（计算机应用技术专业论文）大型机组实时状态监测系统数据采集层的研发软件部分.pdf

摘要 大型机组实时状态监测系统数据采集层的研发 ( 软件部分) 摘要 大型机组是化工、石化、电力、冶金等行业的关键设备，具有功 率大、转速高、结构复杂等特点，运行及检修要求很高，因此状态监 测和故障诊断技术已经广泛应用于现代企业的设备维修和管理工作 中。大型机组实时状态监测系统的发展趋势是网络化、分布式系统， 数据采集层是系统的最底层，也是非常关键的一环。整个监测系统的 稳定运行需要数据采集层提供准确、及时的实时数据。 在总结了数据采集层软件发展过程的基础上，本文从软件工程的 角度完整的探讨了数据采集层软件研发过程，并对其中一些关键技术 做了较深入研究。 本文论述的主要研究工作如下： ( 1 ) 总结了数据采集软件研发技术的发展趋势，提出了一种实用性较 好的面向对象架构； ( 2 ) 探讨了基于n i d a q m x 驱动库的一些数据采集关键技术的实现； ( 3 ) 对机组运行状态特征值提取算法设计和实现做了研究； ( 4 ) 对启停车、快变报警等特殊数据的处理方法进行了研究和设计； ( 5 ) 基于n id a t a s o c k e t 通信机制设计了数据采集层与应用服务层的通 信体系。 关键词：故障诊断，状态监测，数据采集，启停车，快变报警， m e a s u r e m e n ts t u d i o ，面向对象技术，设计模式 摘要 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed a t a a c q u i s i t i o nl a y e ro ft h er e a l t i m ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mf o rl a r g e s c a l em a c h i n e s ( t h ep a r t o fs o f t w a r e ) a b s t r a c t l a r g e s c a l em a c h i n e sa r ek e ye q u i p m e n ti nc h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a l ， e l e c t r i ca n dm e t a l l u r g i c a li n d u s t r i e s ，w i t hc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl a r g e p o w e r , h i g hr o t a t i n gs p e e da n dc o m p l e xs t r u c t u r e ，a n dah i g hd e m a n df o r o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，t e c h n i q u e s o fc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a i l u r ed i a g n o s i sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ee q u i p m e n t m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ti nm o d e me n t e r p r i s e s r e a l t i m ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m sf o rl a r g e s c a l em a c h i n e st e n dt ob e c o m en e t w o r k i n g a n dd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o nl a y e rw h i c hl i e sa tt h e b o t t o mo ft h es y s t e m ，i sa l le s s e n t i a lp a r t t h es t a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e mr e l i e s o nt h ea c c u r a t er e a l t i m ed a t ap r o v i d e db yt h e d a t a a c q u i s i t i o nl a y e r b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h ei m p r o v e m e n to fd a t aa c q u i s i t i o n s o f t w a r e ，ac o m p l e t ed e s c r i p t