（化工过程机械专业论文）大型往复式压缩机在线监测系统——下位机系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 针对齐鲁石化第二化肥厂尿素车阃的c 0 。大型往复式压缩机，建立了一个大 裂往复式压缩机在线监测系统，从功能设计、硬件组成到软件实现。 本论文着重于下位机软件的讨论。设计了一个智能化检测、智能化数据传 输、利用专家系统进行模糊故障诊断的一个较复杂而且策略比较灵活的下位机软 件系统。具体来说，特点如下： 实现对大型往复式压缩机在线监测的基本功能：实时在线检测压缩机 的压力、振动、位移等等。 实现智能化的监测，针对不同情况，进行状态转换：在正常状态下， 进行数据检测，并对检测数据进行容错判断，如果发现异常，进行故 障诊断，并进入机器故障状态，否则进行数据传输，再进行数据检测； 在机器故障状态，实现“黑匣子”功能，进行故障状态数据的完整保 存，延迟数据传输，进行故障诊断，然后转入正常状态；设定机器开 关机状态，对机器开，关机进行单独检测，单独记录数据，而不进行故 障诊断；设定一些系统故障状态，如系统串口出错状态、系统硬件出 错状态等等，对其进行相应处理；完成系统辅助功能，如进行标定、 各种阀值的改变等等。 进行智能化的串口通讯。我们采用串口通讯卡p c l 7 4 5 b 作为硬件基 础，实现上位机w i n d o w s 系统与下位机d o s 系统之间的数据通讯。 根据监测系统的实际情况，我们设计了一些有针对性的策略，如长数 据方式、短数据方式、故障数据方式、延时数据方式、开关机数据方 式等等，实现数据通讯的智能化。 实现基于专家系统的模糊故障诊断。我们建立了一个基于专家系统的 模糊故障诊断系统，在示功图基础上进行往复式压缩机的故障诊断， 并对实验室内小型压缩机进行实验，结合理论和实践，建立了典型故 障库、进行模糊故障诊断的描述文件，取得了不错的诊断效果。卜一。、 关键词：往复式压缩机故障诊断模糊技术 浙扛大学硕士毕业论文 a b s t r a e t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e c i p r o c a t i n gc o m p o s e r i nu r e ap l a n to f q i l up e t r o c h e m i c a l c o m p a n y , al a r g e - s c a l e o n l i n em o n i t o r i n g s y s t e m w a s d e v e l o p e d f r o mf u n c t i o nd e s i g n t oh a r d w a r ec o m p o s i n ga n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n i nt h i sp a p e r , ac o m p l e xs o f t w a r es y s t e mo f d o w n p o s i t i o n c o m p u t e rw i t ha g i l e s t r a t e g yw a sd e v e l o p e di no r d e r t h a ti tc a nb eu s e di nf u z z yf a u l td i a g n o s i sb ym e a n s o f i n t e l l i g e n tc h e c k ，i n t e l l i g e n td a t at r a n s p o r t a t i o n ，a n de x p e r ts y s t e mt h i ss y s t e m h a s s u c h f e a t u r e s 龉f o l l o w i n g ， i tc a no n l i n ed e t e c tt h er e c i p r o c a t ec o m p r e s s i n gm a c h i n ea n dr e a l f i m e d e t e c ti t sp r e s s u r e ，o s c i l l a t i o n ，a n dd i s p l a c e m e n t i n t e l l i g e n td e t e c t i o na n ds t a t ec o n v e r s i o nh a v eb e e nr e a l i z e da c c o r d i n gt o v a r i o u sc o n d i t i o n s i n t e l l i g e n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nw t k $ c a r d e do u ti nt h i ss y s t e mp c l 一7 4 5 b w a su s e da st h eh a r d w a r eb a s i st or e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hd o s s y