与故障诊断的基本过程如图2 1 。 堕骂基 厩 ：二，一驶态识另r 、列机组状态 磊i w 磊丽芦塑厮 ( 信号) i l f l 一 1 晤翮 图2 1 机械故障诊断基本过程 f i g u r e 2 1t h eb a s k ：p r o c e s so f m a c h i n e r y s t a t u sm o n i t o ra n df a u l t sd m g n o s i s 由于在生产过程中多数是旋转机械，所以这里讨论的主要是针对旋转机械的 故障诊断。 对旋转机械的故障诊断，首先要求诊断者，在通过监测获取机械大量信息的 基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析。例如，对 于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声，其振动信号从幅值域、频 率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息，然而它只是机器故障信息的一 部分i 而流体机械的负荷变化，以及介质的温度、压力和流量等，对机器的运行 状态有重要的影响，往往是造成机器发发生异常振动和运行失稳的重要因素。因 此，对旋转机械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数 和运行工作状态等信号的基础上，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的 故障征兆敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，做出符合实际的 7 重庆大学硕士学位论文2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 诊断结论，提出治理措施。 2 1 1 振动监测的基本参数 作为单一频率的振动信号，数学公式可表示为： f ( 砖；a o + a s i n ( 2 矽+ 臼)式( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中怎表示信号直流分量；a 表示信号交流信号的幅值：口表示分析时刻的 初始相位。振动信号的监测实际上就是确定各个谐波分量的上述各参数 动态参数：它是反映机械处于稳态时振动的特征参数。 振动幅值：它是衡量机械振动大小的标志，通常可以用位移、速度、加 速度三种方式来表示。般在低频振动中用位移来表示，高频或冲击振动用加 速度表示，中频用速度表示。在实际应用中振幅还可以用峰峰值，平均值、有 效值表示： 振动频率：由于机械的不同的故障通常表现为不同频率的信号，所以通 过分析信号的频率是诊断设备故障的最为常用的方法。 振动相位：相位是指信号相对参考时刻发生先后的时间差。一般用角度 表示。 峭度系数：它是反映时间序列分布特性的数值统计量；在数学公式上被 定义为观测样本的四阶中心矩； 振动烈度：它被定义为振动速度的有效值，所以它反映了振动能量的大 小，反映了振动物体的强度： 静态参数：静态参数是指稳定状态下机器各部件所处位置的参数 偏心位置：指轴承中心帽对于轴颈中心的位置，若偏心位置偏离正常值 过大有可能发生轴承碰磨故障，它通常用二个垂直于转轴的传感器来监侧； 辙向位置：它是指旋转机械中转子与静予之间的轴向间隙若它们离正 常值过大有可能发生碰磨故障，它通常用一个和转轴的轴心同方向的传感器来 监测： 偏心度：它表示转轴在静态时的挠度，对偏心心度的监视可以预防出现 弯轴事故，它的监视方式同偏心位置的监测； 差胀：它是指旋转机械中的转子与静子之问轴向间隙的变化值，对它的 监视是为了防止因转子和静子由于膨胀的位移不同而造成轴向碰磨事故，尤其 对保证机组启动的安全时特别有意义，它的监视方式同轴向位置的监测： 机壳膨胀：它是指机壳相对地基的位移： 对中度：它表示轴系各转子间的连接对中程度： 工艺参数：机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数上 温度： 重庆大学硕士学位论文2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 压力； 流量； 2 1 2 旋转机械振动评定标准 目前最为常用的是通过振幅来衡量机械运行状态，根据传感器的种类分为轴 承振动评定和轴振动评定。前者是利用接触式传感器( 振动速度传感器或振动加 速度传感器) 放置在轴承座上进行测量。后者是利用非接触式传感器( 电涡流传 感器) 测量轴的绝对振动值。评定参数可以用振动位移峰峰值和振动烈度( 即均 方根值，它代表了振动能量的大小) 来表示。 振动标准划分为绝对标准、相对标准两种。