i o na b o u tt h ep r o c e s st od e v e l o pt h ed a t a a c q u i s i t i o ns o f t w a r eo nt h ep o i n to fv i e wo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r b e y o n d s ，a d v a n c e dr e s e a r c h e s0 1 1s o m ek e y t e c h n i q u e sh a v eb e e nd o n e m a i nr e s e a r c hp r o j e c t si n v o l v e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n t t r e n df o rt h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t t e c h n i q u e so fd a t aa c q u i s i t i o ns o t l w a r e i ss u m m a r i z e d ，a n da n o b j e c t - o r i e n t e da r c h i t e c t u r ew i t hh i g hp r a c t i c a l i t yi sp u tf o r w a r d ( 2 ) t h ei m p l e m e n t a t i o no fs o m ek e yd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e sb a s e d o nt h en i d a q m xd r i v e r sa r ep r e s e n t e d ( 3 ) r e s e a r c h e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h m so n i i l 北京化工人学硕i ? 学位论文 e x t r a c t i n ge i g e n v a l u e s t h a td e n o t et h e r u n n i n g c o n d i t i o no f m a c h i n e sa r ed o n e ( 4 ) d e s i g n sa n dr e s e a r c h e so nt h ep r o c e s s i n go fs p e c i f i cd a t as u c ha s t h es t a r t u p a n d c l o s e d o w na n dt h ef a s t a l a r md a t a ，e t c ，a r ed o n e ( 5 ) o nt h eb a s i so fn id a t a s o c k e tc o m m u n i c a t i n gm e c h a n i s m ，a c o m m u n i c a t i n ga r c h i t e c t u r eb e t w e e nt h ed a t aa c q u i s i t i o nl a y e ra n d t h ea p p l i c a t i o ns e r v i c el a y e ri sd e s i g n e d k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s t a r t u pa n dc l o s ed o w n ，f a s ta l a r m ，m e a s u r e m e n ts t u d i o ，o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n i q u e s ，d e s i g np a t t e r n s i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：庭壹塑 日期：堡芏：! ： 竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 日期：_ 小p 日期：丝：生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 设备状态监测与故障诊断概述 大型机组，通常指大型旋转机械，即由涡轮机( 如汽轮机、水轮机、燃气 轮机、烟气轮机等) 及其驱动的工作机( 如离心式压缩机、轴流式压缩机、发电 机等) 所组成的透平式流体动力机械。大型机组具有功率大、转速高、流量大、 压力高、结构复杂、监控仪表繁多等特点，运行及检修要求很高，因此在设计、 制造、安装、检修、运行等环节稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。 