s t e mi nd o w n p o s i t i o nc o m p u t e ra n dw i n d o w ss y s t e mi nu p p e r p o s i t i o n c o m p u t e ra c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n ，s o m ep e r t i n e n ts t r a t e g i e s ， s u c ha sl o n g - d a t am a n n e r , s h o r t - d a t am a n n e r , d e l a y - d a t am a n n e r , f a u l t - d a t a m a n n e r , a n do i l o f fd a t am a n n e rw a su s e di no r d e rt oa c h i e v ei n t e l l i g e n t d a t ac o m m u n i c a t i o n a f u z z yf a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ne x p e r ts y s t e mw a se s t a b l i s h e da n d a p p l i e dt of a u l td i a g n o s i si nr e c i p r o c a t ec o m p r e s s i n gm a c h i n eat y p i c a l f a u l t l i b r a r y a n d d e s c r i b i n g f i l e so ff u z z yf a u l t d i a g n o s i s h a sb e e n e s t a b l i s h e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l d a t ao ns m a l l s c a l e c o m p r e s s i n g m a c h i n e i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tag o o df a u l td i a g n o s i se f f e c tw a so b t a i n e d k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i sf u z z yt e c h n o l o g y r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r 浙江大学硕士学位论文 第一章 1 1 前言h 2 0 3 7 枷舯1 l 第一章文献综述 随着社会生产的发展进步，现代大工业的大型化发展，大型、高速、大功 率的设备的应用也越来越广泛，其对于石油、化工、冶金等行业生产的正常进行 及整个工艺流程起着决定性的作用。近年来，因关键设备故障而引起的灾难性事 故时有发生，例如：1 9 8 4 年1 2 月位于印度博帕尔市的美国碳化物公司农药厂， 发生毒气泄漏事件，造成2 0 0 0 多人死亡，2 0 多万人受害，成为世界工业史上最 大的恶性事故；1 9 8 6 年1 月2 8 日，美国航天飞机“挑战者”号的空中爆炸事件， 导致7 名宇航员全部遇难，总计损失达1 2 亿美元。我国机械设备发生故障引起 的损失也十分惊人，如1 9 8 5 年大同电厂和1 9 8 8 年秦岭电厂的2 0 0 m w 汽轮发电 机的严重断轴毁机事件；进口的大型万吨货轮航行中的主机突然损坏遇风暴沉入 海底等。这些严重的、或灾难的事件不断发生，迫使人们在设备监测诊断方面进 行大量的研究，形成了机器设备、工程结构和工艺过程的监测故障诊断这一新兴 的研究领域。 国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，在 采用故障诊断技术后，事故率减少7 5 ，维修费降低2 5 5 0 ；英国对2 0 0 0 个国营工厂的调查表明。采用诊断技术后每年节省维修费3 亿英镑，用于诊断技 术的费用仅为0 5 亿英镑。据有关部门统计，我国每年用于设备维修的费用仅冶 金部就达2 5 0 亿元，如果将故障诊断这项技术推广，每年可减少事故5 0 7 0 。节约维修费用l o 3 0 ，效益相当可观。 因此，建立一个有效的状态监测及故障诊断系统是有其巨大的实际意义的： 可以避免严重的突然事故，从而提高设备的安全运行率，增加产值。 即使机组发生故障，也可以从系统提供给我们的数据中找出故障的原因，在 检修中做到心中有数，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量。 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，进行故障 预测，可以进行预防性维修，将设备从定期性维修发展到预防性维修，可以 使维修有针对性、方向性，延长关键部件寿命。另外，还可以使备件的储备 量减少到最小。 