（机械工程专业论文）煤气鼓风机在线监测诊断系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文针对煤气鼓风机的结构形式及不问断运行的生产特点，研制出一套煤气鼓风 机在线监测诊断系统。本文对比分析了预测维修体制在国内外企业中的应用现状和发 展前景。在旋转机械故障诊断模型的基础之上，对风机的常见故障类型作了分析。研 究了引起煤气鼓风机组振动的主要原因，风机系统的故障模型和振动机理。对故障诊 断的方法，转子动力学模型的建立和振动信号的分析也作了一定的研究。最后阐述了 煤气鼓风机组在线监测诊断系统的硬件实现及软件开发中的关键技术。其中，硬件实 现详细介绍了硬件设计总体方案，传感器的选型原则、标定使用以及报警系统的设计； 软件实现介绍了软件功能结构以及对实时多处理模式研究。 该系统能在监测风机运行状态同时，实现实时数据采集与分析处理、运行界面调 度、组态参数设景、在线打印等功能。另外，该系统的精密诊断功能，实现历史数据 回放分析、时域分析、频域分析、时延域分析、轴心轨迹分析、数字滤波、相关分析、 全息谱分析、解调分析及f f t 细化分析等功能。能对风机的故障类型、部位、严重 程度以及发展趋势进行分析和预测。 该系统来源于工程实际，从用户的角度出发研制整个系统。系统操作方便，检测 速度快，判断准确率高。系统经过不断完善，各项功能得到了检验，满足了用户的要 求。 关键词：煤气鼓风机，预测维修，在线监测，放障诊断 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h i s p a p e ra i m e d a tc h a r a c t e ro f c o n s t a n tr u n n i n g g a s b l o w e ra n d d e v e l o p e d t h es y s t e m o fg a sb l o w e ro n - l i n e m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i n g t h ep a p e r e x a m i n e st h e d e v e l o p m e n te x i s t i n g c i r c t m m t a n c ea n df u t u r e a b o u tc o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e r m n c e i n t e r n a l l yc o m p a r e dw i t he x t d y o n t h eb a s e do fm t a 缸gm a c h i n e r yf a u l td i a g n o s i s m o d e l , f f t 血g xf a u l to i lg a sb l o w e ra r ea n a l y z e d t h ep a p e ra n a l y s e st h em a i n r r s o i eo f t h ev i b r a t i o no f t h eg a sb l o w , r , t h ef a u l tm o d e la n dm e c h a n i s mo f t h ew b m t i o no f b l o w e r s y s t e m t h e m e l ：h o d so f f a u l t d i a g n o s i s ，t h ek i n e t i c sm o d e l o f r o t o ra n d a n a l y z eo f w o r a t i o n s i g n a lw e r e a l s od i s c u s s e d f i n n y , 姗w r r ea n ds o f b c c a r ek e yt e d m o l o g ya b o u tt h es y s t e m w e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s t h eh a r d w a r es c h e m ea n dt h ew a yo f h o w t os e l e c ts e l l s o r sa n d c a l i b r a t ew c i 七i n t r o d u c e d t h ea l a r ms y s t d nc a na l a r mw i t hl i g h ta n ds o u n d t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h ef i d r f l eo f s o r w a r ea n ds t u d i e dt h e w a y o f r e a l - t i m e p r o c e s s t h i ss y s t e mc a r lm o n i t o rt h ec o n d i t i o no fg a sb l o w 氍a tt