大型机组本身价格昂贵，其故障停机又会引起整个生产线的全面停滞，给企业、 社会、国家造成巨大的经济损失。因此，认真做好大型机组的状态监测与故障诊 断工作，对避免恶性设备损坏事故的发生，降低停机次数和缩短停机时间、减少 企业的经济损失是十分有益的i l 】。 另外一类常见的大型机组是大型往复式压缩机组。往复式压缩机是国民经 济各部门使用最广泛的一类机器之一。由于使用条件不同，又因其种类繁多，结 构型式各异，尺寸大小和压力高低差别很大，在各种适用场合下都会表现出许多 不同的故障问题。另外，往复式压缩机结构复杂，运动零部件多，激励源多，发 生的故障也是多种多样，因此对往复式压缩机各部件运行状态的监测相对较困 难。据统计，压缩机的大部分故障都是在使用中管理不当导致的，尤其是设备管 理人员不善于监测、分析各种参数，不善于从参数的不正常变化中辨别故障产生 的苗头，以致一旦发生故障或情况严重时才不得不停车处理。甚至有些故障会酿 成机器损坏、有危害气体外泄等严重事故。因此现代企业对往复压缩机的状态监 测和故障诊断非常重视【2 】。 1 1 1 设备故障诊断的目的和意义 故障就是指机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。通常把运行中的状态 异常、缺陷、性能恶化及事故前期的状态统称为故障，有时也把事故直接归为故 障。而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特 点、运行参数及其历史运行状况，对设备有可能发生的故障进行分析、预报，对 设备已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、 部位及趋势。 故障诊断的根本目的就是要保证大型机组的安全、稳定、长周期、满负荷、 北京化t 人学硕j ：学位论文 优良运行，其目的主要为： ( 1 ) 对机组运行中的各种异常状态做出及时、诈确、有效的判断，预防和消除 故障，或者将故障的危害性降低到最低程度；同时对设备运行进行必要的指导， 确保运行的安全性、稳定性和经济性。 ( 2 ) 确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备在带病运行时安全、不发 生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备的确有问题，合理延长设备的使 用寿命和降低维修费用。 ( 3 ) 通过状态监测，为提高设备的性能而进行的技术改造及优化运行参数提供 数据和信息。 故障诊断的任务主要包括三个方面： ( 1 ) 监视机组的运行状态，判断其是否正常。本文讨论的机组实时状态监测系 统承担的正是这一任务。 ( 2 ) 判断机组的故障，预测将来发生的趋势，并提供消除故障的思路。 ( 3 ) 指导机组的运行和维修【l 】。 1 1 2 设备状态监测的方法和技术 设备故障诊断首先要获取设备信息，这种信息通常来自于设备运行中的各种 参数变化。机械设备可作为监测和诊断的信息参数是多种多样的，如振动、声音、 位移、应力、裂纹、磨损、温度、压力、流量、电流、转速、功率等等。故障诊 断的基础和前提就是这些状态参数的监测，检测到的有用信息越多，监测数据越 真实，就越容易诊断出故障原因。监测数据真实性的含义，不仅要求信号具有较 高的信噪比、保真度，还要求能测量到引起故障缘由的直接参数量。实际中不是 所有故障都可以直接监测到反映其症状的参数量，绝大多数设备故障状态是从振 动和噪声的信号分析中获得的【2 】。 大型旋转状态监测的常用方法和技术有如下几种： ( 1 ) 振动分析： 振动分析是指对设备所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，根据振 幅、频率、相位及相关图形所进行的故障分析。 振动分析是旋转机械故障诊断中运用最广泛，也最行之有效的方法。一方面， 由于在大型机组的所有故障中，振动问题出现的概率最高；另一方面，振动信号 包含了丰富的机械及运行的状态信息，既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管 线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力 及温度、油温等影响运行状态的信息。另外，振动信号易于采集，便于在不影响 第一章绪论 机器运行的情况下实行在线监测和诊断。采用振动分析法，可以对旋转机械大部 分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转轴弯曲、轴承工作不良、 油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横 向裂纹、叶轮松动、结构共振等等。 ( 2 ) 油膜分析法 油膜分析法是对机组在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化 分析。通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈 蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，不仅可以掌握润滑油本 身的性能信息，而且也可以了解到机组轴承、密封的工作状况。