（机械电子工程专业论文）6m25往复式压缩机状态监测系统研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 大型六缸m 型往复压缩机是化工气体压缩的重要装备，设备规 模大，价格昂贵。该类压缩机运行工况恶劣，若发生故障易对压缩机 产生巨大破坏和人员伤亡严重事故。通过对压缩机建立实时在线的状 态监测与故障诊断系统，及时掌握设备的运行状况，预知设备的异常， 减少设备故障率与维修费用，实现设备安全、稳定、长周期运行，使 设备管理现代化。 首先，针对“6 m 2 5 往复式压缩机状态监测与故障诊断系统”的 要求，构建了基于“传感器与变送器一p l c 一工控机”硬件架构的监 测系统，并综合考虑现场复杂环境和多种因素对硬件进行选型。 其次，在分析对比s 7 通讯网络m p i 、p r o f i b u 和工业以太网各 自特点和适用范围的基础上，为了确保监测系统通讯的可靠性，采用 m p i 方式实现工控机和p l c 之间的通信。研究了在d e l p h i 开发环境 中，调用p r o d a v es 7 动态链接库，采用m p i 方式实现监测系统的 工控机与p l c 之间的通信。 再次，对基于d e l p h i 的监测软件和基于s t e p 7 的p l c 的程序进 行了设计和研究：此外在信号预处理、抗干扰设计等方面进行了研究。 最后，对现场安装和运行实验进行了介绍。运行情况表明，监测 系统能完全满足压缩机运行状态实时监测及精度要求，故障预报警准 确，系统运行情况良好。该监测系统技术研究对建立大型设备的状态 监测和故障诊断系统具有很好的借鉴和参考价值。 关键词压缩机，状态监测，数字滤波器，p l c 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 6 m 2 5 r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ri sac r u c i a le q u i p m e n ti nc h e m i c a l p l a n t , a n di ti sh u g ea n de x o r b i t a n t i t sw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ev e r yb a d 。 i fs o m e t h i n gg o e sw r o n g , t h ec o m p r e s s o rw i l lb es e r i o u s l yd e s t r o y e da n d e v e no c c u rg r e a tl o s s b ye s t a b l i s h i n gt h eo n - l i n es t a t u em o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i n gs y s t e m ，t h ee q u i p m e n to p e r a t i o ni sm o n i t o r e d ，a n dt h e n t h eu n u s u a lp h e n o m e n o nc a nb ef o r e c a s t e di no r d e rt od e c r e a s et h e r e p a i r i n gf e ea n dt r o u b l e s ，8 0t h ee q u i p m e n tc a nb ek e p ti nas a f e ，s t e a d y a n dl o n gt i m eo p e r a t i o n f i r s t l y , a c c o r d i n gt os t a t u sm 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 mo f 6 m 2 5 一s t y l er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , t h i sp a p e r i n t r o d u c e sa m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e do nt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f “s e n s o r - p l c i p c ”，a n dc h o s et h et y p eo fh a r d w a r ec o n s i d e r i n gt h e c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t o nt h es p o ta n dd i f f e r e n tf a c t o r s s e c o n d l y , t h ec h a r a c t e r s a n da p p l i c a t i o ns c o p eo fs i e m e n ss 7 i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sm p i 。