h e $ r 1 t i t i m e , i ti n c l u d e d r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gi n t e r f a c ea t t e m p t i n g , c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r s s e t 血g ，o n - l i n ep r m t j n g o nt h eo t h e rh a n d , i tc o n r e a l i z e sh i s t o r i c a ld a t a r e p e a t , t i m ef i e l d a n a l y s i s ，s p e c t l l l ma n a l y s i s ，t i m ed e l a yf i e l da n a l y s i s ，a x i s o r b i ta n a l y s i s ，d i 鲥f i l t e r , c o r r e l a t i o na n a l y s i s 。h o l o g r a p h i cs p e c t r u ma n a l y s i s ，d e r a o d u l a t i o na n a l y s i s ，f f rd e l i c a t e a n a l y s i sa n d s oo n ，t h ef a u l tc l a s s i f i c a t i o n , p o s i t i o n ，s e v e r i t ya n dt r e n da b o u tt h eg a sb l o w e r c a nb ed i s c o v e r e da n df o r e c a s t e d t h e p r o j 耐c o m e f r o mt h e r e q u e s to f a 培访篦瘟唱t h es y s t e m w a s d e v e l o p e d b a s e do n t h er e q u e s to fu s c 3 r t h es y s t e mw a se f f i c i e n ta n da c c u r a t ea n dw a se a s yt oo p e r a t e t h e s y s t e mw a si m p r o v e dg r a d u a u y a n di t sf u n c t i o nw a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：g a sb l o w e r , c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e o n l i n e m o n i t o r i n g 。f a u l td i a g n o s i s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 机械设备故障诊断技术发展概况2 】 3 】【4 】圈 6 】 7 随着现代大生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，功能越 来越完善，自动化程度越来越高。由于许多无法避免因素的影响，有时设备会出现各 种故障以致导致其丧失或阿氐预定功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故。国内外 曾经发生的空难、海难、爆炸、断裂、毁坏、泄漏等恶性事故，造成了人员伤亡，产 生了严重社会影响。因此保证设备的正常运行，消除事故，是十分必要和迫切的问题。 现代设备的安全性和可靠性取决于两个方面，一是设计和制造各项技术指标的实现； 二是设各安装、运行、管理、维修和诊断措施。因而设备故障诊断技术已经成为设备 管理现代化，保证设备安全可靠运行的重要手段。 故障诊断技术由于其复杂性，不可能只采用单一的方法，而是各种学科交叉综合 运用，广泛探索有利于故障诊断的原理、方法和手段。故障诊断技术是建立在基本理 论、基本物理机制、数学方法、技术手段和组织管理等方面的一个新技术，主要就是 为了对设备实现预测维修，通过监测获得设备的运行状态，根据获得的状态判断设备 运行是否正常，如果不正常，经过分析与判断，指出故障部位，故障原因，便于管理 人员维修：或者在故障未发生之前，提出可能发生故障的预报，便于管理人员尽早采 取措施，避免发生故障。 设备维修体制的发展可以分为三个阶段： 事后维修：即设备坏了以后才维修。这种维修方式的缺点是：如果要产生废品 廷i 废品已经产生：如果要引发事故，则事故己成为现实：坏了之后才考虑维修所需的 各种器件，势必延长停机时间，增加生产损失；坏了才修，机器可能受到过度损伤， 也会增加维修费用。所以这种维修方式被称为不足维修。 定期维修：我国的定期维修体制是5 0 年代中期从苏联大量引进设备和技术的 同时引进的维修方式。以时间为依据，实现定期小修、中修、大修，在很大程度上防 止了事故的发生。