尤其是对油液中 不溶物质，主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，可以 识别油液中所含各种颗粒的化学成分及其浓度、形貌、尺寸，从而对润滑、特别 是轴承合金、轴颈、浮环、机械密封的动静环、油封及油档等摩擦副的磨损状态 进行科学的分析与诊断。因此油液分析法也是大型旋转机械故障诊断中的一个重 要方法。 ( 3 ) 轴位移监测： 在某些非正常的情况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的 轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而引起叶轮与汽缸隔板摩擦碰撞；大 型汽轮机在启动和停车过程中，也会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀， 严重时会发生轴向动静摩擦。尽管轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生， 特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。所以，对轴位移进行在线 状态监测和故障诊断分析很有必要。 ( 4 ) 温度监测 检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承瓦块及轴承 回油温度升高，严重时会造成烧瓦。所以对轴承回油、瓦块等部分的温度进行监 测也十分必要。按a p l 6 1 7 规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小于2 8 ，轴 承出口处的最高油温应小于8 2 。另外，用铂电阻在距轴承合金l m m 处测量时， 一般不应超过1 1 0 1 1 5 。但由于温度的反映往往滞后，具体的测量方法又各 不相同，因此应具体情况具体分析。 在实际的故障诊断工作中，往往需要将以上各种方法甚至更多其它力法连同 工艺及运行参数的监测一起进行综合分析，才能得到准确的结论。 对于大型往复压缩机组，其故障发生的部位基本集中在下列三部分： ( 1 ) 传递动力部分：曲轴、连杆、十字头、活塞销、活塞等零部件； ( 2 ) 气体进出及其密封部分：气缸、进气和排气阀门、弹簧、阀片、活塞环、 填料函以及排气量调节装置等部件； 北京化丁大学硕 ：学位论文 ( 3 ) 辅助部分：包括水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、 安全阀以及各种管路系统p j 。 上述三部分正是往复压缩机故障诊断的主要对象。 往复压缩机虽然故障种类繁多，但从反映故障状态的监测参数上可分为两大 类：一类故障征兆表现在机器的热力参数变化上，如机器的排气量变化，吸、排 气压力变化，各部分温度变化以及油路、水路故障所表现出来的力参数变化；另 一类故障征兆表现在机组的动力性能参数变化上，如压缩机主要零部件的缺陷、 磨损、损坏和断裂故障所表现出的机器振动和不正常声音，还有各种原因引发的 管道振动。当然，某些故障原因所表现的故障征兆既可反映在热力参数变化上， 也可反映在动力参数变化上【l 】。 1 2 大型机组网络化实时监测系统 传统的机组状态监测与诊断系统可分为单机式和分布式两种。单机式系统的 特点是数据采集、处理、存储、显示等所有功能可以在一台计算机上实现，具有 实时性强、可靠性高的优点，但是不利于多机之间的信息共享和管理，经济性较 差；分布式系统充分利用了基于i n t e m e t i n t r a n e t 的w e b 技术，具有信息共享的 优点，但是监测实时性差，数据传输性能差，可扩展性不强，从诊断应用的角度 来看也不易于使用p j 目前监测诊断系统的发展趋势是基于中间件技术的分布式系统，即本文所涉 及的网络化实时监测诊断系统。这种系统克服了传统系统构建方式的缺点，通过 多层分布式应用体系，构建了一个监测、分析、诊断功能完备，实时性强、可扩 展性好、安全性高的监测诊断平台一j 。 网络化实时监测诊断系统依据其监测数据的流向可以划分为三层：数据采集 层、应用服务层、数据发布层。此三层结构完成了对现场机组的数据采集、存储、 信息加工、远距离实时传输、运行状态监测和诊断等功能，并且远程诊断中心可 以根据对监测信息的分析将诊断结果传输到现场，用于指导生产和维修，构建了 一个层次分明、伸缩性强的监测诊断体系 4 1 ，如图1 1 所示。 4 第一章绪论 盏邕面簟础- “ e = = 翟= 譬2 雹寓= 盘墨皇富翟口 孟i 萄萄函西嗣酗图圈函 国国j 墨墨盘墨盈墨嘲曩圈墨嘟一 田、囹j 嗣 互翟盆墨雹圜叠互四 蛰蛰 囚固 ，鼠 国 图1 - 1 企业实时监测诊断系统架构 f i g1 - 1 a r c h i t e c t u r e o f t h e r e a l t i r a e m o n i t o r i n g 阻d d i a g i ss y s t 咖i n t h e e n t e r p r i s e 21 数据采集层 实时监测系统的数据采集层主要由传感器系统、调理系统和数据采集系统组 成，通过网络将采集的信号传输到现场控制室。