（电力电子与电力传动专业论文）输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断.pdf

a b s t r a c t r e m o t 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 st e c h n i q u eb a s e do n n e t w o r k i n gi sc o m p o s e db yr e m o t em o n i t o r i n ga n dd a t aa n a l y s i s t h ei d e ao ft h i sp a p e ri sf r d mt h ep r o j e c to fh u a n g n e n gn a n t o n gp o w e rp l a n t w h i c hm a i n l yd e a l sw i t ht h ei n t e g r a t i o no fc o n t r o ls y s t e mf o rf u e ld o c ka n dm i s c o n s t r u c t i o n w h a tld oa r ea sf o i l o w s t h ec h a p t e ro n ef o c u s e so nt h ei d e a sa n dp r o j e c tb a c k g r o u n d t h ec h a p t e rt w os o r t so u tt h es t a t u sm e s s a g e so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s t h eb a s i so fl a t t e rc h a p t e r t h ec h a p t e rt h r e em a k e sa n a l y s i so ft h eb e l tc o n v e y o r s ，e s p e c i a l l yf o c u s e so n t h ed r i v es y s t e m o nb a s i so fc o n v e r s a t i o no fe n e r g y , t h ee i g e n v e c t o r so ff a u l ta r e c o n c l u d e d c o m b i n e dw i t ht h es t a t u sm e s s a g e s ，e v e r ye i g e n v e c t o ri sc a l c u l a t e d o u t a l s o i nv i r t u eo fs q ls e r v e rw eb u i l dt h ef a u t td a t a b a s e t h ec h a p t e rf o u rf o c u s e so nt h ep o s s i b i l i t yo fd a t am i g r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h e p r o c e s so fr e a lt i m ed a t aa n dh i s t o r yd a t a ， t h ec h a p t e rf i v ef o c u s e so nt h er e a l i t ya n da p p l i c a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n g d a t av i s i t i n g n e ta r c h i t e c t u r eb u i l d i n ga n ds oo n t h ec h a p t e rs i xi sab r i e f l yc o n c l u s i o no ft h ep a p e r i n c l u d i n gr e a lt i m et r a n s m i s s i o n ，d a t as t o r a g ea n dd a t ab a s em a n a g e m e n t ，t h e s y s t e mh a st h ef u n c t i o n o fd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，d i s p l a y i n ga n da l e r t f e l i c i t o u s a p p l i c a t i o n s o fa d o n e ta s s u r et h er e a lt i m ea n d p r e c i s ed a t a t r a n s m i s s i o n 。