但在实践中常常出现两种情况，其一是维修时间尚未到达，设备已 经出现了故障，这实质上和事后维修没有区别，也称为维修不足。其二是维修时间虽 已到达，但设备还完好无损，于是也只好依据维修制度进行维修。这样来，不该停 机停下来了，不该拆换的拆换了，甚至在维修中造成 为的新的故障。显然这种情况 下的维修是多余的，称为过剩维修。维修不足和过剩维修都会造成很大的经济损失， 严重影响生产安全。为了避免这两种情况，出现了预测维修。 预测维修：随着电子技术和计算机的发展，设备也变的更加复杂，对设备安全 可靠运行的要求更高。利用计算机连续或定期监测设备状态，诊断设备故障，判定故 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 障类型、部位、严重程度、变化趋势，使维修人员能在维修之前作好有关准备，做到 该修才修，如果要修，也是有针对性的维修。预测维修体制是保障设备经济安全运行 的最佳维修体制。 设各的状态监测与故障诊断经历了以下几个阶段： 在经历了依靠人的感宫及经验判断设备振动状态及故障之后，使用广泛的是简易 诊断仪器仪表。它是对某单一的振动信号进行检测，计算出某特征参数。当特征参 数小于允许值时便认为正常，否则为异常。常常用超过允许值的大小来表示机器故障 的严重程度。常用的简易测振仪表可分为三大类：位移型涡流式轴振动仪、速度型传 感器振动仪、加速度型传感器振动仪。 随着技术的发展，出现了用于设备状态监测、故障诊断的专用信号分析仪。如频 谱分析仪。这些信号分析仪大多具有f f t 分析功能，可给出所测点振动大小，进行时 域和频域分析，常带有显示、打印等功能。如s d 3 8 0 z ( 美国) ，- p 3 5 6 2 a ( 美国) 等。 这些仪器经过不断发展，功能不断强大，可靠性也越来越高，已在各行各业得到使用。 数采器是8 0 年代中期发展起来的，近年来已发展成为便携式的集采集、放大、存 储等基本功能为一体的智能化仪器。它可以配接检测振动、相位、温度等的多种传感 器。该数据采集器除具有上述专用信号分析仪功能外，还具有存储功能及与计算机进 行通信的功能，这样可实现对历史数据的回放分析及将数据传输到计算机进行一步分 析。但它不具有实时监测功能，分析功能往往简单并不具有扩展性，要进一步分析还 需配备一套计算机系统。数采器有如下产品i r d 系列( 美国) ，s d 2 3 1 ( 美国) ，c f - - 1 2 0 0 ( 日本) ，s p - - 2 0 0 ( 中国) 等。 随精计算机技术及网络技术的迅速发展，形成了以计算机为主的监测与诊断系统。 用计算机和软件建立的诊断系统，具有投资少，功能强大且易于扩展和升级，使用维 护方便等优点。随着计算机技术和诊断方法的发展，以计算机为中心的监测诊断系统 将在机械设备状态监测与故障诊断中占有越来越重要的地位。 计算机状态监钡4 与诊断系统最终要达到较高的智能，最太限度地代替人来进行设 备的状态监测与故障诊断，它具有如下发展趋势： 以微机为主的监测诊断系统将成为今后几年的主力军，并不断向网络监测诊断 及远程诊断发展。网络化监测诊断系统一般都采用功能分布式结构体系。即在采用高 性能的计算机作系统的中心处理器的同时，还采用一些专用设备或处理器来完成诊断 监测过程中某些特定的工作，形成一个多处理器的其有一定并行处理能力的系统a 随着计算机功能的不断强大，将使人工智能研究成果不断引入到设备的状态监 测与故障诊断中。从而使监测诊断系统具有自学习能力。另外，专家系统的应用将使 监测诊断系统向智能化迈进一大步。 模式识别理论用于监测诊断技术，将使系统处理问题的能力得到极大的提高， 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 从而使监测诊断系统得到更加广泛应用。 虚拟现实技术在监测诊断系统中的使用将使远程诊断、智能诊断更加完善。 1 2 国内外故障诊断技术的发展现状阿8 】【9 】 1 0 】 故障诊断技术是从应用的角度提出来的，它涉及确定型、随机型、模糊型、推理 型、智能型、拓扑型、混沌型等系列广义数学领域而且正在不断的交叉、融合与发 展之中。故障诊断技术是工程实践手段，包括硬件和软件以及从业人员。其中单项技 术如振动诊断、油液分析、红外技术、激光技术、超声技术、射线技术等。综合技术 是有关单项技术的综合，以便有效地解决某种实际诊断问题。诊断系统( 网络) 的设 计与实现是高层次的诊断技术，它离不开诊断理论的指导和计算机技术、信息工程技 术的支持，而且只有在充分掌握设备本身知识的情况下才能很好地完成任务。 1 2 i 国外现状简介 在故障诊断技术上，国外做了大量的工作，他们不仅在理论上进行创新，并且积 极把相关产品推上市场。 在理论上，由于机械故障诊断技术难以克服的困难，限制了其向工程应用的进军 步伐。因此，近年来专家系统重视了与传统程序的结合，以及与新技术人工神经网络 的结合。而且各种数学方法的问世与发展，也在故障诊断领域中取锝了广泛的应用和 发展。因此，在现在的故障诊断学科上的研究常常出现多学科、前沿性、学科交叉性 等特点，它的发展依赖于相应的数学方法、人工智能技术的发展和成熟。 在实际应用上，近年来故障诊断技术在大型机械上得到了广泛的开发和应用，世 界各国开展研究工作，并不断推出新的产品，其中以美国最为先进，如它的b e n t l y n e v a d ac o r p o r a t i o n ( b n c ) 公司在这方面推出了系列产品，最近推出的d m 2 0 0 0 系统 体现了几个特点。