机组状态信号由传感器采集，经 调理系统做抗混滤波、放大等处理后，由数据采集系统采集并做其它处理。 数据采集系统由数据采集卡硬件和数据采集软件组成。硬件和软件之间的接 口是数据采集卡驱动。数据采集卡采用n 撕o n a li n s t r u m e n t s 公司的产品和驱动。 本文将重点讨论数据采集层软件的设计与实现。软件运行界面如图1 2 所示。 图l o 数据采集软什界面 f i gl 一2u io f t h e d a qs o f t w a r e j 匕京化t 学顾i 学n 论z 22 应用服务层 应用服务层以中间件技术为核心，统一的通信及目录服务平台为底层接口， 实现了集数据通信，数据存储于一体的中间件系统，且各个模块之间通过标准接 口规范实现松耦台，点持模块的动态加载，具有很好的兼容性【”。图i - 2 为应用 服务层的整体桨构。 图l - 3 麻用服务层架构 h g1 - 3 a m l l 。c m m o f t h e a p p l i c a t i o ns e r v 目l a y e r 应用服务层主要由两部分构成：中间件平台和数据库服务器。该层实现了多 点数据库的融合，构建了以多台数据库服务器为基础的数据中心，并以此数据中 心为基础，提供了数据通信、数据存储、数据处理、系统业务多项业务功能，各 业务功能以独立的模块实现，耦合松散，可灵活加载口】。 ( 1 1 数据通信模块：用于接收客户端请求根据请求的功能码自动对其它模块 提供的接口进行处理，并将处理后的数据发送回客户端。 ( 2 1 数据库控制模块：一方面将现场采集的经过预处理的数掘进行解析和整 理，并按照不同的存储策略提交数据库；男方面接收数据处珲模块和业务逻辑 模块的指令对数据库进行奁询、修改操作，并将结果返回给这两个模块，以响应 客户端的请求。该模块起到了将应用模块和数据库系统隔离的作用，屏蔽了与数 据库有关的操作细节，提高了安全级别已于生机和扩展。 ( 3 ) 数据处理模块：主要完成根据客户端的请求，通过数据库控制模块读取数 据库服务器中的原始数据以及相关组态信息、设备参数信息，并通过各种数字信 第一章绪论 号处理方法，如短时傅罩叶变换、小波降噪、提取特征值等，将客户端进行监测 及故障诊断所需数据发送到通信模块。信号变换的目的是为了更好地提取信号特 征，并提高信号对故障的敏感性。上文已经提到，由于大型回转机组故障种类的 复杂性，再加上多种不确定性因素的影响，为了提高故障诊断的精确性，通常需 要采用多种分析方法才能诊断出振动原因，从而找出更深层次的维修层、完善层 振因。常用的分析方法有波形分析法、轴心轨迹分析法，频谱分析法、全息谱分 析、趋势分析、启停车分析等。以振动信号为例，数据采集层采集到的信号通常 是振动位移量的波形信号，通过波形分析法只能用来对设备故障作出初步诊断， 如正弦波主要是不平衡，削波表示有摩擦，等间距尖脉冲是冲击的特征。但在多 数情况下必须进行频谱分析或全息谱分析才能得到满意的诊断结果，这就需要对 波形数据、轴心轨迹、轴位移等原始数据作不同的变换。数据处理模块完成了各 种信号变换，初步趋势分析等状态监测及故障诊断所必需的功制4 1 。 ( 4 ) 系统级业务逻辑处理模块 系统级业务逻辑处理模块主要完成客户端数据发布层所需的系统级业务，如 用户的登录与验证、用户权限级别的划分、机组组态信息的获取与更新等【3 】。 1 2 3 数据发布层 数据发布层是系统的客户层，将数据以多种图谱的形式表现出来，使用户从 多角度更直观的分析数据、诊断故耐3 1 。 旋转机械故障诊断常用的分析图谱有如下几种【3 】= ( 1 ) 波形频谱图：显示某一测点在某一时刻的波形和频谱，如图i - 4 所示。 图l _ 4 实时波形频谱图 f i g i - 4r c a l t i m ew a v ea n df r e q u e n c ys p e c t r u mg r a p h 7 北京化丁大学硕一l 学位论文 ( 2 ) 历史趋势图：显示某一测点的某个特征值在一段历史时间内的变化趋势， 如图1 5 所示。 e c l 3 0 1 一埘( 振动幅值历史趋势圉) 山l 嘟簪；2 y o ”r f “j - 5 - ? 72 m 2 5 0 s f ：1 4m ? 2 窖嚣1【差量：磺鲥螂埔oh j 交一b “唧”q 卸p 扣矗”勺。r 印， 一一赫，州，一y鬻。一”1 r 。一- 一? 7 一y 。竹一一7 1 露1 0 b 面面击曲曲d 一努1 2 晰1 8 郐0 9 一d 循2 l2 f 1 0 0 - 仿。篁o 2 32 9 惦一“2 晰为 e c l 3 0 1 一埘( 转速时问历史趋势圉) 。罂叠望熬；器辫：罢雾盔譬：篇篇1 啪：槲蚴饽：t m , n 箍：y - _ 卜一 ：盈蒜! 。盅缌盅期。盎啦墨勰。身要。