对设备的实时状态监测可以积累各种状态下设备运行的大量各种试数据，对 进一步地研究设备的各种状态下的运行特征提供大量实测数据，对设备的研 究及故障诊断都具有技术上的意义。 浙江大学硕士学位论文 第一章 随着近年来计算机技术的迅猛发展，为状态监测仪器及故障诊断系统的发 展提供了良好的条件。因此，将计算机实时监控分析与自动化技术用于机械设备， 真正实现机械设备的机电一体化、计算机化，开发一套大型往复式活塞压缩机状 态监测与故障诊断系统，无论是在经济上还是在技术上，都有积极的现实意义。 1 2 压缩机监测系统综述 1 2 1 概述l h 州 国外从六十年代初就开始对旋转机械的振动、故障特征等进行研究，发展 了一系列诊断旋转机械故障的技术。 近年来国内外的机械故障诊断技术发展迅速，研究的手段和方法日新月异， 其应用已遍及各个领域，该技术在往复式压缩机中的应用也取得了很大进展。美 国学者曾利用气缸内测得的压力信号图象判断气阀故障及活塞环的磨损，捷克学 者根据对千余种不同类型的压缩机建立的常规性能参数数据库，确定评定参数， 以判断新压缩机的工作状态：国内一些同行在对压缩机的常规性能参数的监测和 控制方砸做了一定工作，以求改变目前压缩机的操作人员用耳听、眼看、手摸， 凭经验判断故障的局面。然而，由于往复式压缩机结构的复杂性，激励源众多等 特点，目前尚无一套成熟的诊断方法。 故障诊断装置的发展主要在两个方向进行：便携式监测诊断仪及在线监测 与诊断装置。 便携式监测诊断仪主要采用单片机系统，其功能主要是对机组振动信号进 行测试并对所测信号进行简易分析和诊断。近期德国申克公司推出的v p 4 1 ( v i b r o p o r t4 1 ) 智能化机器分析测量仪以及德国d b 公司推出的s y st e m 2 多功能维修工作站就是这类仪器的代表。 在线监测与诊断装置一般配有传感器系统、数据预处理系统、采样控制系 统、计算机系统及打印输出系统，并配有丰富的监测与诊断软件，它可以存储大 量运行数据，以备分析诊断用。这类装蔑一般采用上下位机工作方式，下位机进 行数据的采集与监测，j 二位机对采集的数据进行分析、诊断。但由于往复机械的 复杂性，国外的基本思路是将在线的监测系统加以扩展，增添相应的往复机械的 监测系统，对其某些关键部位，如卜字头滑道、活塞杆、进出口气阀、机体等加 以监测，以及时判别机器运行状态。实用产品有：丹麦b k 公司推出的3 5 4 0 型 机器监测系统，美国本特利公司研制的3 3 0 0 监测系统。国内在8 0 年代后期，由 东南大学和南京压缩机厂合作研制r2 0 平方米空压机微机测控装置；由山西省 自动化研究所为重庆气体压缩机厂研制j - y w - - 3 0 2 4 、y w 3 0 2 8 型机组电脑群 浙江大学硕士学位论文 第一章 控制装置，以及南昌机务段的s m c - - 9 0 1 计算机专门监测系统。但在国内有针 对性的对往复式压缩机进行监测的装置并不多见。 1 2 2 往复式压缩机的监测与故障诊断系统综述 关于往复式压缩机的监测与故障诊断，武汉化工学院的沈祥兴建立了一个 往复式压缩机的动态数据采集与处理的计算机辅助系统，他主要是一个实验数据 记录与简单分析的系统2 ：大连理工大学的高洪涛等开发了工业汽轮机压缩机组 在线热力性能监测系统利用热力性能的计算和分析的方法，从热参数诊断的角 度对汽轮机旋转压缩机组进行热力性能的评估诊断l 3 l t 西安交通大学的孙嗣莹， 何云涛”“”1 ，任廷容利用时域识别辅以频谱分析及压力分配识别的综合诊断方 法，借助微机实现对往复式压缩机填料工作的在线监测和故障诊断：林京，刘红 星5 一”利用小波变换、包络分析、功率谱谱距等方法对往复式压缩机的气阀进 行相应的故障诊断分析；时献江，于庆有“”采用电机电流信号间接对压缩机组 进行状态监测与诊断；上海交通大学机械设备诊断中心的刘稚钧，杨霞菊，佟德 纯”以及云南锡业公司的易良渠1 也进行了往复式空压机的故障诊断工作并 给出了实例。总之，国内文献中有多篇关于往复式压缩机的某种单方法的应用 或对某种单一故障的诊断处理的报道。但国内目前还未见有关大型往复式压缩机 的全面状态监测系统，亦未见有大型往复式压缩机在线监测系统软件的文献报 道。这也是我们委托国家教委科技查新中心浙江工作站的查新结论( 报告日期为 1 9 9 9 ，1 1 ，1 9 ；查新中心站管理编号为9 9 11 1 ) 。 加拿大的b e t a 公司设计的r e c 口一t r a p 系统1 是对往复式压缩机进行 示功图、振动等等进行分析，不过，它通常是一个离线系统，即使作为在线系统， 也需要一些人工操作与干预进行数据的读入。美国本特利公司n 研制了往复式 压缩机的运行状态在线监测系统，该系统监测的项目有活塞杆下沉、进出口气阀 温度和机体振动三类。 1 3 故障诊断综述啪删1 1 3 1 故障诊断的基本概念 1 3 1 1 故障的基本概念和特点 所谓系统的故障，是指系统的运行处于不正常状态( 劣化状态) ，并可导致 系统相应的功能失调，即导致系统相应的行为( 输出) 超出允许范围，使系统的 功能低于规定的水平，这种劣化状态称为故障。 浙江大学硕士学位论文 第一章 该定义具有以f 特点： ( 1 ) 强调系统的输出( 行为) ，从而有利用给出系统状态的测量途径。 ( 2 ) 强调系统故障评判的多样性，即从系统的所有行为表现都可以进行评 判，系统的输出是以多种方式表现：一些能直接表现系统的功能行为 ( 称功能输出) ：一些则是实现系统功能时所附带产生的行为( 称附加 输出) 。如发动机发出功率、缸体发热都是发动机的输出，前者是其功 能输出，后者则是附加输出。 ( 3 ) 强调对故障认识的主观性，即系统的状态“超过允许范围”是人参与 的体现。 ( 4 ) 该定义也不排斥客观性，即“超过允许范碾”是一个诊断标准问题， 一旦标准确立，则具有客观性与公正性。 对故障分类目前还缺乏系统的方法，现在从不同角度给出以下几种分类方 法： 按故障发生的时间历程分，有突发性故障和渐进性故障。突发性故障是发生 故障前，不能提前测试与预测，这种故障表现出随机性；渐进性故障是由系 统参数的逐步劣化产生的，这种故障能够在一定程度上早期预测，一般正常 使用下在其有效寿命的后期才表现出来。 按故障存在的时间历程分，有间歇性故障和永久性故障。间歇性故障是系统 功能输出或附加输出在短时间内超过规定界限的现象，如发动机高温下工作 时个别气缸由于供油系气阻而间歇不发火；永久性故障是系统功能输出或附 加输出持续超过规定界限的现象如发动机气缸磨损后引起异响等。 按故障的显现状况来分，有潜在故障和功能故障。潜在故障是系统功能输出 并未超过允许范围，但其附加输出已有明显的表现；功能故障则是系统的功 能输出超过规定范围，一般是子系统的功能降低，严重的情况是零部件的损 坏。 按故障原因分，有内在故障和环境故障。内在故障是系统内部各部分结构关 系不协调或结构劣化引起；环境故障是系统的输入异常引起。如由于设计、 制造和装配以及零件变形或子系统异常等引起的故障足内在故障，而系统的 环境故障是指其从环境中获得的能量、物质和信息异常，例如，发动机输入 的燃料不足、空气稀薄、司机操纵失误等引起的发动机输出超界是环境赦障。 故障的主要性质表现如下： 层次性：从系统论的观点看，可以认为系统是由“元素”按一定的规律聚合 而成的。当然，系统的“元素”可以是子系统，子系统的“元素”还可以是 更深层次的予系统，如此类推，直到“元素”是物理元件为止。显然，系统 浙江大学硕士学位论文 第一章 是有层次的。故障的产生对应于系统的不同层次而表现出层次性a 时间性：系统故障的产生与表现常常与时间有关，以及由其运行的动态性所 决定，如渐进性故障、间歇故障等。 相关性：复杂系统( 如汽车发动机) 是若干相互联系的子系统组成的整体， 某些子系统的故障常常是由于与之相关子系统或下一级子系统故障传播所 致，从而表现出相关性。 模糊性：系统运行状态中的模糊性，以及人们在状态监测和技术诊断中存在 着许多模糊的概念及方法。 随机性：故障的发生常常与时间紧密相关的随机过程有关。 未确定性；它既不是由于故障描述的模糊性引起，也不是因随机性而产生的， 而是由于人为主观上因条件的限制，在系统故障已产生后，不能准确说明其 发生的部位与原因，而它又确实已经存在，只是因条件不足我们不能完全感 知。 相对性：系统故障与一定的条件和环境有关，不同条件和环境下的故障表现 以及对其描述与划分存在不一致性，如不同的描述方法故障的程度就不同 等。 1 3 1 2 故障诊断的基本概念 故障诊断是指系统在定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或 性质，判断劣化状态发生的部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势等。犹如 医疗诊断，是指医生借助各种手段对人体进行检查、化验，然后根据医学理论确 定诊断对象是否患病和患有何种疾病的过程。诊断就是由现象判断本质，由当前 预测未来，由局部推测整体的过程。在工程技术领域，也需要根据设备各种可测 量的物理现象和技术参数的检测来推断设备是否正常运转，判断发生故障的原因 和部件，预测潜在故障的发生等等。借用了医疗方面的术语，将给机器的故障诊 断的过程称为故障诊断。 1 3 1 3 故障诊断的基本原理 故障诊断的基本思想一般可以这样表述：被检测对象全部可能发生的状态 ( 包括正常和故障状态) 组成状态空间s ，它的可观测量特征的取值范围全体构 成特征空问y ，当系统处于某一状态s 时，系统具有确定的特征y ，即存在映射 g ： g ：s y 反之，一定的特征也对应确定的状态，即存在映射f 浙江大学硕士学位论文 第一章 f iy s 状态空问与特征空问的关系可用下图表示： f g 图1 1 故障诊断表述 如果f 和g 是双射函数。即特征空间和状态空间存在一对一的单满射，则 由特征向量可唯一确定系统的状态，反之亦然，故障诊断的目的在于根据可测量 的特征向量来判断系统处于何种状态，也就是找出映射f 。 若系统可能发生的状态是有限的，例如可能发生t 1 种故障，这时把正常系 统所处的状态称为s o ，把存在不同故障的系统所处的不同状态称为s l ，s 2 ， s n 。当系统处于状态s i 时，对应的可测量特征向量为y i = ( y i l ，y i 一 。故障 诊断是由特征向量y = y 1 ，y m ，求出它所对应的状态s 的过程。因为一般故 障状态并非绝对清晰的，有一定模糊性。因此，它所对应的特征值也在一定范围 内变动，在这种情况下，故障诊断就成为按特征向量对被测系统进行分类的问题 或去对特征向量进行状态的模式识别问题。因此，故障诊断实质上是一类模式分 类问题。 