一是大量数据采集。二是利用网络进行分布式操作，以减轻单台微 机的工作量。三是友好的数据显示，从用户的角度来进行状态监测。四是诊断过程智 能化。 1 2 2 国内研究现状 在化工、冶金、电力等行业的生产过程中，大型旋转式机械是维持生产装置安全、 稳定、长周期和满负荷运行的关键设备，是生产设备的心脏。我国自8 0 年代初以来， 在设备管理和维修中大力开展状态监测与故障诊断，取得了巨大的经济社会效益。经 过近二十年的发展，企业都充分认识到，设备监溯技术的应用，不仅是推动维修方式 改革和设备管理现代化的有力工具，而且已成为防止设备事故，保障设备安全、节约 维修费用、降低能源消耗、提高产品质量的重要- t - - e 。由于对状态监测的认同和致力 于创造更大的效益，国内备企业都结合自身特点，制定了大型机组的管理和维护制度， 大力落实和不断扩展设各诊断技术工作，制定了判断准则，经过多年的努力和开拓， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 使企业设备诊断技术上升到较高层次，并取得了一系列成果： 9 0 年代以来，在线监测系统在一些企业逐步得到应用j 开始时只用于为数不 多的机组和测点，现在已发展成为多机组、多测点的大规模监测；先后出现了远距离 光纤传输集中监测系统和多装置分散监测系统，系统的网络化程度越来越高，也越来 越适用于流程化生产的特点和需要。 振动监测在诊断系统的不断推广应用，带动了频谱分析技术和红外热成像技 术在企业的配套应用与发展，并相互促进和扩大了各种监测技术的应用领域。 坚持引进新技术，向国外先进水平靠拢，逐步提高设备诊断的准确率，促进 了国内诊断技术的发展。例如，兰州炼油化工总厂引进了美国恩泰克( e n t e k ) 公司 e x p l o r e 专家诊断系统，并与西南交通大学、兰州大学先后合作开发了在线智能诊断系 统和r o f d 旋转机械故障诊断系统，在工厂监测工作中发挥了重要作用。 从无到有、从4 , 至f j 大，建立了一支状态监测专业队伍，成立了各种专业监测 诊断协会，使设备状态监测诊断工作在全国各大中型企业中不断得到普及和发展。 但是，国内的状态监测研究与应用仍存在不足之处，主要表现在： 传感器配置不完善。经调查，中国石化系统7 0 的大型机组没有配置相位传感 器。这使得对机组的监测仅停留在频谱分析的水平上，故障诊断的唯一性和准确性受 到很大限制，导致故障诊断更多地是凭经验，而不是依靠先进的技术分析。而美国本 特利公司推出的应用于大型汽轮机的透平监测仪器系统( t u r b i n es u p e r v i s o r y i n s t r u m e n t a t i o n 简称t s i ) ，除了配置常规振动、轴位移传感器以外，还增加了模态 识别传感器、差胀传感器和缸胀传感器，增加一类新的传感器在很大程度上就为减少 某些重大事故创造了条件。 监测手段单一。国内很多企业对机组的监测仅停留在简单的时域波形分析和振 动频谱分析，些先进的分析技术，如倒频谱分析、时频分析、多传感器数据融合、 全息谱技术、轴心轨迹提纯以及小波分析等，未得到广泛推广和应用。 在应用设备状态监测技术过程中，振动监测开展得较好，但频谱技术、红外热 成像技术研究应用得不够，往复式机械的监测工作尚未广泛开展起来。 在管理上，个别企业还未把监测工作纳入设备管理之中，重视程度不够。与国 外相比，国内的诊断技术在对系统配置、振动监测、预知维修、专家系统、网络化诊 断的认识方面存在较大的差距。 在对振动监测的认识上，当转子系统发生故障前有时表现的不是振动的增大， 而是振动的减小，其原因在于转子振型的节点( 零位漂移) 发生了漂移，当节点移到 传感器附近时，测量的振动就会减小。这给我们一个启示：在处理故障、是否停机时 不能简单地把振动高和机组危险状态联系起来。 国内企业一般把状态监测的重点放在故障分析上，预知维修开展得并不好，过 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 剩维修仍在继续。国外企业不仅把状态监测用于故障分析，而且用于机组的可靠性评 价。其工作的中心环节是严格设定每台机组不同测点的窄带报警界限。通过大量采集 的数据找出机组的正常频率幅值，再增加2 5 作为报警值。如果停机前的数据都在报 警值内则取消维修，从而达到节约资金的目的。 在对专家系统的认识上国内外也存在差异。国内更倾向于把专家系统用于现 场，国外则认为“专家系统更好的用途是培训人”。美国本特利公司把自己的“专家系统” 称作e a ( e n g i n e e r a s s i s t ) 即工程师辅助软件。实际上，专家系统甚至专家并不能诊断所 有故障，“用于培训人是对专家系统用途更合理的评定【2 】。 在网络化诊断方面，国内一些企业在企业内部建立了在线监测和离线监测网 络，将一些在线监狈l 予站或离线监测仪器联成了网络，但企业之间并没有建立网络信 息联系。