绝对标准是指用以判断设备状态 的振动绝对数值：相对标准，是指设备自身振幅变化的允许值。绝对标准是在规 定了正确的测定方法之后制定的标准，所以在使用时它所适应的频率范围和测定 的方法都必须严格按照标准。因此在这里只讨论相对标准。 振动的相对标准在设备故障诊断中应用得较为广泛，因为绝对标准很难确定。 其应用方法是在对设备的同一部位的振动进行定期检测，以设备正常情况下的值 为原始值，根据实测值与原始值的比值是否超过标准来判断设备的状态。 相对标准的确定根据频率的不同分为低频( 1 0 0 0 h z ) 两 段，低频段的依据是经验值和人的感觉，而高频主要是考虑了零件的零件结构的 疲劳强度。典型的相对标准如表2 1 所示： 表2 1 振动标准 t h b i e2 it h es t a n d a r do f v i b r a t i o n 低频( 1 0 0 0 h z ) i注意区1 5 2 倍3 倍 l异常区4 倍6 倍 2 2 数据采集【1 6 【1 7 1 【1 8 【1 9 】【2 0 【2 l 】 2 2 1 采样与量化 数据采集是将表征物理量的信号采集并转换为计算机能识别的数字信号，再由 计算机进行存贮、处理、显示或打印的过程。 对于被采集的信号可以分为模拟信号、数字信号和开关信号。在这里就以模拟 信号的采集为例来讨论。 动态数据采集是将模拟量信号转换成便于存贮、传输和分析处理的数字信号 ( 或数据) ，它在整个动态测试中起着承前启后的作用，它面对的是动态信号， 9 重壅查差堡圭堂垡堡塞 ! 丝查茎鱼些些型兰堡堑墨i 堂垫型! 兰型 比用于常规工业控制和静态信号的数据采集有更高的要求。 模拟信号的采集的过程如图2 2 所示： ( d ) 图2 2信号采集过程 f i g u r e2 2t h ep r o c e s so fs a m p l i n g 采样保持的作用是使a d 在完成一次转换的时间之内，保持转换器输入端的 模拟信号电压保持不变，以保证较高的转换精度。采样保持器输出的是时域离散、 幅值连续的信号，各采样点的电压值要经过量化才能最终变成数字信号。量化实 际上是幅值量化。数字信号的数值大小不可能象模拟信号那样是连续的，而只能 是某个最小数量单位的整数倍，这个最小单位叫量化增量q 。x ( t ) 在某时刻的 采样值可以表示为增量q 与某个整数z 的乘积，即 x ( h ) * ：田 式( 2 2 ) 如果a d 转换位数为n l ，电压满标值为k ，则量化增量口= 2 可以看出，a d 转换位数为m 值越大，q 就越小，分辨率越高，量化误差就越小。但是随着转换位 1 0 重庆大学硕士学位论文2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 数的增加，转换速度会降低，转换器的成本也明显的增加。 2 2 2 采样频率混迭和消除措施 采样的核心是信号在时域离散后会不会丢失信息，也就是说信号在离散时间 采样时，在采样点之间的信息会不会丢失。离散采样把连续信号经采样会产生频 率混迭现象，量化将引起量化噪声，降低信号的信噪比。 离散采样把连续信号z p ) ( o t t ) 变为离散序列x ( n ) 0 = o ，1 ，2 ，一1 ) 。对于 的选择，从直觉来看它越小数字信号越逼近原始波形，但是当越小采样频率就 越大，在相同的样本长度下，采集到的数据n 就会越大从而导致内存消耗的增大， 是分析计算量就越大。而另一方面，过大会丢失信号的细节，还会引起频混现象。 根据采样定理信号不丢失信息的最低采样频率为 必2 厶式( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，m 为原始信号中最高频率成分的频率。若不满足此定理将产生频谱 重迭。 在对实际的动态信号采样时将产生这样的问题：在采样前不知道信号的最大频 率，如将采样频率设定太大，这样固然可以避免频率混迭，但是这。会因采样频 率太高而产生大量的离散数据，增加所需的内存。为此，在实际采集中，首先要 根据动态测试任务的需要确定频率范围， 带宽，并由此按采样定理确定采样频率。 抗混滤波器。 因此解决频率混迭的方法有： 然后对原信号进行低通滤波，限制信号 用于防止频率混迭的低通滤波器也称为 提高采样频率以满足采样定理，一般工程中取 声= ( 2 5 6 4 ) 厶 用低通滤波器滤掉不必要的高频成分，如滤波器的截止频率为f ，则 ：= 。( 2 5 6 4 2 。2 3 采样长度与频率分辨率 当采样间隔扯为一定时，采样长度t 走自长，数据点数就越大。为了减少计算量， t 不宜过长。但是t 若过短，则不能放映信号的全貌，因为在傅立叶分析时，频率 分辨率4 厂与采样长度t 成反比 a f = l t = 1 ( n a t )式( 2 4 ) 从式( 2 4 ) 中可以看出频率分辨率与采样频率和采样长度都有关系。