p r o f i b u sa n di n d u s t r i a l e t h e m e ta r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d i no r d e rt oa s s u r et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mc o m m u n i c a t i o n ，m p im e t h o di sc h o s e nt or e a l i z et h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p ca n dp l c w i t ht h ea i do fp r o d a v es 7 d l li nt h ee n v i r o n m e n to fd e l p h i ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p ca n d p l co ft h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e na c h i e v e dw i t ht h em e t h o do f m i f u r t h e r m o r e ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd e l p h ia n dp l c p r o g r a mb a s e do ns t e p 7i sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d a n dt h ep r e t r e a t m e n t o fs i g n a la n da n t i - j a m m i n gd e s i g ni sa l s ob e e nd o n e l a s t l y , s e t t i n ga n dr u n n i n ge x p e r i m e n ti si n 打o d u c e d t h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e s h o w st h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e mc a na t t a i nt h ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n ta n dr e a lt i m em o n i t o r i n go fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , t h e a l a r mo ff a u l td i a g n o s i si se x a c t ，w h i l et h es y s t e mi sw o r k i n gn o r m a l l y t h et e c h n i c a lr e s e a r c ho f t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mw i l lb eag o o dr e f e r e n c e t ot h es t a t u sm 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 mo fl a r g e s c a l ep r o c e s s e q u i p m e n t 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , s t a t u em o n i t o r i n g ，d i g i t a l f i l t e r h 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 项目来源和研究目的 1 1 1 项目来源 第一章绪论 本课题“6 m 2 5 往复式压缩机状态监测与故障诊断系统开发”来源于中南大 学机电工程学院与金昌化工集团有限责任公司合作的研究课题。 1 1 2 研究目的 随着计算机和电子技术的飞跃发展，生产设备正向高速、高负载和高自动化 程度的方向发展，设备一旦发生故障，就会影响到整个生产系统安全稳定运行。 轻则降低生产效率，重则系统停机、生产停顿，造成重大经济损失，甚至出现设 备毁外、危及生命财产安生的恶性事故，造成灾难性后果n j 。 大型六缸m 型往复压缩机是化工气体压缩的重要装备，设备规模大，价格 昂贵。该类压缩机运行工况恶劣，而且由于六缸往复冲击，装备受力条件恶劣， 运动部件容易疲劳损坏和冲击损坏；从而导致曲轴磨损、活塞杆断裂等故障，其 中活塞杆断裂可能产生压缩机巨大破坏和人员伤亡严重事故。 传统定点检修、周期检修和事故检修制度，多年的运行实践证明这种管理和 维修体制存在诸多弊端，既不科学又不经济。为此保证设备的安全运行、及时发 现隐患、消除和避免故障是一个十分迫切的问题。状态监测和故障诊断是提高设 备的安全性、降低事故的损失、减少维护成本、提高经济效益的有效方法。因此， 对6 m 2 5 往复式压缩机进行状态监测和故障诊断系统的研究是十分必要的，其重 要意义主要表现在以下三个方面。 ( 1 ) 通过实时监测压缩机运行状态，能及时正确对各种异常状态或故障做 出诊断，可以避免严重的突然事故，从而提高设备的安全运行率。同时对设备的 运行和维护进行必要的指导，把故障降低到最低水平。 ( 2 ) 在机组日常运行时，如果在机组严重损坏的前期发现故障的前兆，可 以进行预防性维修。将设备从定期维修发展到预防性维修，可以使备件的储备减 到最小，延长服务期限和使用寿命，降低设备维修费用。 ( 3 ) 通过实时监测、故障诊断、分析评估，为设备结构修改、优化设计， 合理制造及生产过程提供有效的数据和信息。 通过建立在线、实时设备状态监测与故障诊断系统，及时掌握设备的运行状 况，预知设备的异常，使设备从定期维修发展到预防性维修【2 j ，减少设备故障率 与维修费用，实现设备安全、稳定、长周期运行，使设备管理现代化。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 在线监测技术研究现状和发展趋势 1 2 1 研究现状 对状态监测的研究，早在六十年代，一些国家就开始对机械工业的振动机组、 故障特征、振动信号提取及故障诊断信号处理进行了研究，发展了一系列诊断机 械故障的技术。如用的冲击脉冲法，波峰系数法，谱分析判别法等。七十年代末 开始，随着关键分析技术的成熟，一些故障诊断仪器也应用到了工业现场。近些 年来，一些大型的状态监测系统也得到了广泛的应用。 国外从很早开始就生产出了相关的产品，现在比较成熟的产品包括瑞典s p m 仪器公司的s p m 系列，美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系列，加拿大c s i 公司的 c s l 2 1 1 5 、c s l 2 4 0 0 ，美国本特利公司的d d m 与a d r e 系列等等。 比较国外，国内的发展相对较晚，但也取得了一个比较快速的发展。从八十 年代开始，国内许多高等学校与研究机构，对大型机械的检测和诊断技术作了较 多的分析与实验室研究，国内厂家也有类似产品推出。 8 0 年代末至9 0 年代初，以各大专院校为主，如西安交大、哈工大、浙大、 郑州工学院等为石化、冶金、电力等企业开发研制了许多在线监测系统，价格仅 为引进国外系统的一半左右。不少系统的应用对防止事故、减少故障停机及有的 放矢检修起了较大的作用。国产化在线监测系统在总体设计、功能和软件开发方 面有许多独到之处。例如，辽化与哈工大为沈阳鼓风机厂合作研制的m c 一0 1 大 机组监控及诊断分析系统仅用两台微机对机组进行振动及工作状况参数监测、控 制、分析诊断功能。 9 0 年代初，不少企业引进了国外在线监测系统，如镇海石化总厂、宁夏化 工厂从美国引进c s i 的3 1 3 0 系统，首钢引进美国b e n t l y 公司的t m 2 0 0 0 系统， 宝铜从美国e n t e k 公司引进v i m p 监测系统等。引进的在线系统大都可靠性好、 功能较齐全、技术亦成熟些，但也存在价格昂贵、系统防爆性差、功能不足，英 文通用组态画面不反映现场实际，操作者操作不便等缺点。 随着网络技术的发展，国外一些著名的大型机械监测仪器生产厂家，如丹麦 b k 公司，美国b e n t l y 公司、i r d 公司等已相继推出多套网络化的大型机械在 线监测系统。国内近年来也开始着手此项工作，如谣北工业大学和四川省电子计 算机应用研究中心联合研制成功的机械设备状态监测和故障诊断网络系统 m d 3 9 0 5 。 近些年，一些新计算机技术的发展使得机械状态监测系统也有了一些新的发 展，深圳创为实业发展有限公司开发的$ 8 0 0 0 系统，该系统采用了基于l i n u x 操作系统的现场在线状态监测设备，并通过w e b 浏览方式完整实现全部监测和 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 分析诊断功能，具有稳定、可靠、易维护等特点，现在已经应用在了广石化乙烯 裂解三大压缩机组等设备的监测上。 在机械状态监测领域，虽然取得了长足的进步，但和国外在此领域还有一定 的差距，因此运用国产化成熟设备，积极吸收国内外先进技术，以先进可靠、可 维护、操作简便实用为原则，研制开发出满足国产化要求的在线监测系统成为满 足现代化工业发展要求的当务之急。 1 2 2 发展趋势 我国的大型往复压缩机在线监测技术已具有了一定的技术基础，但由于往复 机械本身的复杂性，其在线监测技术还欠成熟，需要更多的探索实践，但这并不 影响其广阔的前景。结合我国现状，今后在线监测将会向以下趋势发展： l 、由分散性状态监测向综合监测或信息化监测诊断发展。 在在传统的设备管理模式下，设备状态信息分散地存储在安装检修部门、运 行车间等不同的地方，成为为信息孤岛，难以发挥应用的作用。建立设备管理理 信息系统后，可使分散的状态信息集成化，由分散性的设备状态监测向设备状态 综合监测或信息化监测诊断转变，并逐步成为设备管理信息系统中设各点检子系 统的主要内容。可以预见，未来的设备状态监测系统应是庞大而完善的，它将通 过与p l c 、d c s 、和i p c 等的连接，提取所有状态监测与故障诊断的设备状态信 息，从而形成真正意义上的信息化设备状态监测诊断技术，为全面掌握设备运行 状态、准确诊断设备故障创造条件。 2 、系统资源利用联合化，这是今后发展的必然趋势。 国内应充分发挥各个单位的优势和环境，加强科研部门与厂家的商业联系， 使理论知识和生产需求尽快结合以形成财富，并组织一批专业技术开发人员深入 攻关，避免各单位小规模分散性重复研究，实现资源合理调配，统一开发，提高 竞争力。 3 、在线监测智能化。网络技术的日趋完善和广泛应用， 为在线监测系统的进一步发展提供了有力的物质支持。充分应用科研成果， 引进模糊理论，智能化诊断，设立相应的专家系统，神经网络系统，充分利用面 向对象的设计思想，设计尽可能自然地表现求解方法的软件，是在线监测技术发 展的目标 4 1 。 