美国南部电力公司( s o u t h e r ne l e c t r i cp o w e rs e r v i c e ) 则通过恩泰克公司提供 的广域网预测维修p m 软件将公司的3 0 个电站共9 0 台机组组成一个整体，这种网络 的特点是将同类装置或相同工艺流程下的机器信息联系在一起，大大提高了信息的对 比和利用水平。 国内的监测诊断产品设备普遍缺乏必要的技术服务和技术培训，而国外除了生 产和销售机器监测和保护系统外，还提供机械故障诊断服务，为用户提供技术培训， 创立证书制等。这些技术服务和培训，在国内是很需要的，但目前仍很缺乏。 1 3 课题的研究内容与意义 1 1 】【1 2 1 1 3 】( 1 4 【1 5 1 6 】【1 7 1 1 8 】 l _ 3 1 基本情况介绍 煤化工公司是某钢铁集团下属重点骨干企业，近年来，随着整个生产规模的不断 扩大，而且由于该煤气鼓风机的重要性突出，一旦停机会造成全公司的煤气无法平衡， 影响到烧结、炼钢系统及动力锅炉的生产，以及整个攀枝花煤气的供应等一系列问题。 同时，焦炉煤气无法回收而放空也影响了环保，因此对设备运行状态的监控也就提出 了更高的要求。该设备单台机组的结构简图如图1 1 。 增速箱 耦 电机 舍 器 风机 图1 1 设备布置简图 f i g u r e1 1d i a g r a n lo fe q u i p m c m td i s p o s a l 重庆大学硕士学位论文l 绪论 机组相关参数如下： 电机 型号：y k l o o o 2 9 9 0功率： 1 0 0 0 k w 转速：2 9 7 5 r p m 液力耦合器 型号：g s t 5 0 增速器 型号：g y d - 3 5 0 - 1 3 2 0 1 5 2 2圆弧圆柱齿轮 增速比：1 5 2 2 z 1 = 1 0 2z 2 = 6 7 煤气鼓风机 型号：d 1 2 0 0 1 1 6 0 8 6入口压力：o 0 8 4 m p a ( 绝对) 进口流量：1 2 0 0m 3 m i m排出压力：o 1 1 4 m p a ( 绝对) 额定转速：4 4 0 7 r r a i n实际转速：4 0 0 0 4 2 0 0 r m i n 叶轮直径：1 1 9 m叶片数：2 0 整个二期煤气鼓风机共三台机组，工况需要运往两台，一台备机。该机组故障种 类多，且许多故障非常隐蔽，如轴向窜动、转子碰磨、滑动轴承油膜共振、转予不平 衡、不对中等。这些故障的存在，严重影响鼓风机运行的经济性和安全性，严重影响 正常生产。 本课题立项以前，煤化工公司采取了三层措施对风机进行检查维护：一是各级管 理人员、岗位作业人员利用自己的经验，通过五官检查法，结合风机各种参数做定性 判断。由于仅靠经验判断，诊断结果差另较大，而且对设备劣化趋势心中无底，常常 是该修时不修，不该修时又不得不进行例行维修；二是利用简易的手持式铆4 振仪对设 备进行定期测试，分析和记录固定间隔时间的有关振动的各种数据，建立运行状态趋 势图表，作简单的定量分析和状态判定。这种方法由于受测试者、测试时间、检测方 式以及现场工况条件等诸多因素的影响，所测数据随意性较大，前后数据缺乏可比性， 不能准确反映机器的运行状态和预测设备的劣化趋势，常常出现误报警和误诊断，应 用效果不甚理想：第三，风机转子是鼓风机的心脏，是重点监测和维护的部件，常对 它进行定期维修。由于煤气鼓风机是连续运行设备，停机维修会对炼铁生产造成影响， 在起停过程中比较容易出事。如2 0 0 3 年1 月发生了三次事故，造成了较大的经济损 失。因此，公司机动处和煤化工公司的有关领导、技术人员认为非常有必要尽快为这 3 台煤气鼓风机安装在线监测诊断系统。 “煤气鼓风机在线监测诊断系统的研究利用传感检测、信号处理、模式识别、预 报决策及计算机等技术和煤气鼓风机的有关知识，监测煤气鼓风机机组在运行过程中 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的振动参数及有关性能参数及其动态变化，在机组运行过程中，作出是否有故障、故 障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断机组性能劣 化趋势，并制定出相应对策和处理结果。使运行、维护、管理人员能在维修之前做好 有关装备，做到该修才修。如果不用修，就可以放心大胆的运行。并可根据监测诊断 结果，进行技术改造，避免类似事故再次发生。 通过本项目的实施，使煤气鼓风机机组监测诊断水平达到国内领先水平，实施本 项目的意义在于： 避免机组发生重大事故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，哪里坏了修哪里，而不 是大拆大卸，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，有效地支援运行，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。根据监测诊断结果确定维修时间、维 修部位和维修方法，并根据诊断结果进行技术改造，可以刚氐设备故障停机时间，减 少计划检修时间和非计划检修时间。提高开工率，增加产品产量，减少同类事故发生 的次数。 重庆大学在设备点检、状态监测及故障诊断技术领域进行了十多年的大量的理论 研究、系统( 硬件、软件) 研究和工程应用研究，承担并完成了国家级火炬计划项目 ( c d m s 信号处理、故障诊断及振动分析系统系列产品的研制与开发。