1 3 1 4 故障诊断学的基本概念 故障诊断学是以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现 代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断对象( 系统、设备、机器、装置、 工程结构、工艺过程等) 的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。它大体由三大 部分组成。第一部分为故障诊断物理、化学过程的研究。例如电气、机械部件失 效的腐蚀、蠕变、疲劳、氧化、绝缘击穿、断裂、磨损等理化原因的研究。第：- 二 部分为故障信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程。 例如通过传感器采集设备运行中的信号( 如振动、转速) ，再经过时域和频域上 的分析处理来识别和评价设备所处的状态或故障，七述过程均属于故障信息学范 畴。第三部分为诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方 法、推理方法及人工智能等方法根据可观测的设备故障表征来确定下步的检 测部位，最终分析判断故障发生的部分和产生故障的原因。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章 1 3 2 故障诊断的过程 故障诊断的过程有三个主要步骤：第一步是检测设备状态的特征信号；第 = 步是从所检测到的特征信号中提取征兆；第三步是根据征兆和其他诊断信息来 识别设备的状态，从而完成故障诊断。如图l 一2 所示。 诊断过程包括三个主要步骤，即信号测取、征兆提取和状态识别。由以上诊 断步骤，决定了设备诊断技术的主要内容为： 采用合适的特征信号及相应的观测方式( 包括合适的传感装置、人的感官) ， 在设备合适的部位，测取设备有关状态的特征信号。 采用合适的征兆提取方法和装置，从特征信号中提取设备有关状态的征兆。 采用合适的状态识别方法与装嚣，依据征兆进行推理而识别出设备的有关状 态。显然，有关状态包括正常的和不正常的有关状态，不正常状态时，即为 故障诊断。 采用合适的状态趋势分析方法与装置，依据征兆与状态进行推理丽识别出设 备的有关状态的发展趋势，这里包括故障的早期诊断与预测。 采用合适的决策形成方法与装置，从有关状态及其趋势形成正确的干预决 策；或者深入系统的下一层次，继续诊断；或者已达指定的系统层次，作出 调整、控制、自诊治、维修等某类决策。 浙江大学硕士学位论文 第一章 图1 - 2 故障诊断过程 1 3 3 故障诊断系统的基本结构 故障诊断系统的基本结构如图l 一3 所示： 图1 - 3 故障诊断系统的基本结构 浙江大学硕士学位论文 第一章 1 4 监测与诊断技术发展趋势 国内外各种系统的共同特点是：故障诊断信息取自机组运行的现场状态信 号、进行多参数的综合诊断以提高准确性，具有比较丰富的专家知识和故障案例。 这些都表明，故障诊断技术已由依赖于专家的个人知识和经验为主的人工诊断， 发展到以数据采集、信号分析为主的计算机辅助监测和诊断，进而向拥有人工智 能的状态监测和故障综合诊断方向发展。监测与诊断技术发展趋势突出表现在以 下几个方面： 加强故障机理的研究m 、3 9 1 6 3 1 设备故障诊断的关键，首先是对设备发生故障的原因以及故障征兆要有明确 的认识，然而两者之间的关系往往并不是一一对应的。 往复机械的复杂性给故障的诊断、识别、确定，带来了很多困难，其主要难 点是： ( 1 ) 众多的频率范围广泛的激励力的识别； ( 2 ) 运动件多而形状复杂，这些运动件又包含在机身里面，在工作状态下难于 接近： ( 3 ) 在发动机的不同部件中，激励力的传递途径及其对表面振动的贡献，以及 如何识别； ( 4 ) 当发动机的运动部件出现不同程度的机械性故障时，相应的激励力是如何 变化的，能否从表面振动信号中检出； ( 5 ) 邻缸对本缸以及本缸中各运动部件相互干扰的区别： ( 6 ) 敏感测点的选择及其判据的确定。 上述这些难点的解决，不仅在理论上需要有相当程度的研究，而且需要作 大量的实验研究和经验的积累。 开展多参数综合诊断技术的研究3 7 “蜘 为了实现对压缩机故障进行诊断，必须选定间接评价机器性能的方法和手 段。选择合适的方法应用于不同的故障现象，可取得事半功倍的效果。 ( 1 ) 参数法：所谓参数法是根据介质的参数变化来间接地评价机器技术状况的 方法。介质包括空气、润滑油、冷却水等，它建立在利用热力学、流体力学和空 气动力学原理的基础j 二，且易于用数字式仪表来装备。在实际工作中，人们通过 压缩机的进排气温度、压力、冷却水、润滑油的流量、温度对机器的运行性能进 行评价，这是种典型的参数法。 ( 2 ) 振动声学法：目口通过对压缩机的振动、噪声信号的分析处理来诊断机器故 障。采用振动声学法，可以从压缩机一开始使用就监控每组构件( 气缸一活塞、 9 斯江大学硕士学位论文第一章 轴承组件、十字头组件等等) 的振动信号，将以后的测试数据与初始数据相比较， 以评定压缩机的技术状况和确定其剩余寿命。 振动法必须利用机器工作中接触零件之间相互作用而产生的振动现象为前 提。然而由于压缩机结构复杂，存在着大量的脉动源，而且很难把脉动源从被测 信号中滤除，也难于建立工作过程的分析数学模型。考虑到振动系统的性质与压 缩机技术状况的改变、相互关系的这种数学模型，只能建立在广泛的试验研究基 础上。