4 、向网络化专业设备监测诊断发展。 设备状态监测和故障诊断技术在许多企业难以推广，原因不在于技术，主要 是缺少人才。状态监测与诊断技术是涉及多学科的综合性技术，人才的培养需要 较长时间。从发达国家的发展过程来看，未来技术人员的分工越来越细，设备监 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 测和故障诊断的开展将以社会化为主，设备监测诊断公司以及基于i n t e m e t 网络 的远程设备监测诊断服务将逐步成为主流。随着技术的发展，还将形成行业性、 区域性甚至国家级的设备监测诊断中心。设备监测诊断公司将与许多企业的监测 中心相连接，积累大量的设备监测和诊断信息，为企业提供异地诊断服务。还可 以网上组织或邀请不同行业、不同地区甚至不同国家的诊断专家对设备故障进行 会诊，实现专家知识共享。 5 、向全员设备状态监测管理发展。 设备管理信息系统的建立，通过代码的唯一性，与设备有关的信息可以方便 地调用，为实现设备一生监测管理创造条件，同时，为向全员设备状态监测管理 发展创造了条件，为企业各层次的设备管理人员参与此项工作提供可能性，实理 分层次的设备监控管理体系。 1 3 基于p l c 监测系统的开发技术 1 3 1p l c 技术 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e f ) 简称为p l c ，是以微处理器 为基础通用工业控制装置。国际电工委员会0 e c ) 在1 9 8 5 年的标准草案第3 稿中， 对p l c 作了如下定义：p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 下应用而设计，它采用一种可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模 拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程i ”。总之，p l c 是一台专为工 业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强 的驱动能力。不针对某一具体的工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需 要进行配置，其软件则需根据控制要求进行设计编制。可编程序控制器及其有关 外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。 p l c 功能强大、应用面广、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要技术之一， 在现代工业生产的所有领域得到了广泛的使用。 1 、p l c 的主要特点 ( 1 ) 高可靠性。抗干扰能力强，可适用于恶劣的工业环境。 ( 2 ) 丰富的i o 接口模块。p l c 针对不同的工业现场信号( 如交流或直流、开关 量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位等) 有相应的i o 模块与工业现场的器件 或设备( 如行程开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等) 直接连接。 ( 3 ) 采用模块化结构。为适应工业控制的需要，绝大多数p l c 均采用模块化结构。 系统的规模和功能可根据用户需要自行组合。由于采用模块化结构，因此一旦某 模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 编程简单易学。p l c 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图进行。 ( 5 ) 安装简单、维修方便。p l c 可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需要 将现场的各种设备与p l c 相应的i ，o 端相连接，系统便可以投入运行。 ( 0 3 系统设计，调试周期短。系统硬件的设计任务仅仅是依据对象的要求配置适 当的模块，因此简化了系统硬件的设计工作，从而缩短了整个系统的设计、调试 周期。 2 、p l c 的应用范围 p l c 的上述特点使得p l c 迅速渗透到工业控制的各个领域，从单机自动化 到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业局域网。从p l c 的功能来看， 它的应用范围大致包括以下几个方面；开关量逻辑控制、定时计数控制、运动 控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等。 3 、p l c 的发展趋势 随着大规模、超大规模集成电路技术和数据通信技术的不断进步，p l c 的发 展十分迅速，现在的p l c 在算术运算、数据转换、过程控制、数据通讯等功能 已大大加强，能够完成大型而复杂的控制任务。现代p l c 的发展有两个主要趋 势：其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型p l c 方面发 展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展( 6 j 。 ( 1 ) 缩小与工业控制计算机之间的差距。