该系列产品 分别于1 9 9 0 年、1 9 9 1 年、1 9 9 4 年、1 9 9 7 年及2 0 0 0 年通过了国家科委、国家教委主 持的技术鉴定、产品鉴定及项目验收。获得了国家五部委( 国家科委、国家教委、中 国工商银行、国家劳动部、国务院引进国外智力领导小组) 联合授予的国家级新产品 证书，“处于国内领先水平，达到国际当今先进水平”。到目前为此，c d m s 系列产 品已先后完成了部件仪器、软件开发、离线监测诊断系统、在线监测诊断系统等四大 类2 1 种产品的开发。已在国内7 0 多家大型企业推广应用，并在世界银行贷款项目国 际招标中两次中标，获得多项国家、省、市科技进步奖。我校在系统的可靠性、实用 性等方面更有独到之处。部分产品在冶金行业的攀钢、宝钢和重钢也得到了成功的应 用。 在以上技术成果的基础上，进行该项目的系统方案设计、系统配套设计及软件开 重庆大学硕士学位论文l 绪论 发。 1 3 _ 2 项目内容和工作计划 该项目的主要内容是在机组的整个运行过程中在线连续监测，完成以下内容： 实时监测机组振动及转速大小，与标准对比，判别机组状态，进行报警。 在升降速过程中，实时监测机组的动态特性。 实时监测滑动轴承油膜振荡、动静碰磨、轴向窜动、联接松动、轴不对中、 结构共振、动不平衡等故障的性质及严重程度。 根据设定的警告值、危险值进行幅值报警，趋势报警，提前预报故障类型， 严重程度及变化趋势，报警时有声光提示。正常运行时由高分辨率彩色显示器以图表 方式动态显示各参数的大小。 系统的数据库信息主要是供人工状态分析，事故原因分析等。其数据管理分 为四级： 原始数据管理：始终保存最近3 0 分钟内的各通道的振动原始采样数据。 特征数据管理：始终保存最近6 0 天自动运行时，分析计算的特征数据。包括各 通道的特征值、不平衡量大小、转速等数据。 报警数据管理：当系统发生报警时，永远保存报警前1 5 分钟和报警后1 5 分钟的 原始数据，直至人工删除为止。 远程分布式监测诊断，采用i n t e m e t 和i n t r a n e t 技术，实施异地远程监测诊断， 能充分利用更多的技术支持和数据共享。 预留r s 4 8 5 接口2 个，以方便今后连接缓变信号，如：温度、风压、风量、 油压、油箱液位等，最多可达1 2 8 个参数。 煤气鼓风机机组在线监测诊断系统睬用先进的主从分布式、在线、实时、多任 务、前后台工作方式。一套监测诊断系统可同时对三台风机机组进行实时监测诊断， 这样即保障了系统要求，又减小了系统成本。系统由信号在线监测系统和离线精密分 析诊断系统组成，如图1 2 所示。 其中在线监测系统由三个信号采集子系统和简易诊断系统组成。主要完成对所监 测煤气鼓风机振动及转速的信号拾取、信号调理、形式转换和同步采集。在线监测诊 断子系统主要是接收信号采集子系统的原始信号，进行组态设置、数据存储、信号分 析、特征提取、状态判别、故障诊断、数据管理、声光报警等。信号采集子系统接受 在线监测诊断子系统的控制。该系统具有多通道同步测量和模拟信号广泛的处理能 力，具有多种现代信息处理方法的软、硬件及其可扩展组件结构的强大的再开发功能。 该系统充分吸收了c d m s 系统的有关成果，系统运行速度快、精度高、功能丰富， 充分考虑了现场操作人员的实际情况。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 2 系统结构简图 f i g u r e1 2t h e a o f s y s t 1 3 3 项目技术路线及计划进程 根据技术协议，该课题的项目技术路线及计划进程如下： 确定煤气鼓风机在线监测诊断系统的总体设计方案，包括整套系统的体系、 结构、功能和实现途径； 根据总体设计方案，在最优性能价格比的前提下进行设备选型，确定传感器、 调理仪、模数转换卡、工控机等硬件设备的型号、规格： 根据总体设计方案，结合硬件设备，确定用户软件的操作系统、编程语言、 基本算法等，并对一些算法进行实验测试或模拟仿真。 建立软件系统框架，通过解决一些关键技术，如a d 采样、数字量信号输出、 消息响应、信号的程控增益放大、操作界面的调度、异常处理、数据库的建立等，逐 步细化和完善软件功能，形成一套进入现场前的原型软件； 现场硬件设备的安装调试，包括传感器的分布、安装与标定、信号电缆与电 源电缆的现场布线、信号调理仪的设计安装、a d 板与计算机接口处理、报警电路的 设计、工控柜的安装等工作。硬件设备安装不仅是一项体力工作，而且需要安装者具 备机械、电子、计算机及测试技术等多方面的知识背景，以便能对安装过程中出现的 不可预计的困难做出及时应对处理。 现场调试。这是整个系统研制过程中工作量最大的一个阶段，因为前期的软、 硬件设计中的种种不足与缺陷都会在此暴露出来，解决这些问题需要全面综合考虑， 三个大的原则是： 首先排除系统硬件故障； 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在排除硬件故障的前提下，解决软件问题； 多次反复，不断验证，逐步完善。 现场调试最终要求形成一套软硬件相互协调配合、基本功能具备、系统能正常运 行的测试软件，为下一步的试运行打下基础。 试运行阶段。通常，一套系统完成后都需要经过至少半年的试运行阶段进行 测试检验。