利用振动信号对于判别压缩机运动部件的磨损、连杆和活塞杆的裂纹等故 障效果较佳。 ( 3 ) 介质金属法：即放射性同位素方法的变形。它根据润滑油中金属的含量来 评价压缩机不同组件的磨损程度。事实上，只有当摩擦副中的每一零件都有“自 己独特的”金属化学元素“监视块”时，评价才可能更可靠。 进行智能诊断理论的研究 常用的诊断方法，包括b a y e r s 统计法、模糊逻辑诊断法、神经网络诊断法、 灰色理论诊断法、基因诊断法等。随着人工智能技术的发展，促进了专家系统理 论在故障诊断领域中的应用，基于多源知识和集成推理机制智能化的诊断理论也 成为重要趋势。 1 5 论文的意义及主要结构 本论文主要介绍了一个大型往复式压缩机在线监测系统的实现。这个大型系 统的建立与实现，不仅针对了齐鲁石化第二化肥厂尿素车间的c 0 2 大型往复式 压缩机的实际工作情况，而且借鉴了旋转机械监测系统的许多优点，在国内首次 建立一个完整、全面的往复式压缩机在线监测系统。( 根据我们委托国家教委科 技查新中心浙江工作站的查新结论，报告日期为1 9 9 9 ，1 1 ，t 9 ，查新中心站管 理编号为9 9 11 1 ，国内目前还未见有关大型往复式压缩机的全面状态监测系统， 亦未见有大型往复式压缩机在线监测系统软件的文献报道) 本论文是主要针对大型往复式压缩机在线监测系统下位机软件设计，主要由 以下几章组成： 第二章：大型往复式压缩机在线监测系统的总体设计 第三章：大型往复式压缩机在线监测系统下位机软件设计 第四章：上下位机的串口数据通讯及其智能化 第五章：往复式压缩机的示功图模糊故障诊断 第六章：往复式压缩机示功图故障诊断的实验和结果 第七章：总结与展望 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章 第二章大型往复式压缩机在线监测系统的总体设计 本章主要介绍了大型往复式压缩机在线监测系统的整体设计、结构和需求应 用背景，并对齐鲁石化第二化肥厂尿素车间的c o 。大型往复式压缩机在线监测系 统的硬件构造进行说明。 2 1 需求背景简介 齐鲁石化第二化肥厂尿素车间一台1 9 7 4 年从日本进口的c 0 。压缩机，由于使 用时问长、设备老化等原因，从1 9 9 6 年9 月到1 9 9 9 年3 月已多次停车，给生产 带来一定损失。经二化肥厂和浙江大学有关技术人员调查研究论证，认为有必要 对压缩机进行在线状态监测，以便及时准确的了解压缩机运行状态，进行适时维 修，减少损失。 2 2 系统功能组成介绍 本系统有硬件和软件两部分组成，硬件部分主要有传感器( 信号测量) 、a d 板、工控机等组成。其中，a d 板和工控机组成下位机，负责采集来自各路传感 器的信号，进行实时容错检测，转换检测模式，进行故障诊断，并进行相应数据 传送：另一台工控机作为上位机主要负责对采集来的数据进行转换、计算、入库、 分析、报警，同时生成、显示、打印报表，进行系统的设置和维护等工作。这种 主从计算机结构形式使系统的各项功能得到合理的分配，保证了整个系统运行的 可靠性和数据采集的实时性。 往复式c 0 。压缩机在线状态监测系统的主要功能有：实时数据采集、数据通 讯、数据管理、频谱分析、在线监测、趋势分析、故障诊断与报警、参数设置、 报表打印、网络通讯等。其系统结构见框图2 一l 。 总体来说，硬件部分的设计保证我们可以在压缩机实际工作过程中可以对它 进行有目的的监测，得到我们所需要的信号，保证系统的工作性能；软件部分的 设计是在硬件工作的基础上，对大型往复式压缩机进行实时读取相应数据，进行 相应处理、分析、诊断，得出结论，提醒工作人员进行相应处理，并实现其他辅 助功能如数据存储管理、打印等等。总之，硬件与软件的协调工作使得整个系统 能够完成在线监测的任务，达到协助生产的目的。 浙江大学硕士学位论文 第二章 工 控机 报表打印数据管理 在线监测l 网络通讯 趋势分析参数设置 f 频谱分析l 故障诊断与报警l l数据通讯 jl 下位工控机 实时监测、故障诊 断、智能通讯 十 隔离式多通道a d 板 千千1 l十千 上 i l 上 l 。j 一 上_ 电压】塞位转 流力度移角 传传传传传 感感感感感 器器器器器 1 一rr - - t - r 往复式c 0 2 压缩机系统 图2 - lc 0 2 往复式压缩机在线监测系统总体结构 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 3 系统硬件设置及结构 2 3 1 系统测点设置及性能 系统测点的设置是非常重要的。合理的测点布置可以实时有效的监测到压缩 机故障的反映，而测点间的配合也可以使监测系统更好地进行故障定位和诊断。 当然，系统测点的设置也要考虑到现场实际情况如安装方便等因素以及硬件的实 际功能如传感器的性能等等。 系统测点的设置及相关部件的选择是要根据实际情况，进行有针对性的设计 及选配： 根据我们对鲁石化第二化肥厂尿素车间的c 0 。大型往复式压缩机以前的 工作情况的调查，针对该压缩机曾多次发生活塞杆断裂、活塞环过度磨 损等故障，我们在压缩机中体内靠近气缸处安装位移传感器，以准确测 量活塞杆的沉降量，同时监测活塞杆的运动状态。考虑到中体内油污多， 温度较高，工作环境恶劣，且传感器安装在中体内部，拆装需要停车等 实际情况，我们采用进口的传感器。 