随着超大规模集成电路技术的发展，产 生了一系列高性能器件，其中包括专用的集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片，使得p l c 也能采用高性能的微处理器，这样将会有更 多中、小型p l c 采用这类专用微处理器作为c p u ，缩小与工业控制计算机之问 的差距。 ( 2 ) 多功能。为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块， 智能摸块是以微处理器为基础的功能部件，它们的c p u 与p l c 的c p u 并行工 作，有利于提高p l c 的速度和完成特殊的控制要求。智能模块主要有模拟量i o ， p i d 回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。由于智能f o 的应用，使过程控制的功能和实时性大为增强。 ( 3 ) 大型网络化。网络化和强化通信能力是p l c 发展的一个主要方面，向下将多 个p l c ，多个的框架相连；向上与工业计算机，以太网、m a p 网等相连构成 整个工厂的自动化控制系统，现场总线技术( p r o f i b u s ) 在工业控制中将会得到 越来越广泛的应用。将主要朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功能。 ( 4 ) 高可靠性。控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技 术、冗余技术，容错技术广泛地应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统。 ( 5 ) 良好的兼容性。现代p l c 作为整个控制系统中的一部分或一个环节。好的兼 ， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 容性是p l c 深层次应用的重要保证。 ( 6 ) p l c 通信的易用化。p l c 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控 制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。 为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，p l c 厂商使设备之间的通信自动地周 期性地进行，不需要用户进行通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些硬 件或软件上的初始化设置。 f 7 ) 编程语言向高层次发展。p l c 的编程语言在梯形图、指令表、顺序功能块基 础上。不断丰富和向高层次发展。有些p l c 还采用b a s i c 、c 以及汇编语言等 编制用户程序。多种语言并存、互补不足将是今后p l c 编程语言发展趋势i ”。 1 3 2 面向对象的程序设计方法 面向对象程序设计方法( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 克服了传统 的面向过程方法在分析需求、建立系统模型和求解问题时存在的缺陷，提供了更 合理、更有效、更自然的方法，正为广大的系统分析和设计人员认识、接受、应 用和推广嘲，实际上o o p 方法从9 0 年代起就成为软件系统开发的主流技术。o o p 方法提供了从一般到特殊的演绎手段，又提供了从特殊到一般的归纳形式。是一 种很好的认知模式，在较高层次上模拟了人的思维方式。它将现实世界中的任何 事物均视为“对象”，将对象的属性和加工属性的方法封装在一起构成类，对象 问通过相互传递消息来迸行通信翻。 面向对象程序设计有五个基本概念： 1 、对象 对象由数据和如何操作这些数据的方法( 过程) 组成，是这些属性和过程的 封装体。它具有模块独立性、动态连接性和易于维护性的特点，是o o p 技术的 核心。 2 、消息 消息是向某个对象请求服务的一种表达方式。由于对象封装了方法和数据， 外部用户或对象对该对象提出的服务请求，就称为向该对象发送消息。 3 、方法 当对象收到一个消息时，它除了要决定做什么还要决定怎样做，方法就是实 现这些动作的代码。 4 、类 类是面向对象技术中最重要的概念，用柬描述具有相同操作方法和相同数据 格式的对象的集合，也就是说，类是对一组对象的抽象概括，每个对象都是某个 类的一个具体的实例。对象的类有上下层之分，即存在父类和子类的关系，o o p 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 技术就是建立在对象和类的基础上的。 5 、继承 这是面向对象的特有概念，它使得一类对象可以继承另一类对象的特征和功 能。在描述一个新类时，可以从现有的类中派生，这个过程称为类继承。新类继 承了原始类的特性，新类称为派生类( 子类) ，而原始类称为新类的基类( 父类) 。 派生类可以从它的基类那里继承方法和实例变量，并且类可以修改或增加新的方 法使之更适合特殊的需要f i o l 。 与传统的面向过程方法相比，o o p 具有以下基本特点f l l l ： l 、封装性： 把数据和处理数据的方法捆绑在一起，构成一个类( 即对象) ，使用一个对象 的时候，只需知道它向外界提供的接口形式，无须知道它的数据结构细节和内部 操作算法。封装实际上是一种信息隐蔽技术。通过封装数据与方法，对象能够将 需要重用的功能包装起来，保证模块具有较好的独立性，使得程序维护修改带来 的影响减少到最低限度i 坨】。 