s o m ed e v i c e sw o r ku n d e rag o o dc o n d i t i o ns i n c et h es y s t e mw e l l r u n n i n gi nt h ep o w e rp l a n t a tt h es a m et i m e ，t h et i m eo fm a i n t e n a n c ea n df a u l t c l i a g n o s i si sr e d u c e di nac e r t a i ne x t e n ta n dt h ee f f i c i e n c yo fc o a lt m n s p o r t a t i o ni s r e m a r k a b l ye n h a n c e d r e m o t 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 ss y s t e mf o r d r i v es y s t e mo fb e l tc o n v e y o r s gr a d u a t es t u d e n t ：d o n g b oh u a n g ( p o w e re l e c t r o n i c s d r i v e s l d i r e c t e db y p r o f e s ，s o r j i a ，n x i n c h u a n d w e i g ，u k e y w o r db e l tc o n v e y o r s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，n e t , a d o n e t 论文独创性声明 本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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名名芹披 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名_ 塑导师签名： 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 第一章引言 设备状态监测和诊断技术( m a c h i n ec o n d i t i o nm o n i t o r & d i a g n e s i st e c h n i q u e 缩写为m c m d t ) 是一门包含多种技术内容的综合技术。其基本原理是根据机械、电气 等各类系统漫各运行过程中产生的各种信息，判断系统设备运行是属于正常还是发生 了异常，识别系统设备是否发生了故障。因而它能实现系统设备在带负载运行时，或 基本上在不拆卸的情况下，通过对其状态参数的检测和分析，判定是否存在异常和故 障及故障的位置和原因，并对系统设备未来状态进行预测。设备状态监测和诊断技术 在二十世纪六十年代后半期在美国出现后，最初的目的是对航天、核能以及军事装备 进行异常状态的早期监测，二十世纪八十年代以来，该项技术逐步应用于大型机电设 备系统，如1 9 8 7 年t a v n e rp j 与p e n m a n j 提出了电机状态监测的概念。事实上， 机电设备( 包括电机) 的状态监测与故障诊断是密不可分的，二者是一个有机的整体。 1 1 设备状态监测及故障诊断的意义和重要性 设备状态监测及故障诊断研究的意义和重要性可从以下几个方面来阐述。 11 1 企业的实际需要 6 0 年代以来，电子技术和计算机技术的发展使工业生产的规模越来越大，生产 系统和设备趋于大型化、连续化、自动化。但是系统设备规模越大，自动化程度越高， 结构就越复杂，对点检的工作量和质量的要求也很高。然而对于设备维修人员来讲， 为了确保生产运行的可靠性，确保维修作业的高效率，凭借一些经验的做法已经远远 不够了，因此对于现代化的机器，必须设法采用先进的技术和科学的方法来监测诊断。 1 12 设备运行的安全性 当诊断发现故障征兆和状态参数已经达到应引起注意的限值时，诊断装置( 程序) 可以立即对故障部位和程度进行准确的判定，作出相应的维修方案和措施，通过维修， 排除故障和隐患，使设备恢复原有性能，设备重新进入低故障的稳定值。这样一来保 证了重要工业系统的合理安排、优化设计、预防和减少恶性事故的出现，及时消除故 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 障隐患，从而提高设备运行的安全性。 11 3 社会效益和经济效益 系统可以向现场运行人员提供必要信息以合理安排、组织预防性维修，从而避免 恶性事故的发生对企业的财产造成重大损失，因此具有重要的意义。这一点已成为共 识，国外的许多资料表明，技术诊断的经济效益是明显的，据日本统计”1 ，在采用状 态监测及诊断技术后事故率减少7 5 ，维修费降低2 5 5 0 。新曰铁八幡厂热轧 车间在采用诊断技术的第一年中，带钢卷取及的事故由原来2 9 次年减为8 次年。英 国对2 0 0 0 个国营工厂的调查表明“3 ，采用诊断技术后每年节省维修费3 亿英镑，用 于诊断技术的费用为o 5 亿英镑。这些例子足以说明技术诊断的经济效益是显著的， 经验表明从设备维修方式改革的角度来看技术诊断，才能对它的经济效益和重要性有 更深刻的理解。 