在旋转机 械的诊断系统中，整周期采样应用较多，设对旋转频率为f 的机器每周期均匀采 点1 1 1 个，共采l 个周期，则 n = m l 而 a t = ( 1 厂) m = 1 ( f m ) 重庆大学硕士学位论文 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 故a t = ( 1 n a t ) = = r a ll 亦即上厂= f式( 2 5 ) 这保证了关键频率的准确对位。例如对于每周采集3 2 点，采1 6 周的信号，有n = 5 1 2 ，厂= ， 1 6 ，而1 6 厂正好是旋转频率。 2 2 4 采样控制方式 准确的采集数据直接关系到信号分析、在线监测的准确性。通常在 w i n d o w s 2 0 0 0 下启动a d 卡进行数据采集的控制方式有；程序查询方式、中断控 制方式、存贮器直接存取方式( d m a ) 。 程序查询方式程序查询方式就是在其运行过程中c p u 不断地询问模数转 换器的状态，判断模数转换是否已经完成。它的工作原理是：在需要采样时c p u 发出启动模数转换的命令，等到模数转换结束后，由第一输入通道将结果存入内 存，然后c p u 再向模数转换器发出命令，等到模数转换结束后由第二通道将结果 存入内存，依次类推，直到所有的通道采样完毕，如果模数转换末结束，则c p u 等待，在等待时定时查询，直到模数转换结束。该方式的优点是软件的开发和调 试比较容易，缺点是浪费c p u 的时间。 由于这种方式始终占据c p u 运行，所以在采样时c p u 不能运行其他的相关 程序的，本系统在数据采样时另外要进行其他的一些操作，如果使用该采样控制 方式，将影响这些功能的使用；同时在其他的功能使用时也有不可能保证采样的 实时性，连续性。 中断控制方式c p u 首先发出启动模数转换的命令，然后继续执行主程序， 当模数转换结束时，则通过接口向c p u 发出中断请求，请求c p u 暂时停止工作， 读取转换结果，当c p u 响应模数转换器的请求时，便暂停正在执行的主程序，自 动转移到读取转换器结果的服务子程序中，执行完子程序后，c p u 又回到原来被 中断的主程序继续执行下去，这样就提高了c p u 的效率。该方式具有很强的实时 处理能力，可充分发挥c p u 的效率。但这种方式的程序开发和调试比较复杂，如 果中断源过多时，将造成频繁申请中断，使c p u 没有时间处理其他运算，这样就 跟查询方式没有什么两样了。所以中断方式通常应用于主程序要同时处理其他任 务，不宜接受查询的情况下，以及一个或多个模拟信号源在采集时要求高度保存 实时性的情况下。因为w i n d o w s 2 0 0 0 是通过两个层次的管理机制实现中断的。在 第一层次，由系统定义的中断占用，它占用了高优先级。而用户自定义的中断一 般工作在第三个层次，即使达到第一层次，信号采集必然要受其他中断影响，从 而影响实时性。并且，以中断方式进行数据传输，仍要占用c p u ，会影响对数据 的实时处理。另外要有效保证数据实时采集，对数据处理、打印、用户消息分配 重庆大学硕士学位论文 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 的时间片一定要恰当，这给软件开发带来了较高的难度。 d m a 方式d m a 方 式是一种由硬件完成的数据 传送方式，数据通过d m a 控制器直接与存贮器进行数 据交换。其与中断方式的主 要区别( 见图2 t 3 ，实线部分 为中断方式的数据流程，虚 线部分是d m a 方式的数据 流程) 是中断方式必须由 c p u 通过程序把采集的数据 图2 3d m a 方式与中断方式的区别 f i g u r e2 3t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd m a a n do f i n t e r r u p tm o d e 从i o 端口传送至累加器，然后才送到内存，数据的传输1 0 k b i t s s ，所以高速数据 采集采用中断控制方式是不合适的；d m a 方式的数据直接在外设和存贮器之间进 行传输，而不通过c p u 和i o ，因而数据传输的速度远远大于中断方式。 根据以上的分析和比较，选用d m a 方式既可以满足数据采样的实时性、准确 性和高速性，而且不影响w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的正常运行和软件的其他的功能 的使用，因此选用d m a 方式作为本系统的数据采集控制方式，在软件的实现上， 全部根据该方式进行开发。 2 3 振动信号的分析【1 9 】【1 6 】【2 0 【2 1 1 5 【1 4 】 对监测设备采集得到的信号般情况下混杂有许多无用的噪声。