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造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 摘要 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，机械设备不断地朝着大型 化、高速化、自动化、复杂化方向发展，设备的状态与监测也显得尤为重要。 由于设备的振动是难免的，设备的振动信号又包含大量的故障信息，所以本论 文以l a b e w 语言为平台，设计开发了造纸机轴承状态监测与故障诊断系统。 该系统主要包括硬件的安装、调试和软件的开发两大部分。 该系统包括数据采集与存储模块、状态监测与实时显示模块、信号时域分 析模块、信号频域分析模块和特征频率计算模块。 系统的信号测试、采集与存储模块是在加速度传感器和p c - , - 8 1 8 l 数据采集 卡硬件的支持下，通过应用l a b v i e w 编程实现的。本模块采集设备的振动信号， 并将信号以文件的形式存储，为后续的信号分析提供数据基础。 状态监测与实时显示模块用来判断设备的“健康”状况。该模块对数据采 集与存储模块所采集的实时振动信号波形的幅值进行越限监测，据此判断设各 振动是否过大，设备是否存在故障。 由于数据采集与存储模块所采集到的数据包含许多“杂质”，一些能反映设 备故障特征的有用信号往往被这些“杂质”所淹没。本系统设计了时域分析模 块，对原始信号进行“除杂”，把干扰信号滤掉，保留有用成分，以突显设备故 障信号的特征。系统提供了六种滤波器和四种滤波方式，可以根据滤波器的特 点和数据的处理要求有选择地使用。 为进一步搞清楚设备的故障部位、故障严重程度，本系统设计了频域分析 模块，对数据从频域进行特征提取。该模块提供了基于离散傅立叶变换( d f t ) 的功率谱分析、共振解调分析( i f d ) 以及基于小波变换( w t ) 的小波分析。 小波分析的实现是通过在l a b w 平台下调用m a t l a b 程序来实现的。这种方 法充分结合了两种语言的优点，互相补充。 本系统还设计了特征频率计算模块，为设备状态的识别提供依据。 为验证系统是否能达到设备诊断的要求，使用了仿真信号分别对时域分析 模块、频域分析模块的功能进行了验证，结果表明，该系统可以从时域和频域 两方面对信号进行分析，准确提取仿真信号的特征，初步表明该系统具有一定 的故障诊断能力。 为了进一步验证系统的实用性，运用本系统对模拟转子轴承进行状态监测 与故障诊断。通过运用本系统对模拟转子有故障轴承进行了实际运行状态的监 测与故障诊断，结果显示该系统可以检测出轴承的故障部位进一步说明了运用 该系统进行滚动轴承状态监测与故障诊断的可行性，验证了系统的性能，实现 了对旋转轴承状态监澳i 与故障诊断的目的。 关链词虚拟仪器，l a b v i e w ，状态监测，故障诊断，m 枷。a b ，滚动轴承 s t u d y a n dd e v e l o p m e n to f r t u a i i n s t r u m e n tb a s e dm o n i t o r i n g a n d e a u i j r d i g n o s i ss y s - i e mf o ra n t i f r i c t i o n b e a r i n go fe 舢p e rm 喳删gm 【a c m n e w i t ht h ed c v e l o p m e n to ft h em o d e r n i z e dp r o d u c t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ep m g r e 鹞o ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n ti sh e a d i n gf o r l a r g e r , m o l e ：s p e e d u p , m 眦r o b o t i c i z o da n ds o p h i s t i c a t e d t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i so ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n ti sb e c o m i n ge s p e c i a l l yi m p o r t a n t i t i su n a v o i d a b l et h a tm a c h i n e sv i b r n t e b e c a n s el a r g es u mo ff a u l ts i g n a lo ft h e m e c h a n i c a le q u i p m e n ti sc o n t a i n c di nv i b r a t es i g n a l s s oak i n d o fc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nl a b v i e wi sd e s i g n e da n d d e v e l o p p e d t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st w op a r t s - s o f t w a r ed e s i g n i n g , h a r d w a r e i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g t h es 3 ，s t e mi n c l u d ef i v em o d u l e s ：d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g em o d u l e ， c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i s p l a ym o d u l e ，d a t aa n a l y z em o d u l ea n df c a m r e f r e q u e n c yc a l c u l a t i n gm o d u l e t h er e a l i z a t i o no ft h ed a t aa c q u i r i n ga n ds t o r a g em o d u l ei sb a s e do nt h e h a r d w a r eo fa c c e l e r a t i o n 仃a n s d u c e r , t h ep c i 8 1 8 ld a qa n dt h ep r o g r a mw r i t t e n i nl a b v i e w t h i sm o d u l ec a na c q u i r et h ev i b r a t es i g n a la n ds t o r et h es i g n a li nt e x t a n ds u p p l yd a t af o rt h es i g n a la n a l y z em o d l l l e c o n d i t i o nm o n i t o r i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt om a k es i m p l ed i a g n o s i so ft h e h e a l t hc o n d i t i o no ft h ee q u i p m e n t t h i sr o o d u l ec a np r o c e e 甜l i m l i t et e s t i n go ft h et h e p e a kv a l u eo ft h ev i b r i a t i o ns i g n a l 。