总之，设备状态监测与故障诊断技术可以有效地避免意外事故，消除续发损坏， 节约大量维护费用，无论对安全生产还是对科学维护都具有十分重要的意义。 1 2 状态监测及故障诊断的发展现状 面向机电系统运行状态的倚测与故障诊断技术是机械电子技术、计算机技术、现 代测试技术和人工智能技术等多项先进技术交叉和综合而迅速发展起来的一门综合 新技术，是现代化生产和先进制造技术发展的必然产物，是保证机电系统安全运行和 实现科学维护的关键技术之一“。应用机电系统状态监测与故障诊断技术能够有效地 发现生产系统中的事故隐患，及时排除设备故障，预防设备恶性事故，避免人身伤亡、 环境污染及由此带来的经济损失。由于状态监测和故障诊断技术能够产生经济效益和 社会效益，因而在国内外得到迅速发展与应用也愈来愈广泛。 随着机电系统状态监测与诊断技术的发展，各种监测、诊断仪器及系统也层出不 穷，其功能越来越强大。仅以振动测量仪器及系统为例，其功能包括：轴振动监测， 如轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰一峰值计算；壳体振动监测；频谱分孝厅， 如频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱分析、三维功率谱分析；自动预、报警；故障特 征提取及诊断等。机电系统状态豁测与故障诊断系统发展至今，国内外较典型的系统 主要有以下3 种”： 上海海事大学硕士论文 输送机驱动系统网络化状志监测及故障诊断 1 2 1 离线定期监测与诊断系统 测试人员定期到现场用专用一起依次对各测点进行测试，并用记录仪器或存储仪 器记录信号，数据处理在专用计算机或直接在带便携式内置微机的仪器上完成。由于 该类系统成本较低、使用方便，在早期应用中普遍采用。但是采用该类系统测试工作 较烦锁，需要专门的测试和故障分析人员，而且离线定期监测，难以及时避免突发性 故障“1 。 122 在线检测、离线分析监测与诊断系统 该类系统亦称主从机监测与诊断系统。在设备上的多个测点均安装传感器，由现 场微处理器对设备各测点进行数据采集和处理，由专业人员在主机系统上进行状态分 析和故障判断。相对于离线定期监测系统，虽然免去了更换测点的麻烦，并能在线进 行检测和报警，但是需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断需要专业技术人 员参与。 123 自动在线监测与诊断系统 该类系统能够实现自动在线监测设备的工作状态并及时预报故障，而且能够实现 在线数据处理和分析判断。由于该类系统能根据专家经验和有关准则进行智能化的比 较和判断，一般操作人员经过短期培训后就能使用。该类系统技术先进，不需要人为 更换测点，不需要专门的测试人员和专业技术人员参与分析和判断。但是其软硬件的 研制工作量很大，应用成本较高。 状态监测与诊断系统根据不同机电系统设备的需求，可采取不同的监测与诊断方 式。随着计算机技术的发展和应用成本的降低，对于关键设备和大中型设备，总的趋 势是向自动在线监测与诊断的方向发展。现代企业设备的维护方式也正在从单纯的定 期检测、巡回监测与检修，逐步向长期连续监测与预测性维修的方式过渡。 13 状态监测及故障诊断技术的发展趋势 近年来，计算机性能不断提高且价格迅速下降，数字信号处理的分析和计算方法 不断优化和精度大为提高，同时伴随着计算机、通讯和网络技术的迅速发展，基于 i n t e r n e t 的远程在线监测与故障诊断技术倍受工业界的重视，并逐渐成为开发故障诊 断系统的主流方向，其优点是可以通过传输介质实现在线、实时和异地的设备状态监 测与故障诊断，并能够实现资源共享。 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 由于状态监测与故障诊断可以充分利用现代网络技术，对生产设备的重要参数， 如：数控机床、加工中心和现代生产系统的设备工作参数、开关状态、电机功率、轴 承温度、设备振动量等进行连续监测，并通过t c p i p 等协议填报到服务器的设备运行 状态历史数据库中，以各远程专家进行实时监测和查看历史数据；同时，可以对设备 运行状况进行诊断。因此，当设备出现异常时则可通过因特网的e m a i l 、手机短消 息或其它有线和无线网络对设备工程师和维护专家进行传呼，做到对设备故障的快速 响应和及时处理。 采用远程设备状态监测与故障诊断系统，其主要优点有”1 ： 1 实现故障的远程诊断。 在故障诊断过程中，采集的数据是对设备故障做出正确判断的依据。但是在数据 分析时，分析的结果受制于分析人员的经验和水平。由于现场人员的经验和水平有限， 对一些复杂的问题或未曾遇到的问题难以做出准确的判断；若请专家到现场，既需要 大量的资金又难以及时处理现场问题。采用计算机网络后，数据就可以通过网络将故 障信息及时送至诊断中心，领域专家们可以在异地利用所得数据对设备故障进行分 析，并将结果及时反馈回生产现场，以便及时采取措施，减小损失。对于复杂的故障 还可以在刚络上组织国内外专家会诊，从而大大节约了时间和经费。 2 知识资源的共享。 远程状态监测与故障诊断可以使大范围内的领域专家的知识实现共享，克服局部 地区知识缺乏的弊端，加强了科研院所、大专院校和生产企业之间的技术合作，提高 了设备监测与诊断的准确性、可靠性和及时性。 