器0 避； a 订努1 e c l 3 0 1 一i h ( 渡形囝：2 0 0 9 0 5 - 2 20 2 ：3 0 ：5 7 ) 【辅辫符：0 点o u l ，【- 】i ，i 存：0 矗l i hj蛆：吐-l s ； ： a ，、 ，、 ，、a a ，、 一 妻一yv 誓vy _ y 一，vy jv ：i ：v v v 、v ，vvvvv 一0面i 白豳嘲咖自咖 咖t 抽曲 a 面 嘲l 描” e c l 3 0 i - i h ( 频谱宙：2 0 0 9 - 0 5 - 2 20 2 ：3 0 ：5 7 ) 【辅* 确i ：1i i to - 】 一【一儿主并 抒：i哺l ，om】馑量：啊l，o i l 4 i 。一： ? + 嚣。l 一 一 一 图1 - 5 振动历史趋势图 f i g 1 - 5h i s t o r i c a lt r e n dg r a p ho f v i b r a t i o n ( 3 ) 轴心轨迹图：如果某一个轴承位置在径向安装了两个相互垂直的位移传感 器，就能监测该点处轴心的运动轨迹，如图1 - 6 所示。两组波形是一个轴承位置 的两个测点测得的波形，合成之后生成左下角的轴心轨迹。 e i i i l i t 褂湖 【- 】躲望耱j 缓：怒 【蛆：咕- 】 - 坦 i 0 | f 1 | ： ： 二 1 ： 。 一 。； 0 lllf 、i jif il l 、f 、ji ，ij 、j 、i 、 jl f 、j1j v v vvv vvvvvvv 一vv ? vvvvv ，vvw 。1 2 ji 。 - 塘 曲i 缸2 i o咖咖咖面墙伽幽 嘲 嘲i 者。 e i i l y ( 彝棚i ， 【- 1 粥警瓣! 绩：；：- i m e ：吐h l 幢 一 11 “n 什1kln f 弋1 ” ，、nnf 、_ n i 一1 o -vvvvyv ! j ：v v j 。vvvvyvv ：y vvvvv 1 一 一1 2 “o面i 2 扣3 抽 啦粤睁 咖咖嘲幽 嘲i 。节1 ， e i i l - i l j 啊心姓田 。目r l l 一1 1 i 】，期i 心位i 曩， 【- 1 i i h 1 ；嚣篆i ：= ：；：2 呲：- - j 。c 一， 器襄e ：粥g= ：裟器：j 呲：。- 】 1 6 2 - t 0 0 0 0参 9 o 啪 一l o | = ；i 图l _ 6 轴心轨迹图 f i g 1 - 6s h a f tc e n t e r l i n eo r b i tg r a p h ( 4 ) - - - 维瀑布图：信号各个时刻的频谱显示在一张三维图上，能够很直观的观 察频谱的变化趋势，如图1 7 所示。图中的三个坐标分别为频率、幅值、时间。 第绪论 鬃美鋈! - 。， 圉i 7j 维瀑布图 f i g 1 - 73 - d w a t e r f a l l g r a p h ( 5 ) 启停车图：机组启停车过程是状态监测系统重点关注的过程，需要从多种 图谱上反映，包括波的图( 幅值一转速图和相位一转速图) 、极坐标图( 幅值和相 位用极串标表示) 、转速一时间图、缴联图等，实际上是一组相互关联的图谱，如 图1 3 所示。 母。卜筵搴， 甄匿 如图i - 9 所示。 d s e 2 0 1 ( 实时p - v 国) d s e 2 0 1 ( 实时p - t 囝) j + ? ! ? ：j ? 逭毒| ：一：兰：二 ；厂、；一一 ；“； 一 图1 - 9 示功图 ( a ) p v 图( b ) p - a 图( c ) p - t 图 f i g 1 - 9e r g o g r a m ( a ) p - vg r a p h ( b ) p - ag r a p h ( c ) p tg r a p h ( 2 ) 活塞杆位置图：用于监测活塞杆的下沉量和偏摆量，包括趋势图、波形图 和频谱图，如图1 1 0 所示。 。 c 3 4 0 2 bl 缸杆沉降量y ( 沉降量历史趋势) ： 铷掣瓣耋：缀缫；踟：翟0 ：1 7 ：0 嚣7 ，1 8 5 2 潞。嗟i o r - 。帅黼半3 9 7 0 0 9 1 3 ：5 8 ：t 4 5 3 9 蛔： 一【- 1 【汽踏曩罐l 摆量芏辫抒： 一5 2 5z 7 ， 3 3 1c 差量：1 3 时1 分2 0 秒， 9 一： 穗垮杀鼍摹黉撇“簿二誉叁举：嘉萄撇呻烨孽“笔 j，。一。 墨 笛 叭：o b 。：商：l o ：去：1 i ：孟： 1 8 ：面：丝：面：1 1 l 肾1 卸o 铲a 陷 2 0 0 9 0 5 - 2 5 c 3 4 0 2 b1 缸杆沉降量y ( 历史渡彤图) ! 【一】f 2 0 0 9 一晒-疆：t 芏游标：d 点，3 7 6 - 】6 6 。睫量：嗔- o - 】 嚏量：喳o 】： w i ：! ! 。 l o o - 一； ；一。 ；一一i 一一 v 、 厂一一： 飞。厂j ，。 - 1 0 0 一。面8 6 01 2 b 0 1 6 b 0痢2 4 b 0痢痂豳 磷 c 3 4 0 2 b1 缸杆沉降量y ( 历史颓谱图) 2 0 0 旮- o s - 2 51 3 诵2 7 蓑游标：0 1 z ，d 聃】 h - 】臼蹦卜0 5 2 51 3 2 7 羞游掾：0 1 z o 鼬】【差量：呱z d _ 】 l 1 2 0 4 0 l 一0- d o8 6 01 2 b ol 如 2 面d 2 4 0 。