2 、继承性 通过继承，一个程序系统的数据和操作只定义一次，系统的处理能力可以通 过对象的继承性实现共享，系统中的类因此具有层次结构。继承具有传递性，体 现在这种继承能够无限地继续下去。同时继承具有多重性，一个派生类可以继承 多个基类，它使得派生类的实例具备更加灵活的、功能更加完善的功能。 3 、多态性 即一个名字可具有多种语义。多态性主要强调可以在一个等级中使用相同函 数的多个版本，在运行时决定使用特定版本，也就是相同的操作随着不同类型的 入口参数，存取方式以及返回值可在不同运行时出现，即相同的操作可用于多种 类型的对象上并获得不同的结果0 3 1 。 正是由于o o p 的这些特点，使得面向对象的程序设计方法在软件设计与系统 开发过程中表现出极大的优越性，如系统易于维护，扩充性好，开发速度快等。 而d e l p h i 作为面向对象的程序设计语言( o o p l ) ，以其功能强大，实时性强、 与硬件接口方便等特点著称，成为目前使用最广泛的o o p l l l 4 1 。 1 3 3d e i p h i 编程语言 d e l p h i 是著名的b o d a n d ( 现在已和i n p r i s e 合并) 公司开发的可视化软件开 发工具。“真正的程序员用c ，聪明的程序员用d e l p h i ”，这句话是对d e l p h i 最经 典、最实在的描述。d e l p h i 具有简单、高效、功能强大的特点。和v c 相比，d e l p h i 更简单、更易于掌握，而在功能上却丝毫不逊色；和v b 相比，d e l p h i 则功能更 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 强大、更实用。可以说d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大和v b 简单易学的特点。 它一直是程序员至爱的编程工具1 1 5 l 。 d e l p h i 是w i n d o w s 平台上最好的r a d ( r a p i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ) 工 具，它提供完全可视化的开发环境，为我们提供了一种方便、快捷的w i n d o w s 应用程序开发工具。它使用了m i c r o s o rw i n d o w s 图形用户界面的许多先进特性 和设计思想，采用弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言( o b j e c t - o r i e n t e d l a n g u a g e ) 、当今世界上最快的编辑器、最为领先的数据库技术【1 6 1 。d e l p h i 具有 以下的特性；基于窗体和面向对象的方法，高速的编译器，强大的数据库支持， 与w i n d o w s 编程紧密结合，强大而成熟的组件技术。d e l p l l i 提供了各种开发工 具，包括集成环境、图像编辑，以及各种开发数据库的应用程序等。在d e l p h i 众多的优势当中，它在数据库方面的特长显得尤为突出：适应于多种数据库结构， 从客户机服务机模式到多层数据结构模式；高效率的数据库管理系统和新一代 更先迸的数据库引擎；最新的数据分析手段和提供大量的企业组件【1 7 1 。b o r l a n d 公司2 0 年技术创新的顶峰，发展至今，不断添加和改进各种特性，功能越来越 强大，已经使得d e l p h i 占据了w i n d o w s 应用程序开发的一个前所未有的高峰。 3 4 动态链接库技术 动态链接库( d l l ) 是一个可以被其它应用程序共享的程序模块，其中封装 了一些可以被共享的例程和资源，是实现程序模块化、代码重用和缩短开发周期 的重要手段。动态链接是相对于静态链接而言的，静态链接是指把要调用的函数 或者过程链接到可执行文件中，成为可执行文件的一部分。动态链接所调用的函 数代码并没有被拷贝到应用程序的可执行文件中去，而是仅仅在其中加入了所调 用函数的描述信息。仅当应用程序被装入内存开始运行时，在w i n d o w s 的管理 下，才在应用程序与相应的d l l 之间建立链接关系。当要执行所调用d l l 中的 函数时，根据链接产生的重定位信息，w i n d o w s 才执行d l l 中相应的函数代码。 通常一个应用程序使用动态链接库，w i l l 3 2 系统内存中只有d l l 的一份复 制品，这是通过内存映射文件实现的。d l l 首先被调入w i n 3 2 系统的全局堆栈， 然后映射到调用这个d l l 的进程地址空间。在w i l l 3 2 系统中，每个进程拥有自 己的3 2 位线性地址空间，如果一个d l l 被多个进程调用，每个进程都会收到该 d l l 的一份映像。因此利用d l l 进行软件开发，具有许多显著的优点l “l 。 l 、共享代码、资源和数据、隐藏实现的细节 使用d l l 的主要目的就是为了共享代码，d l l 的代码可以被所有的w i n d o w s 应用程序共享。d l l 中的例程可以被应用程序访问，而应用程序并不知道这些 例程的细节。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 、节省磁盘空间和内存 使用d l l 并不是将库代码拷贝，只是在程序中记录了函数的入口点和接口， 在程序执行时才将代码装载入内存；不管多少程序使用d l l ，内存中都只有一 个d l l 的副本：当程序没有使用它时，系统就将它移出内存，减少对内存和磁 盘的要求。 