3 提高管理水平。 将远程故障诊断系统与企业的管理信息系统互连，使它们之间可以互通信息，构 成企业i n t r a n e t 大系统，以提高企业管理水平。企业的销售和设备维修部门可以通过 网络及时为设备用户提供维修服务信息和维修方面的技术支持，可以大大改善企业的 设备维修和售后服务水平。 4 为特殊设备提供诊断。 远程诊断能实现对远洋船舶、海洋钻井平台等特殊设备的远程监控和管理和为设 各的安全运行提供可靠的技术保障。 设备监测诊断的模式经历了从人工离线监测诊断方式，到单机监测诊断系统再到 4 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 分布式监测诊断系统( d m d s ) ，到基于网络的远程监测诊断系统这一发展过程“1 。远程 在线监测与故障诊断系统实现了诊断系统中移动的是“数据”而不是“人”，实施异 地远程诊断能够充分利用更多的技术支持和数据共享，大大提高了系统诊断的命中 率。同时，它可以很好的解决传统监测系统存在的缺陷，提高诊断智能，易于与其它 网络互联，可以大范围内共享数据资源。而且，设备制造厂可以查询设备的故障信息， 了解机械设备的故障动态，有利于改进制造工艺，提高设备的质量。 1 4 课题背景和目标任务 该课题来源于企业委拖项目华能南通电厂燃运公司输煤控制系统与计算机 信息管理系统的整合。 本课题的主要任务是： 1 在华能南通电厂燃运公司姚港煤码头原有的输煤控制系统的基础上，利用已有 的软、硬件资源进行数据采集，通过企业局域网，实现输煤控制系统的远程监测。 2 从采集的状态数据种，根据输煤控制系统及其设备运行激励提取特征量，诊断 系统及其设备的运行状态，利用相关软件开发出外挂状态监测及诊断程序。 目标：实现对输煤控制驱动系统运行状况的监测、诊断，希望在公司内部网络系 统的基础上，通过基于b s 的网络应用，将各种故障信息经由w e b 服务器发布，实 现对现场设备的远程监控和故障诊断。 d s 5 d s 6 一 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 第二章网络化监测系统构成及其监测数据分类 姚港煤码头是华能南通电厂重要的煤炭储运环节，万吨级海轮装运的燃煤部需经 过它转运至电厂，因此它的正常生产与否直接关系到电厂能否正常发电。因此系统的 安全性，可靠性是第一位的。图2 1 为姚港煤码头的工艺系统图”1 。 图2 - 1姚港煤码头工艺系统图 姚港煤码头输煤工艺流程主要实现以下功能： 1 、炭装卸：利用四台卸船机将大型船舶上装载的煤料卸至皮带机上，经皮带机的输 送，由两台装船机装载至驳船上运往电厂。 僦 气时，很可能此部件存在故障。 ( 3 5 ) 但是，对于运动控制系统，系统中的级联处功率只、最+ 。一般不直接n i 2 n , 0 ， 而是通过测量其他物理量获得。 对于传动机构来讲，能量消耗再部件中引起发热，通过测量元件可以获得部 件的温升数据，从而可以间接估算出& ，即沥4 取其温升t ，根据温升曲线， 即 蝇= f ( a t ) 毫 ( 3 6 ) 对于旋转运动机械( 如驱动电动机) ，则取转速n ，通过计算转差率来计算 能量的损耗，即 最= 最一只+ 。= j 名 & ( 3 7 ) 对于直线运动机械( 如输送机) ，则取带速y 和张力f ，即 最= e k 一只+ 。k + 。 & ( 3 8 ) 于是，通过式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 和( 3 8 ) 可以实现输送机系统的状态特征提取 与故障分析。 3 3 驱动电机 驱动电机的输入为电功率，在忽略定子铁耗时，名= , , 3 u i c o sc p * 墨，可直 接测取。我们知道，电磁功率通过电磁感应作用传递到转子上输出机械功率，此 时，由于转子与定子之间存在转速差，会在其转子线圈中感应出电流，造成一部 分转子铜耗，当电机堵转时，电磁功率全部消耗在转子线圈上，因此我们可以通 过测取转速然后计算转差率j ，利用只= s 昂与目= 尸= 如石比较来判断电动 机是否处于故障状态。亦即故障特征量可写为a 。= ( s 一) 昂。其中为驱动电 机在正常状况下的转差率。 另外，输煤控制系统本身还带有电机过载故障报警的功能，因此也可以结合 该功能实现对电动机故障的诊断。电动机的主要故障类型请参见附录二。 3 4 传动机构 传动机构包括减速器与液力偶合器，正常运行情况下，其自身的能量损耗 a p = 号( 1 - 野) 与其传动效率叩有关。在额定运行状态下，可以近似为一定值。但 当出现故障时，此损耗将大大增加，损耗以发热的形式表现出来。对于减速器来 讲，其温升与能量之间的函数( t ) = c j m j t 。，其中c j 为减速器的比热容，m ， 为减速器的质量，因此能量损耗可由式( 3 9 ) 表示，即 0 = 力( a t ) = c i m j a t ( 3 9 ) 通过测取温升，利用式( 3 9 ) 与正常情况下减速器由于发热所引起的能耗 岛= 峨= c i m ，巧比较米判断减速器是否出现故障。