0 豳 3 2 0 o蜘 稍： 图1 1 0 活塞杆位置图 l o 第一章绪论 f i g 1 1 0r o dp o s i t i o ng r a p h ( 3 ) 振动监测图：用于监测十字头或曲轴箱的振动，通常是加速度或速度信号， 包括趋势图、波形图、频谱图，如图1 1 1 所示。 图1 1 l 振动图谱 f i g 1 11v i b r a t i o ng r a p h ( 4 ) 缓变量趋势图：主要用于监测气阀温度的历史趋势，如图1 1 2 所示。 c 3 4 0 2 b 温度( 历史其它参数趋势图) ：l 豇外嚷温厦辅游标：2 0 0 9 一铲1 90 ：3 2 ：5 9 2 91 9 x 】1 缸翅= 夏温蕴王糖标：2 0 0 铲s 1 90 ：3 2 ：5 9 2 9 i 口隘量 。一勰蓊。；黜：b _ 、q 菠旋髫譬妇譬癣 o ! ：、。1一j ：j 。事n 麓矽蚶q ，、一 - ，- - 、一 。一? 1 - - ， z u o b - l 舟l y 习剐m - i 舟；z t t 2 m - b = 盹1 墨 肘u ；2 胡且憎- 1 旷j 口z o o i t - t r ，- z 4 盈i 憎1 舟 石z 嘎h 暖嘲 图1 1 2 温度趋势图 f i g 1 - 1 2t e m p e r a t u r et r e n dg r a p h ( 5 ) 多参数图：把往复式压缩机的几个跟周期有关的主要物理量，如振动、活 塞杆位置、动态压力等的信号取一个周期的点，放在一张图内比较，更便于分析 机组的运行状态，如图1 - 4 所示。 北京化t 学硕j 二学位论丘 d s e z d i ( 宴时多参缸分析 图l 1 3 多参数分析图谱 f i gl - 1 3m u l t i - p a n a l v s j sg r a p h 1 3 本文研究的主要内容 正如1 1 2 节所提到的，本文研究的重点是数据采集软件的详细设计与实现。 整个数据采集层的任务是采集机组运行数据，做预处理，发送给上层( 应用服务 层) 系统。数据采集软件属于数据采集系统的一部分，它的任务是操纵数据采集 卡硬件完成采集，对数据做预处理，然后发送给上层系统嘲。 本文展示了数据采集软件的完整研发过程中，重点研究了四个关键课题：( 1 ) 软件的整体架构；( 2 ) 数据处理模块的设计：( 3 ) 启停车判断逻辑；( 4 ) 快变报警判 断逻辑。另外，本文在结论部分对软件的优化提出了方案和要求。 本课题来源于8 6 3 计划项目“石化大型透平压缩机组实时监铡诊断系统研发 与工程应用”，课题编号2 0 0 7 a a 0 4 2 4 3 3 。 第= 章数据采集层系统功能和架构设计 第二章数据采集层系统功畿和架构设计 根据信号的流向，大型机组网络化实时监测系统的数据采集层可分为传感器 系统、调理系统和数据采集系统。其中，传感器系统和调理系统全部由硬件组成， 数据采集系统包括硬件部分和软件部分，硬件驱动是两部分之日j 的接口。数据采 集层的系统模型如图2 1 所示i ”。 图2 - 1 数据采集层系统模型 f i g2 - 1s y s t e m m o d e lo f t h e d a ql a y e r 21 数据采集硬件概述 数据采集硬件包括传感器系统、调理系统和数据采集系统中的数据采集卡。 传感器感应物理现象并生成数据采集系统可钡4 量的电信呼。例如，热电偶可 以把温度转变为模数转换器( a j l a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 可测量的模拟 信号；应力计、流速传感器、压力传感器，它们可以相应地测量应力、流速和压 力，等等。在所有这些情况下，传感器可以输出与它们所测量的物理量成一定比 例关系的电信号。 为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过调理系 统的处理。为了更精确地测量信号，信号调理系统能放太低电压信号，并对信号 进行隔离、滤波和线性化。此外，某些传感器需要电源激励。这些都是调理系统 需要提供的功能【6 】。 数据采集卡在软件的驱动下从待测设各自动采集电信号，把数据送入软件系 统做进一步处理。本系统使用的的数据采集卡是n ip c i 一6 2 2 0 采集卡。这是一款 多功能数据采集卡，共1 6 路模拟输入通道，采样率2 5 0 k s s ，分辨率1 6 位，板 卡存储量4 0 9 5 点，可数字触发，驱动软件为n i d a q m x 7 1 。 22 数据采集软件的开发方法 北京化- t 大学硕。f ：学位论文 n i 公司除了生产数据采集硬件，还有他们标志性的软件产品l a b v i e w 一一 款图形化虚拟仪器丌发工具。使用l a b v i e w 可以快速搭建数据采集平台，但是， 如果数据采集软件的需求较复杂，涉及的功能模块很多，l a b v i e w 程序就显得 臃肿不堪，难以维护。大型机组实时状态监测系统的数据采集层正是需要具备很 多功能的复杂系统，不适合用l a b v i e w 来丌发。 n i 公司一般会为其硬件提供基于c 和基于l a b v i e w 的两种驱动库。使用c 或c + + 针对n l 驱动库编写较复杂的数据采集软件是一种更常用的方法。