在此阶段，煤气鼓风机设备及监测系统自身都会遇到各种异常情况，外部 异常如系统突然掉电、设备停机、工况改变、传感器工作环境异常等，内部异常如系 统消息响应速度慢或不响应、死机、组态不合理、数据库溢出、人工操作容锴 生差、 诊断功能不完善等，这些异常的出现都将极大地考验系统软硬件各项功能的完备性。 有些异常情况的出现是事前无法预计和处理的，试运行阶段就是要暴露并希望尽可能 暴露所有异常( 但这是不可能的) ，并解决由于异常可能引起的系统功能缺陷。 系统鉴定与验收。主要工作是鉴定资料准备、申请鉴定、系统交接等。 人员培训与系统维护服务。系统的维护及系统运行的各种反馈信息能为我们 评价该套系统的优劣提供较客观的依据，从这种意义上讲，系统的研制周期将一直延 续到系统运行寿命的终结。 通过该项目的研制与实施，能最大限度地避免爆炸、飞车等重大事故造成的人身 伤亡、停产和机组损坏，避免由于这些重大事故造成的直接或间接经济损失；能及时 准备备品备件，及时处理有关故障，做到该修就修，无故障或故障轻微时就不修， 放心大胆地运行，从而实现预测维修，使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费 用最低：能为操作人员及时提供信息，有效支援运行，从而提高了设备使用的合理性、 运行的安全性和经济性；通过煤气鼓风机在线监测诊断系统的振动信号分析，实现对 煤气鼓风机转子的磨损修复，延长转子的使用寿命、保证检修质量，降低设备费用的 投入。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 信号分析处理 2 信号分析处理 2 1 信号分析与处理基础【1 8 】 1 9 】 2 0 【2 1 2 2 】 2 3 通常把可测量、记录的物理量泛称为信号，他们一般是时间的函数。信号或者动 态信号的分析是设备故障诊断的前提和基础。对旋转机械设备来说振动对设备状态的 联系更直接。振动分析测量在旋转机械的故障诊断中占有极为重要的地位。 2 1 1 信号的分类 信号的分类方法很多。幅值不随时间而变化的信号称为静态信号，而在工程中所 遇到的大多数信号均为动态信号。动态信号又可分为可用确定的时间函数来表达的确 定信号和不能用时间函数来描述的随机信号，具体分类如下： 动态信号 确定性信号 随机性信号 周期性信号li 非周期性信号i1 平稳信号li 非平稳信号 简 谐 信 号 复 杂 周 期 信 号 准 周 期 信 号 各 态 历 经 信 号 图2 1 信号分类 f 塘u r e 2 1 s o r ts i 印a 1 非 各 态 历 经 信 号 调 制 非 m 稳 信 号 如果系统情况的状态变量不能用确切的时间医数来表述，无法确定状态变量在某 时刻的确切数值，其物理过程有不可重复性和不可预知性，则称这样的过程是随机的， 而描述它们的测量数据就是随机信号。 2 1 2 周期信号分析 1 ) 当两个频率相同，相位不同的简谐振动的合成时： 重庆大学硕士学位论文2 信号分析处理 令x i = a is i n ( w f + 口1 ) ，x2 = a 2s i n ( w f + 口2 ) ，贝0 ： x = x 1 + x 2 = a ls i n ( w t + a 1 ) + a 2s i n ( w t + a 2 ) = a i ( s 血w t c o s4 l + c o sw ts i n 口1 ) + a 2 b i l lw tc o s 口2 + c o sw ts i nn 2 ) ( 2 1 ) = s i nw t ( a ic o $ 4 i + a 2 c o s 口2 ) + c o sw t ( a ls i n 口】+ a 2s i na 2 ) 令：j 加0 8 非4 1 0 0 8a i + a 2c 0 8a 2 ( 2 2 ) 一 f a s i n 口= a l s i nd 1 + a 2 s i n 2 一7 将( 式2 2 ) 两端平方再相加，可求得： a = 群+ 名+ 2 4 4c o s ( a 1 一a 2 ) ( 2 3 ) 将( 式2 1 ) 两端相除，可求得： t g a ：生! ! 翌! ! 生竺旦土 ( 2 4 ) 5 i 面i 了素i i 犯4 ) 将( 式2 2 ) 代入( 式2 1 ) 式，可得： = ac o s 口s i nw t + a s i n 口c o sw t = a s i n ( w t a ) 式中，a 由( 式2 3 ) 表示，a 由( 式2 4 ) 式表示。 由此可知：两个频率相同的简谐振动，沿同一方向进行时，合成后仍是一个相同 频率运动的谐振动。 两个以上同频率的简谐振动也可用上述方法进行合成，设有k 个谐振动： x l = a is i i l ( w t + a 1 ) x 2 = a2s i n 【w f + 口2 ) x t = a s i n ( w t + 口 ) 其合成振动可表示为：x = as i n ( 州+ 口) 式中：4= a 。s i n 口= a r c t g 。一 4 。c o s 口。 2 ) 当两个频率不同，相位不同的简谐振动的合成时： 令x l = a 1s i n ( w l t + o c l ) ，z 2 = a 2s i n ( w 2 t + 啦) 其合成运动为： x = x l + x 2 = a ls i n ( w l t + 口1 ) + a 2s i n ( w 2 f + 口2 ) = 4 。