特征量可写为 a ，= c j m ，( a t 一瓦) ( 3 一l o ) 同样对于液力偶合器来讲，其温升与能量之间的函数为p ) = q 鸭r ”， 其中为液力偶合器的比热容，为液力偶合器的质量，因此能量损耗为 蜗= 工( a t ) = c y m y a t ( 3 1 1 ) 也可以通过测取其温升变化，利用式( 3 - 1 1 ) 与正常情况下液力偶合器由于 发热所引起的能耗毛= = c ，m ，瓦比较来判断故障状态c 特征量可写为 a ，= c y m y ( a t 一瓦) ( 3 一1 2 ) 减速器和液力偶合器的主要故障类型请参见附录三和附录四。 3 5 输送机张力 图3 5 给出了输送机各参数的具体含义及其分布情况。 图3 - 5 输送机系统各参数示意图 由上节的分析可知道，对于输送机，该在线求出皮带张力。而输送带的有效 张力f 是下述各种力产生的输送带张力的总和： i 物料的重力负荷。 2 输送机以设计能力运行时，其部件、驱动装置和所有附属装置的摩擦阻力。 3 输送过程中物料的摩擦阻力。 因此可以得到计算有效张力f 的基本公式是： f = 睨( 出；回+ ( 墨+ 弓w + o 0 1 5 ) + 已( 3 - 1 3 ) 其中： f 一在传动滚筒处的输送带有效张力，牛顿； 置一环境温度校正系数； k ，一用于计算托辊的摩擦阻力和输送带同托辊之间的滑动阻力系数； l 一输送机长度，米； k 。一用于计算输送带和负荷越过托辊时，输送带和负荷总和扰曲阻力系数 职一单位长度输送带的重量，磅英尺，当不知道输送带的精确重量时，可用输 送带的平均估重； 一输送带单位长度上物料重量，千克米； h 一提升或下降物料的垂直距离，米； 一当物料被加到输送带上时，由于连续加速物料所产生的张力，牛顿： 整理式( 3 - 9 ) ，可写成： f2 k 0 m 七f | + f a m 婚一1 4 ) 式中代表输送机各类摩擦阻力之和，k m = l k ，h ，因此对某一台输送 机，曩和k 。基本上为定值。当输送机正常运行时，带速近似认为不变，于是张 力f 近似与重力负荷砜成正比。 3 6 重力负荷 输送机的重力负荷实际上是输送机皮带上的物料重量( 如煤炭) ，由计量装 置获取。输煤系统的计量装置是核子秤。 核子秤放射源发出的y 射线穿透物料后，强度变化规律如下。7 n ：n o e - u 州：n o e - u , - ( 3 - 1 5 ) 式( 3 1 5 ) 中，表示质量吸收系数，p 表示物质的密度，6 表示物料的宽 度，d 表示物料的厚度，。表示无物料时探测器接受到的，射线强度， ，表示有 物料时探测器接受到的，射线强度。 称重传感器的输出信号，与y 射线强度成正比，因此有 ，：，。p 一：，。e m ( 3 一1 6 ) 式( 3 1 6 ) 中，。表示无物料时的输出信号；，表示有物料时的输出信号。 设核子秤每次采样检测到的单位长度物料的重量为w ，则由( 3 一1 3 ) 得 w = ( - b u ，) 芷l n ( i i o ) ( 3 一1 7 ) 式( 3 1 7 ) 中，k = 一，通过测定，、，。，并通过标定确定值，即可 得输送机每次采样检测到的单位长度物料的重量，输送机的带速y 可由测速 装置得到 v = k 1 u + 足2 ( 3 1 8 ) 式( 3 1 8 ) 中，墨，如表示标定常数。每次采样检测到输送机的瞬时流量x 为 x = ，y ( 3 - 1 9 ) 假设核子秤的采样时间t ，皮带长度为工米。经过n t 十f 后皮带运动l 米( 核 子秤采样次数为n + 1 次，t t ) ，则皮带上的物料总重量为： 将式( 3 1 9 ) 代入上式得 w = x 一十如t ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) f 晖啊 +f k彤 。h = 缈 式中w 为第f 次采集到的单位长度上的物料重量，v 为第f 次采集到的皮带 速度。因此，单位长度上物料的重量既：w ，l = 喜彬1 睁+ 瞩：。k + 1 t l 所以，输送机的张力可以表示为： f=x。窆瞩kr+嗽ik+ltlli=1+ 乃+ k c s z z ， 式( 3 2 2 ) 可以较精确的在线计算出皮带的张力。由图3 _ 4 知，正常状况下 滚筒的输入功率砭= 昂一华一屿一蝇，用它与系统运行时通过计算所得到的 皮带张力f 而得到的输出功率最作差，即弓= 砭一圪，与系统正常运行 时的功率损耗矗= b _ 比较从而判断故障。即特征量可写为 。= & 一艺一。 根据以上几节对整个输送机驱动系统各部分设备故障特征量的分析及提取 我们可以将各特征量所体现的故障类型总结如下，见表3 一l 。 表3 1 特征量所体现的故障类型 故 瞳 电机故障减速器故障偶合器故障输送机故障 类 型 特 征 。= ( s 一曲) 昂j = c j m j ( a t 一)，= c ；( a t 一毛)a r = 砭一置一最n 量 当根据这些特征量确定了故障设备后，可以结合已经采集到的状态参数对各 设备做进一步诊断。 37 故障特征量的计算 2 l 困u-6霈粥醇婿蒋噎围 图3 - 6 给出了输送机驱动系统状态诊断模型图，由第二章的分析可知，图左 边的数据均是可直接测取到的，图上方即为输送机驱动系统故障状态的判别式。 l 、驱动电机故障特征量的计算 由y = 拼、，= 珞i n ：及出= 2 r c n 经折算后得到驱动电机的转差率表达式为 。