为了对压缩机进排气状况、阀门工作状况、气体泄漏等进行监测，我们 在三个气缸上分别安装压力传感器( 利用压缩机上原有工艺孔) ，测出示 功图，以判断压缩机工作状态。由于压缩机的气体温度和压力都很高， 并且考虑到示功图在往复式压缩机的重要性，为获得稳定和准确的信号， 我们采用进口的压力传感器。 因为压缩机振动中包含有大量的信息，所以我们测量各气缸的径向振动 和轴向振动，通过分析判断活塞和气缸的撞击等故障。 由于压缩机的电机为单机设备，国内无法购买和维修，对整个机组至关 重要，所以我们对电机电流进行监测，而电机电流的检测可以侧面判断 压缩机的工作情况是否正常。 示功图和振动信号都与曲轴转动有关，所以还需监测曲轴的转动情况。 所以设置监测曲轴转动和活塞止点的传感器。 测点部件的选择首先是传感器的选择。而传感器的选择一定要考虑工厂 的实际情况，由于此压缩机进行尿素生产，所以工作环境是碱性环境， 对传感器的要求比较高。另外，除了传感器本身的性能指标以外，我们 还要考虑温度、湿度等因素。 以上拭采用传感器1 5 个，其中大部分为进口传感器，个别采用国产传感器。 浙江大学硕士学位论文 第二章 总之，我们根据实际情况进行部件的选择，在保证系统功能的实现的基础之上， 提高系统的性能价格比。传感器测点布置见图2 - 2 。其具体参数参见表2 - - 1 测 量点清单。 1 ，5 ，1 已示功霞翰析2 ，6 。，l l 气缸径备揍渤3 71 3 。气缸轴自嚆 动 4 , 8 1 4 活塞的沉降和运动9 曲轴转动1 0 电机电流 1 5 活塞止点 图2 - 2 传感器测点布置图 表2 - 1 测量点清单 测点测点名称介质状态相对湿度密度 温度温差压力压差其它 代号( k g m 3 )( o c )( 表压m p a ) 一段a 缸缸c 0 2 气体 1 0 0 72 4 3 i 3 43 曲3 内压力 1 38 一段b 缸缸c 0 2 气体 1 0 0 72 1 34 3 1 3 43 93 内压力 8 = 段缸缸c 0 2 气体 1 0 0 1 5 14 35 0 1 1 592 2 6 内压力 7 7 一段a 缸径空气+ 氨 一5 5 0 速度约 向振动 3 m m s 一段a 缸轴空气+ 氨 5 5 0 速度约 向振动 自， 3 m m s 一段b 缸径空气+ 氧 一5 5 0 速度约 向振动 3 m m s 一段b 缸轴空气+ 氨 一5 5 0 速度约 向振动气3 r n m s 1 4 浙旺大学硕士学位论文第二章 向振动气 二段缸径空气+ 氨 - 5 ，5 0 速度约 向振动 3 m m s 二段缸轴空气+ 氨 5 5 0 速度约 向振动 3 m m s 一段a 缸活空气+ 氨 5 8 0 l n l l l l 塞杆沉降 自 位移 一段b 缸活空气+ 氨 5 8 0 1 n l l l l 塞杆沉降 自 位移 二段缸活空气+ 氨 5 8 0 1 h n 塞杆沉降 f 位移 压缩机电空气+ 氨 ，5 8 02 2 1 a 机电流 5 0 l i z 6 0 0 0 v 压缩机转空气+ 氨 5 5 00 - 4 0 0 h z 角 压缩机转空气+ 氮 。5 5 0 0 3 3 3 转 速 ! 分 2 3 2 硬件设备的选择 硬件设备的选择是根据监测系统的功能以及工厂的实际条件，选择合乎要求 的设备，提高整个系统的可靠性。因此，我们的硬件设备选用可靠性好、性能稳 定、抗干扰能力强的成型的工控产品，而避免自行设计。由于监测系统是2 4 小 时工作，所以我们选用了工控机。对于各种接口板，我们也选用性能符合要求， 而又符合工控要求的设备。此外我们还加入了隔离设备，使得整个系统的可靠性 增加。总之，性能与可靠性是我们设计硬件系统的首要考虑。 2 3 3 监测系统现场布线图 监测系统的现场布线也是十分重要的。由于工厂里对具体的设备安全要求很 高，而我们的监测系统作为工厂设备的一部分，也要符合其安全要求。我们进行 现场布线、安装设备等工作时，涉及到的安全要求包括现场电源的要求即不能连 接我们通常使用的2 2 0 伏电源以及监测系统设备的防爆安全要求等等。因此，我 们根据实际情况，通过与厂家协商合作，设计了监测系统的布置方案，如图2 - - 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 第二章 图2 3 方案的总体布甓图 浙江大学硕士学位论文 第二章 图中黑箭头代表信号线；粗箭头代表多根信号线；直线代表电源线；虚线框代 表防爆盒。传感器探头、前霹放大器安置在车间现场，由前置放大器出来的多路 信号经地下电缆传至总控室的隔离放大单元，并由下位机采集处理( 总控室至车 问现场距离不到2 0 0 m ) ，隔离放大单元、下位机全封闭，但无须防爆。工控机置 于机房，总控室备有终端显示。下位机和工控机之间采用串行通讯，工控机和终 端显示设备及控制站之间采用网络通讯。 2 4 系统软件总体设计要求 本系统软件的设计主要应考虑下面几个因素： 可扩充性：由于监测目标的差异性，设计监测系统时要充分考虑监测通 道的可变性，使系统具有可扩充性。 实时性：本系统属于实时监测系统，由于涉及实时报警和提供相应的故 障诊断的任务，所以对实时性也有较高的要求。同时也进一步要求系统 2 4 小时工作，并自动工作。 可调整性：由于不同往复式压缩机个体的工作状况并不相同，因此对往 复式压缩机工作状况及故障描述、故障诊断等的各种阀值也是变化不定 的；而随着监测系统的长期实际使用，对上述各种阀值的变换调整也是 必要的。