s i n ( w ，f + 口1 ) + a 2s i n 【( w l t + a ，) + ( w ：一w 】，+ ( 口2 一n ，) 】 = s i n ( w l t + 口1 ) 爿l + a2c o s 【( w2 一w 1 ) f + ( 口2 一a 1 ) 】) + s i n ( w t t + 口1 + 7 r 2 ) a 2s i n ( w2 一w 1 ) f + ( 42 一口1 ) 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 信号分析处理 由上式可咀看出，两个不同频率的谐振动合成，可以看作是由幅值为 4 。+ a ：c o s 【( w ：一w 1 ) f + o ：一n 。) 】和a2 s i n ( w 2 一w 1 ) f 斗a ：一e t l ) 】以及相位 为d l 和a 2 十万2 的两个同频率振动合成。 其合成结果为： x = a ( t ) s i n 【w 。t + d 。+ 口( f ) 】 式中：a ( t ) = 爿+ a ；+ 2 4 4 ：c o s ( w ：一w 。x + a ：一口。) 】 t g a ( t ) = a t 生+ a 1 2 巡c o 丝s ( w 二2 当- 蔓w l ) f 选+ ( a 二2 鱼- 丝a 1 ) 由上两式可以看出，其合成振动的振幅和相位都随时间变化，已经不是谐振动。 而且当两谐振动的频率都是不大的整数时，其合成振动是周期性运动，其周期为两个 分振动周期的最小分倍数。 3 ) 两个振动频率比较接近，即其差g = w ：一w ) 远小于w ，和w 。的情况： z 2 = a2 s i nw 2 f + 岱2 ) 则x 2 = a 2s i n ( w 1 f + ( e t + a 2 ) ) ，即把量看作和置具有相同的频率，相位 白+ 口：) 随时间进行缓慢的变化运动，其合成运动为： x = x 1 + x 2 = a ls i n ( w l t + 口1 ) + a 2 s i n w l t + 0 + d2 ) ) 令：x = 爿( r ) s i i l w 。t + a 6 ) 】 利用同频率的两个谐振动合成的公式( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 可得： 一o ) = 彳? + a ；+ 2a i a ：c o sb f + 0 ：一口。) 】 t g a ( t ) = 篙嚣等等等黜 泣s ， 可见这种合成振动近似于正弦振动，但其振幅随时间发生变化。由( 式2 5 ) 可知： 当c o sl f + a 2 一a 1 ) 】= i 时，b 9 科+ d 2 一q = 2 m r( n = o 、1 、2 ) 或 f = 2 刀万一q ：一4 t 髟时，振幅达到最大值，其值为：4 + a i ； 当c 。s 瞄f + ( 口：一n ，) 】：一l 时，即f = 1 2 ”刀+ 万一( 口z 一口t 矽时， 振幅达到最小值，其值为a 。= 一，一一： 这种振幅在最大值( 一：+ 彳。) 和最小值0 ：一一。) 之间作周期变化的现象口u 做“拍振”。 4 ) 互相垂直的两个谐振动的合成 令：r = 彳s i 趟h ，+ ) ，y = b s i n ( w 2 t + 口2 ) ( 2 6 ) 其合成结果与频率w 。，w ：和相位q ，a ：有关，合成得到的图形称为李萨育图形。当 w 1 = 毗时，由( 式2 6 ) 有： 、， 口+fw ，l ns 爿垤 r z = ： w设而 重庆大学硕士学位论文2 信号分析处理 了邰“沁0 5 q 托0 8 w 呲“ ( 2 _ 7 ) 睁i n w r c o s a 2 - - c o s w t s 咄 消去( 式2 - 1 2 ) 中时间参量t 得到： ( 等) 2 + ( ；) 2 _ 2 箸c o s ( 口1 吨) - s i n 2 ( ” 一般来说，上述方程是一个椭圆，因为质点的位移x 、y 在有限范围内变动，则 椭圆不会超出2 a 和2 b 为边的矩形。同时，椭圆长短轴的大小和方向由相位差 ( a 2 一口1 ) 决定。 5 ) 谐波分析 简谐振动是周期性振动最简单的形式，在实际问题中更多的是非简谐的周期性振 动。周期振动只要满足以下条件，也可以分解为简谐振动，条件是：1 ) 函数在一个周 期内连续或只有有限个间断点，而且间断点上函数的左右极限都存在：2 ) 在一个周期 内只有有限个极大和极小值。把一个满足上述条件的周期函数展开成傅立叶级数，亦 即展开成一系列简谐函数之和，称为谐波分析。谐波分析是频谱分析的基础。 设有一周期性函数工( t ) 它的周期为t ，可以展开成傅立叶级数。 x o ) = 罢 + d jc o s w t + d 2 c o s2 w t + + b l s i n w t + b 2 s i n w t + = 粤+ a 。c o s n w f + b s i n n w t ) 式中w ：姿称为基频，n w ( n - 1 ，2 ，3 ) 称为倍频，d 。为静态分量， a 。，b 。均为待定常数，由下式确定： 铲手触) c o s