：登睁。， 驱动电机正常运转时转子铜耗e = s u l c o s f a ，根据华能南通电厂燃运公司输 煤控制系统技术资料。“，驱动电机正常运转时转差率s = 0 0 2 ，所以驱动电机正 常运转时转子铜耗只= 0 0 2 u l c o s 伊，因此驱动电机故障特征量可写为 ，= 0 0 0 2 ) u ic o s 妒 ( 3 2 4 ) 实际研究表明”1 ，若式( 3 2 4 ) 大于裕值0 0 5 u i c o sc p 时，电机存在相应的故 障，应停机检修。输送机驱动系统传动机构齿轮比为j = 2 5 i ，滚筒半径r = 0 3 1 5 m ，电机空载转速为i s 0 0 r p m ，任一时刻，经测速装置测得皮带的带速为y 。 将这些参数代入式( 3 2 3 ) 和( 3 2 4 ) 即可得到任何时刻电机故障特征量的表达 式。 a ，= 2 5 一三里 q ：3 堑一00 2 2 5 u i c o s 口 ( 3 - 2 5 ) 2 、传动机构故障特征量计算 相比而言，减速器和液力偶合器故障特征量的计算较简单。减速器和液力偶 合器均由铁铸成，铁的比热容o 4 6 1 0 3 焦( 千克) “。而减速器质量为4 1 6 0 千克，其正常温升为5 。ci 液力偶合器的质量为2 4 5 0 千克，其正常温升为44 c 。 所以根据式( 3 - 1 0 ) 和式( 3 1 2 ) 得到减速器的故障特征量表达式为 a ，= 1 9 7 1 ) ( 1 0 5 ( 丁一5 ) ( 3 2 6 ) 液力偶合器的故障特征量表达式为 a ，= 1 1 6 1 0 5 ( r 一4 ) ( 3 2 7 ) 3 、输送机故障特让量表达瓦 根据 3 6节的结论知，输送机滚筒的输入功率 砭= 名一只一屿一0 = 9 9 8 u 1 c 。s p 一1 。4 4 1 0 6 ，而输出功率 置= f y = 置。窆i = 1 职+ w + 畎，t 1 l + 只+ l y c ，也s ， 【l jj 式中，由文献 3 1 知，k = 1 0 5 ，只= 2 5 4 4 n ，5 1 2 5 4 n ，l = 3 0 m 。所 以计算得到的输送机损耗功率为： 螂龇。s 埘圳吐卜陲彬附w 。声。 + 3 7 s ， y z ”【l i _ l j j 输送机正常运行时，损耗功率m 3 = 5 0 0 w ，所以输送机故障特征量计算 表达式为 a r = 9 9 8 u i c o s f a - 1 4 4 x 1 0 6 - 扣陲i = 1w 叩帆w 。纠柳s ，卜s o o s 。，【l j j 3 8 故障数据库的建立 数据库采用s q ls e r v e r ，在其中记录输送机故障内容及排除方法，为在输送 机驱动系统网络化监测系统中集成故障诊断系统作准备。 为了便于程序的设计，分别按照故障设备名称建立了驱动电机表、皮带表、 托辊表、减速器表和液力偶合器表。表中的内容请参见附录，如图3 7 所示：驱 动电机表。 图3 7 利用s q ls e r v e r 建立驱动电机表 将所有建立好的表存放在w e b 服务器上，方便故障诊断系统的调用。 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 第四章状态数据的提取 4 1 输煤控制系统工控软件简介 4 1 1f i x 组态软件 f i x 组态软件”3 是一种面向对象的图形化工控软件平台，用户通过对对象属性、 事件触发、过程描述来实现控制程序的开发。用户程序是在f i x 组态软件平台上通过 图形工具( d r a w ) 开发的，但是用户程序必须通过窗口工具( v i e w ) ，并且安装软件 锁才能运行。f i x 组态软件的两个基本功能是数据采集和数据管理。 数据采集是指f i x 通过高性能的、高速的i o 驱动程序直接与硬件( p l c 程控器 等) 通讯读取数据。数据管理是指应用程序对采集到的数据进行处理、变换和引导等。 图4 1 显示了f i x 应用程序如何对输煤控制系统的现场设备进行数据采集和管理的， 其过程如下： 1 、i o 驱动器从i o 设备中读取数据并把数据传入数据映射表d i t ( d r i v e ri m a g e t a b l e ) 的地址中。 2 、扫描、报警和控制程序从d i t 中读取数据，并将处理后的数据传输到内部过 程数据库p d b ( p r o c e s sd a t a b a s e ) 中。 3 、内部数据库访问模块从本地或远程的p d b 中读取数据，并将这些数据传输至 请求数据的应用程序中。 上海海事大学硕士论文 输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 f i xi o 数据映射表( d i t ) 图4 - 1f i x 应用程序数据采集图 在整个数据采集过程中，有几个关键的环节：i o 驱动器( v od r i v e r s ) 、f i x 实 时数据库、图形界面。 1 、i o 驱动器( 加d r i v e r s ) f i x 软件提供与p l c 等设备的接口即i o 驱动器，它是从p l c 等硬件寄存器中 读出数据的软4 牛接口。