所以，监测系统对往复式压缩机工作状况及故障描述、故障诊 断方面的各种阀值应是方便可调的。 典型故障库的方便可扩充性：由于往复式压缩机已有的典型故障种类比 较少，实际测量的数据和结论也比较少，所以在监测系统应用中，典型 故障的表现会越来越丰富，而相应的故障诊断也应趋于丰富和准确，所 以在设计故障诊断子系统中要充分考虑这一点，使典型故障库方便于扩 充。 浙江大学硕士学位论文 第三章 第三章大型往复式压缩机监测系统下位机软件设计 本章主要介绍大型往复式压缩机监测系统的下位机软件设计思想、软件功 能。我们在保证软件设计质量的基础上，根据本监测系统的实际情况，建立下位 机的软件系统，实现系统自检、数据采集、数据容错及故障诊断、报警处理、数 据通讯等一系列功能并根据实际情况进行智能化的检测。 3 1 软件设计思想 3 1 1 概述 软件设计是一个系统工程。设计一个大型往复式压缩机的监测系统并不是完 全针对于某一台压缩机的，我们的目标是希望能够在这个监测系统的基础之上， 可以建立一个通用性较好的、通过些方便合适的修改又可以适用于其他往复式 压缩机监测的系统。因而这是一个有延续性、有继承性的系统。在这个系统的设 计过程中，实现监测系统的功能当然是十分重要的，但软件设计方面的可读性、 结构性、可扩充性等等也都是非常重要的。所以，在设计软件的过程中，引入软 件工程的思想不仅是有前瞻性的，而且也是十分必要的。我们力图开发高质量的 软件，设计快速、可靠、可读、模块化、结构化的软件。为此，我们考虑了以下 一些软件设计方面的因素： ( 1 ) 正确性 正确性是指软件产品准确执行软件需求规格说明中所规定任务的能力。正 确性是首要的质量因素，只有那些采用完全形式化的方式表达系统需求并满足这 些需求的软件产品才是正确的。 ( 2 ) 鲁棒性 鲁棒性是指在异常条件下软件系统仍能运行的能力。鲁棒性讨论的是在异常 条件下软件的行为，它与正确性不同，正确性讨论的是在需求规格说明中明确陈 述的软件行为。鲁棒性在本质上是比正确性更为模糊的观念，它讨论的并不是在 规格说明中明确陈述的问题，而是在某种情况下可能发生的问题。不能象讨论正 确性时那样去说，在这种情况f 系统应该执行什么任务，因为按照定义并不知道 这些任务是什么；如果这些任务规定得比较准确，那么其异常情况将成为规格说 明的一部分，从而纳入正确性的范围。但是事实上规格说明中往往并不明确讨论 浙江大学硕士学位论文 第三章 这些问题。鲁棒性需求的作用在于保证，如果这种情况一旦发生，它应使系统的 执行终止，或进入“降级运行”模式，而不致使系统发生灾难性事件。 ( 3 ) 可扩充性 可扩充性是指软件产品适应需求变化的难易程度。在原理上，软件要求完 成的是“软任务”，取出一个程序元素并进行修改应该是很容易做到的事。然而 要知道，可扩充性问题是一个与规模有关的问题。对小型程序来说，修改通常并 不是一个严重的问题，但对大型程序而言，修改确实并不容易。程序规模越大， 适应修改的任务也就越难。通常的情况是：一个大型软件系统是一个宏伟但又很 脆弱的结构，只要抽出其中的一块“砖头”，都会使这座巨大的“建筑物”倒塌。 对改善可扩充性来说，主要应遵循二条原理： 设计简单：简单的系统结构总量比复杂的系统结构总量更容易修改： 控制分散：在软件系统结构中的模块越是自主，一个简单的修改只影响一 个模块或影响很少几个模块的可能性也就越大，也就越不致引起整个系统都需要 修改的那种连锁反应。 ( 4 ) 可再用性 可再用性是指软件产品可被全部或部分的荐用到新的应用中去的能力。其 实软件系统的很多元素遵循共同的模式，因而应该有可能揭露其共同性，以避免 对以前曾经遇到的问题重新求解，这就是可再用性的客观需求。可再用性的重要 性是显而易见的。要特别注意到，可再用性对软件质量的所有其他方面都有影响。 例如为了解决一个有可再用性问题，本质上就意味着所编写的软件要少，如果整 个软件的总费用允许不变，则可以把更多的人工用来考虑正确性与鲁棒性等其他 因素。 ( 5 ) 兼容性 兼容性是指软件产品与其他软件组合成一个整体的难易程度。兼容性是重 要的，因为软件产品不是在真空中开发的，它们需要与其他软件相互作用。但是 一个软件产品常常会作出与客观世界相矛盾的假设，因此很难与其他软件相互作 用。一个程序要能直接利用另一个程序的结果作为它的输入，= 者的文件格式必 须是兼容的。 兼容性的关键在于设计的同构，还在于要符合程序内部通讯的标准约定， 这个问题的解决办法可以有以下几种： 1 9 浙江大学硕士学位论文 第三章 标准化的文件格式 标准化的数据结构 标准化的用户界面 对软件操作的所有重要实体定义标准化的存取协议是更通用的解决兼容性问 题的办法。 在讨论软件及其质量时，通常考虑开发阶段的问题。然而实际上应该在更广 泛的范围内考虑问题。在程序设计过程中，通常并不涉及维护问题，但是根据众 所周知的估计，维护阶段的花费常常要占软件总花费的7 0 。如果在讨论软件 质量时不考虑维护问题，显然这样的讨论不会令人满意。据研究，2 5 以上的维 护活动都是用户所要求的扩充与修改活动，这些活动是不可避免的。所以说，良 好的可扩充性对于软件来说是至关重要的，其他对软件有较大影响的是数据格式 的变化和文档花费。 以上阐明了正确性、鲁棒性、可扩充性、可再用性与兼容性等五个质量因素