信号分析就是 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，从不同角度来对机组进行分析，提取尽可能多的信息。 振动信号常用的分析方法有幅值域分析法，时域分析法和频域分析法。 2 3 】幅值域分析 在信号幅值上进行的各种处理称作幅域分析。信号的简单幅域参数包括均值、 最大值、最小值、均方根值。若信号x 。( ，) 为采样所得的组离散数据置，x ：，。， 则这些参数计算数为 平均值j = 专喜t 均方值x 。= 专喜# 最小值工。= m i n x ， 最大值“。m a x 4 x ，n 方差耻击瓤一牙) 2 峰峰值x ，一，= z 。一x 。 重庆大学硕士学位论文 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 有效值x 。= 后豁 平均幅值l 牙】= 万1 善nl _ i 波形指鹕= 裔 脉冲指标扣箭 斜度口；专喜一3 方根幅馘= b 1 善n 佩 2 峭度卢2 专善f 峰值指标c ，= 笔 裕度指标口，= 等。 斜度a 反映了概率密度函数对于纵坐标的不对称性，不对称越厉害，口越大。 一般来说，随着故障的发生和发展，均方根值x 。，、方根幅值x ，、平均幅值冤i 以 一r 及峭度卢会逐渐增大。其中对大幅值非常敏感，当其概率增加时，声会迅速增 大，这有利于探测信号中含有脉冲的故障。裕度指标和脉冲指标是无量纲诊断参 数，他们对信号的幅值和频率的变化不敏感，即和机器工作条件关系不大，而对 故障足够敏感，特别是当故障早期发生他们有明显的增加：但是上升到一定程度， 随故障的逐渐发展，反而会下降，表明它们对早期故障较为敏感，但是稳定性不 好。一般来说，均方根值的稳定性较好，但是对早期故障信号不敏感。所以为了 取得较好的诊断效果，常将它们同时应用，以兼顾稳定性和敏感性。 2 3 2 时域分析法 时域分析的重要特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序。在幅域分析 中，虽然各种幅域参数可以用样本时间波形来计算，但其时间顺序是不起任何作 用的，因为数据的任意排列所计算出来的结果是一样的。在机械设备的运行过程 中，观测数据通常有动态过程是随机过程，系统输入无法预知，机械系统互相耦 合等特点，所以在一般分析中都是把复杂系统抽象为简单的物理模型只能做一般 规律分析，很难就机器的状态作出结论。而时序法在相当多的场合是可以判定机 器运行是否正常。 时序法就是对有序的观测数据进行统计学处理与分析的一种方法，是数据的统 计处理和系统分析的一种方法。一方面可以对系统的进行动态分析，同时还可以 预测系统未来的状态和趋势。时序法中用得较多的模型有自回归滑动平均模型， 双线模型，指数回归模型，状态依赖模型等。不同的模型有不同的使用范围，自 回归滑动平均模型主要用于正态平稳过程，指数回归模型则可以复现典型的非线 性现象。 2 3 3 频域分析法 工程上所得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往引起信号 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 组态式在线监测与诊断系统的技术基础 频率结构的变化，为了通过所测的信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频 域信息。将时域信号转换为频域加以分析的方法为频谱分析。频谱分析的目的是 把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获 得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。频谱分析是机械故障诊断中用得 最为广泛的信号处理方法之一。频谱图有离散谱与连续谱之分，前者与周期性及 准周期性信号相对应，后者与非周期信号及随机信号相对应。对于连续谱用的是 “谱密度”概念。 一个周期信号“t ) ，当满足狄里赫利条件，即；周期性函数在一个周期内只有 有限个极点，只有有限个第一类间断点( 这种间断点处左、右极限存在) ，而其余 各处都是连续的，这时可以用一个傅立叶级数： ，o ) = 口。+ 【d 。c o s ( n 。f ) + 6 。s i n ( n 6 0 。f ) 】= d 。+ a 。c o s ( n 。，+ 妒。) 式( 2 6 ) 式中： a o = i b r t l 2 ：( f ) d r 钆：；2i = ：，( f nwot)dt)cos(“n2 孑上m 八f b 。= 彳2l r t i ，2 2 厂( f ) s i n ( 月f ) d r a 。为静态分量；丁为信号周期：