i o 驱动器有自动通讯错误检钡4 、信号调节等功能。f i x 可以 同时支持8 个不同类型设各的i o 驱动器在一个s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 节点上运行。i 0 驱动器能够建立和维护程序映射表( d i t ) ，它能够以 特定的速率对每一个寻检记录点进行刷新。 2 、f i x 实时数据库( p d b ) f i x 数据库可从驱动程序映射表d i t 检索数据、处理过程数据( 包括指令) 、与 定义报警界限进行比较，输出值返回到驱动程序映射表，并发送报警信号到不同的外 设。数据库是由数据块( b l o c k ) 、数据点( t a g ) 和数据链( c h a i n ) 组成的。f i x 组态 软件是自封闭的，其过程数据库( p d b ) 对用户不透明，无法在外部访问控制系统实 时数据信息。 3 、图形界面 在用户应用中，f i x 提供一个图形用户界面( g u i ) ，在用户屏幕上产生图形化 上海海事大学硕士论文 输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 的过程信息。用户图形应用程序核心是从数据库访问信息，f i x 提供了多样式的链接 ( l i n k s ) 方式，使用链接还能向数据库写数据。而数据源不仅可以是来自f i x 数据 库，也可以是来自其它d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 应用程序或o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i o n ) 数据库，这些数据传输可以是双向的。 4 1 2 输煤控制系统应用程序 输煤控制系统应用程序是指在f i x 平台上开发的上位机控制程序和下位机( 实际 为p l c 程控器) 采用m o d s o f t 软件开发的控制程序，所用的控制律都放在下位机主 p l c 程控器中实现。图4 2 显示了上位机控制程序的数据流程图。 图4 - 2 输煤控制系统应用程序数据流图 姚港输煤控制系统上位机采用2 台n e cpi i 3 5 0 微机作为监控工作站，分别取 名为f i x l 和f i x 2 ，即两个s c a d a 节点挂在m b + 网络上，监控工作站使用f i x 6 1 5 ( 简称f i x 3 2 ) 工控软件，为操作人员的应用软件提供实时数据。对于监控工作站， 在f i x 工控平台的s c u ( s y s t e mc o n f i g u r a t i o nu n i t ) 中要以下方面做相应的系统配 置：正确的文件路径，与p l c 数据通信的相关协议约定，网络支持，远程通信支持， m b + 网卡的设定，i o 驱动映象区地址，中断指针向量等。 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 输煤控制系统应用程序主要实现的功能有 ( 1 ) 监测各设备和流程的状态； ( 2 ) 控制各设备的运行； ( 3 ) 对所测得参数设置界限，当参数超限时产生报警并记录 ( 4 ) 对所采集的数据进行分类，按预先设置的定义的公式、表达式计算、统计 数据，以报表图形、曲线等方式显示或打印。 4 2 实时数据的提取 实时数据的提取是将工业控制系统生产信息导出并存储到目标数据库的过程，由 于工业系统软硬件的复杂性，这样的导出操作并不具有唯一性，要视具体情况而定。 下边的过程是对于通用性很强的o d b c 导出方式的具体实现，对于类似系统有一点 借鉴价值”3 。 4 2 1 数据提取存储的准备工作 数据提取工作主要对象是输送机系统的实时运行数据，将原来在f i x 中的数据导 出，由于f i x 组态软件是支持o d b c 的，所以数据导出采用的方式是基于标准o d b c 数据访问，导入目标是在实时数据库服务器上新建的o r a c l e 数据库。首先，必须在 工业以太网络上建立监控计算机和o r a c l e 数据库的基于o d b c 连接的数据通路，步 骤如下： 第一步，在o r a c l e 数据库服务端必须新建o r a c l e 服务监听器，监听器工作指向 工业控制以太网，服务对象为监控计算机。 第二步，在客户端，也就是监控计算机安装o r a c l e 客户机，o r a c l e 客户机程序使 得监控计算机在工业以太网中可以对任意的o r a c l e 数据库进行访问。 第三步，在顺利安装完毕o r a c l e 客户端之后，使用o r a c l en e tc o n f i g u r a t i o n a s s i s t a n t 对客户机进行网络服务配置，先使用虚拟网段p 地址定位o r a c l e 主机， 1 9 2 1 6 8 0 1 ，并定义默认的t c p 端口1 5 2 1 ，然后填入o r a c l e 上新建的实时数据库服 务名n t d a t a ，最后测试连接更新合法权限的用户名和密码，确保安全登陆o r a c l e 。 