3 、提高访问速度 在软件系统开发过程中，如果有许多重复的功能，可将程序分成一系列的主 程序和d l l ，由于每个模块减小了，所以访问的速度也就提高了，而且减少开 发工作量。 4 、拓展开发工具的功能 由于d l l 是与语言无关的，因此可以创建一个d l l ，被c + + 、v b 或任何支 持动态链接库的语言调用。这样如果一种语言存在不足，就可以通过访阿另一种 语言创建的d l l 来弥补。 5 、提供二次开发平台 在销售产品的同时，可以采用d l l 的形式提供一个二次开发的平台，让用户 可以利用该d l l 调用其中实现的功能，编写符合自己业务需要的产品，从而实 现二次开发。 6 、简化项目管理 在一个大型项目开发中，通常都是由多个项目小组同时开发，如果采用串行 开发，则效率是非常低的。我们可以将项目细分，将不同功能交由各项目小组以 多个d l l 的方式实现，这样各个项目小组就可以同时进行开发了。 1 4 研究方向和研究内容 1 4 1 研究方向 本课题“6 m 2 5 往复式压缩机状态监测与故障诊断系统开发”主要研究内容 可分为“6 m 2 5 往复式压缩机状态监测系统”与“6 m 2 5 往复式压缩机故障诊断 系统”本文主要研究方向是“6 m 2 5 往复式压缩机状态监测系统”。 1 4 2 研究内容 针对6 m 2 5 往复式压缩机状态监测与故障诊断系统要求，构建了基于“传感 器与变送器一p l c 一工控机”硬件架构监测系统，通过实时监测压缩机的运行状 态及时、正确地对各种异常状态或故障做出诊断，及时掌握设备的运行状况，预 知设备的异常，为设备的有计划维修提供重要技术依据，使设备管理现代化。本 文对压缩机监测系统硬件和软件系统进行了设计，对基于m p i 的上下位机数据 通信技术在监测系中的实现、基于d e l p h i 和s t e p 7 监测软件进行了研究和设计， 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 并对压缩机信号的预处理、系统的抗干扰技术和现场运行实验情况进行设计和说 明。文章各章节的内容如下： 第一章：绪论，本章主要介绍了项目来源和研究目的，在线监测技术现状和 发展趋势，对基于p l c 的监测系统开发技术进行了说明，并提出了本文的研究 方向和研究内容。 第二章：压缩机监测系统功能与结构设计，本章主要介绍了6 m 2 5 往复压缩 机的基本结构，工艺流程和工艺指标；常见故障和监测量，硬件系统总体设计方 案和硬件选型；上位机软件设计方案，下位机组态软件s t e p 7 以及如何对下位 机p l c 进行硬件组态。为文章后续章节的论述打下了基础。 第三章：监测系统的通讯实现，本章在比较分析了s i m a t i c 工业通讯网络 中m p i 、p r o f i b u s 和工业以太网这3 种通讯网络各自的优缺点和适用范围的基 础上，为确保通讯和稳定和快速，采用m p i 方式实现工控机与p l c 之间的通信。 着重阐述了在d e l p h i 开发环境中，如何调用p r o d a v es 7 动态链接库( d l l ) ， 采用m p i 方式如何实现监测系统的工控机与s 7 3 0 0 系列p l c 之问的通信。 第四章：监测系统软件设计。本章主要介绍监测系统软件设计。上位机软 件设计主要介绍了监测软件设计流程和需求分析，上位机软件模块规划和上位机 界面设计，并对如何通过软件设计的方法解决传感器零点漂移问题进行了说明； 下位机软件设计主要介绍了s 7c p u 中的程序结构、p l c 模块信号通道定义、p l c 程序模块的规划和结构化的p l c 的程序设计。 第五章：采集信号预处理，本章主要介绍异常值剔除，通过曲线拟合的方法 对传感器进行非线线校正，传感器在线标定；数字滤波器的选择、算法设计和数 字滤波器的程序实现等。 第六章：抗干扰设计与现场安装运行实验，本章主要介绍了干扰的产生与传 递方式，常见抗干扰技术以及符合电磁兼容性要求的系统安装，在此基础上阐述 本系统采用的抗干扰措施。最后对系统现场安装和运行实验情况进行了介绍。 第七章：结论与展望，对文章所作的研究工作和内容进行了总结，在文章所 做研究工作的基础上，对该系统未来发展趋势和发展方向进行了展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了项目来源和研究目的，在线监测技术现状和发展趋势，对基 于p l c 的监测系统开发技术进行了说明，并提出了本文的研究方向和研究内容。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章压缩机监测系统功能与结构设计 第二章压缩机监测系统功能与结构设计 监测系统要对压缩机长期进行实时监测，因此系统设计必须遵循高适应性、 高可靠性、方便实用性及可扩充性的原则 1 9 1 。对压缩机进行状态监测和故障诊断 是一项系统工程，硬件系统的架构和软件系统设计方案优劣将最终决定能否成功 研制出该监测系统，因此监测系统总体方案设计显得尤为重要。 2 16 m 2 5 往复压缩机简介 2 1 1 往复压缩机基本结构 往复式压缩机是通过曲柄连杆机构将曲轴的旋转运动转化为活塞往复运动， 依靠气缸内活塞往复运动来改变工作腔容积，借以达到压缩气体的目的。6 m 2 5 往复式压缩机是六列对称平衡型压缩机( 如图2 1 ) 。组成可分为三部分【2 0 】： l 、基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头等部件。其作用是传递动 力、连接基础与气缸部分。 2 、气缸部分：包括气缸、气阀，活塞，填料以及安置在气缸上的排气量调节装 置等部件。