n i 还针 对m i c r o s o f tv i s u a lc + + 编程坏境丌发了m e a s u r e m e n ts t u d i o 工具包，提供了数据 分析的类库和控件，方便v i s u a lc + + 开发人员丌发完整、美观的数据采集软件瞵j 。 2 0 0 4 年，n i 公司在推出d a q m x 采集机制的同时，也为m e a s u r e m e n ts t u d i o 8 0 以上版本提供了封装了d a q m x 所有操作的类库，可以使v i s u a lc h 和n e t 开发人员更高效的开发数据采集软件【7 】。 本文讨论的数据采集软件开发过程正是基于v i s u a lc + + 2 0 0 3 开发环境、 m e a s u r e m e n ts t u d i o 工具包和n i d a q m x 驱动库的。这些工具封装了诸多底层实 现方法，使得作者可以把更多的精力集中在软件架构设计和逻辑、算法层面的开 发上，大大提高了研发效率。 2 3 数据采集软件的面向对象架构 面向对象思想是用真实世界的概念模型来思考问题的一种方法，其基本元素 是对象。一个对象包含数据( 变量) 和行为( 函数) 。软件开发中的面向对象指 的是把软件组织成一系列离散的、合并了数据和行为的对象。整个软件体现出的 功能就是通过一个个对象的协作来实现的瞵j 。 面向对象技术是现代软件开发工作中最普遍使用的建模和设计思想。把软件 分解成一个个协作的对象，也就是将一个复杂而庞大的问题层层简化的过程。对 象的抽象概念是类，类的概念使得软件模块具有更好的可复用性。 2 3 1 面向对象设计 数据采集层软件的工作过程流程图如图2 2 所示。 1 4 第二章数据采集层系统功能和架构设计 程序启动 毒 读取配置信息 r r1r 数据采集敦据处理数据发送 毒 il 采集任务tr i 采集任务z 1 一公共数据 1区 图2 2 数据采集软件过程流程图 f i g 2 - 2f l o w c h a r to fd a qs o f t w a r e p r o c e s s 在软件的主程序下，数据采集、数据处理、数据发送功能分三个线程并行执 行，通过公共数据区和w i n d o w s 事件机制进行同步。为了保持多采集任务并行 执行，数据采集线程必须能够为每个采集任务分配一个子线程，各采集任务之间 通过w i n d o w s 事件机制进行同步 9 1 。 从软件功能需求来看，数据采集层软件功能模块清晰，很适合用面向对象技 术将软件功能进行合理的分解，将相似的功能模块抽象为类，每个类都具有强内 聚、松耦合的特性，最终使整个软件易于维护，易于扩展，易于复用。 数据采集软件架构的对象图如图2 3 所示。 图2 3 数据采集软件对象图 f i g 2 - 3t h eo b j e c td i a g r a mo ft h ed a qs o f t - w a r e 1 5 北京化t 大学硕l ：学位论文 设备类c h a n t 的对象p l a n t 存放设备信息和设备数据，它是一个公用数据区， 是整个软件的核心对象。其它的对象各有分工，但都要和p l a n t 进行数据交互： t 1 1 e a p p 是主程序类的对象，控制着整个应用程序进程，它在程序初始化的时候 从硬盘上读取设备信息，初始化p l a n t ；p c o l l e c t o r 是数据收集类c d a t a c o l l e c t o r 的对象，专门负责收集原始数据；p p r o c e s s o r 是数据处理类c d a t a p r o c e s s o r 的对 象，专门负责对原始数据做预处理；p s u d j u d g e 和p f a j u d g e 分别负责启停车和 快变报警的判定和数据处理，也可以算作一种预处理；p c o m m 是数据通信类 c d a t a c o m m u n i c a t o r 的对象，专门负责向应用服务层实时发送各类数据。除此之 外，还有程序窗口对象，负责显示数据。这些对象各自独立完成自己的工作，互 不干扰，只通过p l a n t 对象交互。这样，如果某一个功能模块需要变更，只需维 护负责该功能的类就可以，不用考虑其他类的行为。 软件工作的时序是这样的：主进程启动时先初始化t h e a p p 对象，t h e a p p 对 象初始化p l a n t 对象和窗口界面，其余负责数据操作的对象在各自的线程中并行 执行自己的工作，它们之间通过w i n d o w s 事件进行同步。p l a n t 对象作为共享数 据，必须采用锁机制来控制数据的访问。 2 3 2 数据收集模块 数据收集模块负责收集原始数据，供其他模块做进一步处理，主要提供两个 子功能：数据采集和数据模拟。数据采集依赖于实际的硬件，软件通过操纵硬件 获取数据；数据模拟是软件自身仿真一组信号数据，不依赖于实际硬件，既可以 由程序自动生成数据，也可以从外部文件读取数据。 数据收集模块可设计为一个抽象基类，它下面的每一个子功能模块都作为一 个单独的类继承于这个抽象基类。类图如图2 4 所示。 1 6 第二章数据采集层系统功能和架构设计 图2 4 数据收集模块类图 f i g