为了安全性考虑，在o r a c l e 中为监控计算机数据导出开启的用户空间只对新建 的数据库有效，对实时数据表的存取的权限应尽可能降到允许的最低。虽然工控以太 网络已经有防火墙的隔离，但是数据安全性问题还是要考虑周全，避免其影响正常的 2 8 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监钡0 及故障诊断 数据处理和显示。 4 2 ，2 数据提取的存储流程 在工业以太网虚拟网段测试数据库连接成功后，数据导出工作就可以实施，f i x 中生产实时数据导出的过程有一些周折，具体数据导出的实现要经过如图4 3 所示的 过程， ! ：! 竺竺兰竺卜s 图4 - 3 移植数据的存储流程 f i xo d b c 交互接口由s q l 任务( s q lt a s k ) 、s q l 触发器数据库块( s q lt r i g g e r d a t a b a s eb l o c k ) s q t 和s q l 数据数据库块( s q ld a t ad a t a b a s eb l o c k ) $ q d 三部分 组成。 $ q l 任务的主要功能如下：执行被触发的s q t 块；找到s q d 块中的数据并把数据 插入到关系数据库中；从关系数据中选择需要写回到f i x 数据库中的数据；在网络不 通的时候备份数据且在网络连接通以后自动把数据写入关系数据库。 $ q t 确定了用来进行数据操作的存在s q l 语句库中的s q l 命令；在数据交换连接 不通的时候是否备份需要执行的s q l 命令；s q t 动作的时间或者时间间隔。s q d 数据 块确定了需要传输和采集的数据点，并规定了数据传输的方向。 在整个操作流程中，首先因为时钟事件或者实时数据更新事件引起触发器动作， 从与触发器相连的s o t 块读取需要执行的s q l 命令名称；其次在s q l 命令库表中找到 相连的s q l 命令；接着从s q l 命令读取需要操作的参数名称，根据参数和数据点之间 的映射关系从f i x 实时数据库中取得相对应的、传输方向为出的实时数据点的值；然 后根据已有的数据执行s q l 命令，进行数据操作或者从关系数据库取数据；最后如果 参数的传递方向为传入实时数据库，则把从关系数据库中获取的数据写入对应的数据 变量点。 2 9 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监删及故障诊断 4 23 数据提取的存储实施 1 、i x 组态软件中定义需要送出的实时数据点。 首先建立需要传送的数据点和关系数据库中的字段对应关系，如图5 - 2 所示： d s 2 一c a l c u l f c v 、d s 3 一c a l c u l l f _ c v 和d s 3 一c a l c u l f _ c v 。在关系数据库 中建立对应的关系表，保存实时数据。 2 、i x 组态软件创建s q l 数据块s q d 。 定义需要一次更新的数据点，设置数据传输的方向，本系统都是写入数据到关系 数据库中；把建立好的数据块定义好名称，并且把需要连续更新的数据块串联起来。 如图4 - 4 所示，图中t a gd a m e 说明s q l d 的名称，t a gf i e l d 说明需要传输的数据点 名称，d i r e c t i o n 说明数据传输的方向，n e x tb l o c k 说明需要连接的下一个数据块 s q l d 。图4 ，4 为把3 个变量的值传出的设定。 图4 - 4 建立数据库关联 3 、在f i x 组态软件中建立触发器s q t 。 定义引发触发器动作的事件，事件可以是时钟事件或者实时数据库中的数据变化 事件，并且把需要更新的s q d 和其关联起来。如图4 5 所示为根据事件d s a 2 f _ c v 事件发生时的触发器，它将使用s q d l i 来对数据进行更新。 上海海事大学硕士论文 输送机驱动系统阿络化状态监测及故障诊断 图4 - 5 定义触发器 4 、关系数据库中创建用来操作数据所必需的s q l 命令，并把这些命令插入s q l l i b 表中如图4 - 6 。s q l 命令常用有以下四种格式：i n s e r t ，u p d a t e ，s e l e c t ，d e l e t e 。语句 的使用格式如表4 - 1 所示。 图4 - 6 插入s q l l i b 表中的s q l 命令 表4 - 1 使用s q l 语句格式 s q l n a m es q l c m d 说明 s 口l d l li n s e r ti n t os s j d l l ( d t e ，m o t o rn o ，c u i t e n t ，r t m f i m e ，1 c o o )建立字段 v a l u e s ( ? ，l ，? ，? 。l ) ； s q l f f h d l l1 1 2 4 5 u p d a t es s j d nw h e r em o t o r _ n o = ”d s l l ”： 更新数据 5 、s q l 命令语句和触发器联系起来。如图4 7 所示。 上海海事大学硕士论文输送机驱动系统网络化状态监测及故障诊断 图4 7 定义与触发器相关的s q l 命令 4 2 ，4