其作用是形成压缩容积和防止气体泄漏。 3 、辅助部分：包括冷却器、缓冲器、液气分离器、滤清器、安全阀、油泵、注 油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机f 常运转所必需的。 图2 - 16 1 v t 2 5 往复式压缩机 l l 中南大学硕士学位论文 第二章压缩机监测系统功能与结构设计 2 1 2 工艺流程和工艺指标 6 m 2 5 往复式压缩机工作流程如图2 2 。从脱硫工艺来的半水煤气经一、二、 三级气缸压缩，加压后送脱碳系统。经脱碳处理后气体再经过四、五级气缸压缩 后送去铜洗精炼。来自精炼的铜洗气经六级气缸压缩后，最后送至合成系统。 图2 - 26 m 2 5 往复式压缩机工作流程图 压缩机的各级吸，排气压力及温度指标控制如表2 1 所示。压缩机只有在这些 工艺指标的控制下，才能保证正常生产，在实际生产过程中，由于其结构复杂和 运动特殊，致使工艺指标难以保证，故障时常发生，影响了压缩机的正常生产。 所以对压缩机状态监测和故障诊断的目的就是要实时监测压缩机运行状况。提取 特征信息，找到故障源，解决故障，保证压缩机长期正常运行。 表2 - 1 各级吸排气压力及温度控制指标 序号 级数 进口压力( m p a )出口压力( m p a ) 进口温度( )出口温度( ) 1一级 0 1 0 l0 2 24 2 1 4 8 2二级 o 2 20 8 04 21 4 8 3三级0 8 01 9 74 51 4 0 4四级1 7 34 8 84 51 4 0 5五级 4 8 8 1 2 54 01 3 0 6 六级 1 2 53 2 44 01 3 5 中南大学硕士学位论文第二章压缩机监测系统功能与结构设计 2 。2 常见故障和监测参量 2 2 1 常见故障 在生产过程中，6 m 2 5 压缩机发生的故障多种多样，常见故障可分为热力 性能故障和机械动力性能故障。热力性能故障表现为排气量不足，气体压力不正 常、进排气温度超过指标，产生原因主要是由于气阀、活塞环、填料密封、水冷 器等部件发生了故障【2 l 】；机械动力性能故障一般表现为机器工作时的异常振动和 响声，运动部件过热等，产生的原因主要是由于活塞杆断裂，活塞填料密封磨损， 活塞杆导向环磨损，轴承不平衡、转轴不对中等陶。生产中出现的主要故障有： ( 1 ) 精炼岗位带液后造成六段填料及出口气阀更换频繁。 ( 2 ) 一、二、三段活塞杆出现多次断裂的突发事故，而且断裂部位基本相似。 ( 3 ) 各级冷却设备冷却效果不好，经常清洗疏通。 ( 4 ) 气体压力不正常，各级气阀，活塞环泄漏，压力表失灵。 ( 5 ) 排气、吸气温度超过指标。 ( 6 ) 运动部件响声异常。 2 2 2 监测参量 在监测系统设计中，首先需要确定的是通过监测那些状态参量和工艺过程 参数从而实现对压缩机的状态进行全面的监测，同时要确定监测这些参数所需的 传感器类型，并根据安装位置，综合考虑到相关因素，对传感器进行选型。 根据6 m 2 5 往复式压缩机生产中的运行状况和生产中出现的主要故障，以 活塞杆，轴承座、冷却系统、气缸为监测对象，运用状态监测和故障诊断技术， 通过对压缩机相应的状态参量、工艺过程参数进行长期实时监测，借助计算机进 行分析和处理，达到设备状态监测、故障诊断及故障预报警。压缩机的实时监测 状态参量和工艺参数表如表2 - 2 所示。 表2 - 2实时监测状态参量与工艺参数 监测参数预警设定值报警设定值备注 1 - 6 级活塞杆x ，y 向振动位移1 0 0 0 u m 1 5 0 0 u m 报警联锁 t - 6 段冷却水出口温度5 0 6 0 1 2声光预报警 i - 6 级气缸迸气温度 4 0 4 5 声光预报警 1 - 3 级气缸出气温度 1 4 5 1 5 5 声光预报警 4 - 6 级气缸出气温度1 3 5 1 4 0 声光预报警 三级捧气管气体压力 2 0 0 0 p a2 1 0 0 k p a 声光预报警 六级捧气管气体压力 3 2 0 0 0 k p a3 3 0 0 0 k p a声光预报警 i - 鲫机身主轴承温度 6 0 8 0 报警联锁 l ，斜轴承座x 、y 、z 三向加速度做频谱分析用 中南大学硕士学位论文 第二章压缩机监测系统功能与结构设计 2 3 硬件系统设计 2 3 1 硬件系统总体构成 该监测系统采用“传感器与变送器一p l c 一工控机”硬件架构，上位机采 用研华一体化工作站a w s 8 4 2 0 | ；下位杌采用西门予s 7 3 0 0 系列p l c ，中央处 理器为c p u 3 1 4 c 2 p t p ，以及相应的输入输出模块【2 3 1 ；传感器及变送器包括电涡 流位移传感器系统、三向加速度传感器、电荷放大器、高温压力传感变送器、温 度传感器等构成，整个监测系统的传感嚣布置示意图如图2 - 3 。 2 3 2 系统硬件选型 图2 - 3 传感器布置示意图 9 信号采集的精确性、传输的准确性与可靠性是监测系统成败的关键，因此对 各种硬件选型要综合考虑现场环境、安装位置、防油、防爆、防腐蚀、精度要求、 信号传输、信号调理、信号匹配等因素，经过认真的市场调查与工业现场工况调 研后进行硬件选型。 l 、可编程控制器( p l c ) 的选择 可编程控制器是监测系统中的关键组成部分，作为监测系统下位机，负责现 场数据采集、预报警、联锁控制以及与上位机通信等。需达到抗干扰能力强、通 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章压缩机监测系统功能与结构设计 用性好、易扩展、安装维护容易，易于实现通讯的要求，并且能