a n dh e n c em a k eac o n c l u s i o no fw h e t h e rt h e m a c h i n ei si ng o o dc o n d i t i o n b e c a u s et h eo r i g i n a ls i g n a la c q u i r e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e m o d u l ei sc o n t a m i n a t e db yt h e “i m p u r i t y ”，s o m ev a l u a b l es i g n a l sw h i c hc a l l i n d i c a t ef a i l u r em e s s a g eo ft h em a c h m ea r eo f t e ns u b m e r g e db yh e a v y “i m p u r i t y ” t h et i m ed o m a i ns i g n a la n a l y z i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt oi m p u r i t yt h eo r i g i n a l m s i g n a l s ，m a k i n gt l i ev a l u a b l es i g n a lp a s sa n ds t o pt h e d i s m r b i n gs i g n a l s t h ea i mo f d o i n gt h i si st oh i g h l i g h tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a l s t h i ss y s t e mo f f e r s s i x k i n d s o ff i l t e ra n d 姗k i n d so ff i t t e rm o d e w ec a nc h o o s et h ef i g h tf i t t e ra c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c ho ft h ef i l t e r sa n dt h er e q u i r e m e n to f s i g n a lp r o c e s s i n g i no r d e rt om a k ec l e a ro ft h el o c a t i o na n dd e g r e eo ft h ef a i l u r e ，f r e q u e n c y d o m a i ns i g n a la n a l y z i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt oe x t r a c t , t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s i g n a l s t h i sm o d u l eo f f e r sp o w e rs p e c t r u ma n a l y z e sa n di f d tb a s e do nt h ed f t , a n dw a v e l e ta n 由z eb a s e d + o nw a v e l e tt r a n s f o r m t h ew 删酣柚砷y i sr e a l i z e d t h r o u g h c a n i n g m a t l a b _ ：p r o g r a mo n t h el a b v i e v 黔p l a t f o r m , t h i sm e t h o d c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f t h el a n g u a g ea n dm a k et h el a n g u a g e , s s u p p l e m e n tr t o e a c ho t h e r c h a r a c t e r i s t i c s i g n a lc a l c u l a t i n g m o d u l ei s d e s i g n e d t oc a l c u l a t e ：t h e c h a r a c t e r i s t i c l f i r e q u e n c yo nw h i c ht h ec o n c l u s i o no f t h ed i a g n o s i s t i & _ m a d e i no r d e rt op r o v et h a tt h es y s t e mc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n t a r t i f i c i a ls i g n a li s ：u s e dt ob e 、a n a l y z e d ab yt h et i m ed u m a i 拂a n a l y z i n gm o d u l ea n dt h ef r e q u e n c y d o m a i na n a t y z i n gm o d u l e t h e 托鳓h - s h o w st h a tt h i ss y s t e m , c a w a n a l y z i n gs i ：萨a l ：f r o m 电嗽d o m a i na 叠d f r e q u e n c yd o m a i nr e s p e c t i v e l y , a n d , 啪e x t r a c tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et a r t i f i c i a ls i g n a le x a c t l y i td c m o n s l r a t c d - t h a t t h i ss y s t e mh a s s o m ec a p a c i 哆o fm a k i n g d i a g n o s i s i no r d e rt of u t t h 口h o v e - t h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h es y s t e m , v i b r a t i o ns i g n a l s a c q u i r e df r o mt h em o d e l i n gr o t o ri su s e t ot e s tt h es y s t e m t h er e s u l tf u r t h e rs h o w s t h e f e a s i b i l i t y o f u s i n g t h i ss y s t e m t o m a k e d i a g n o s i s o f a n t i f r i c t i o n b e a r i n g r k e yw o r d s v i r t u a li n s t u m e n t ，l a b v i e w , 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 ， i m a t l a b , a n t i f r i c t i o nb e a r i n g i v 造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 1 引言 1 1 机械设备故障诊断的必要性 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，自动化程度也越来越高。由于许许多多无法避免的因素的影响，有时设备会出 现各种故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的以至灾难性的事故，国内 外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄漏等恶性事故，造成了惨 痛的人员伤亡，产生了严重的社会影响；即使是经济生产中的事故，也因生产过程不能 正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。 美国三里岛核电站和前苏联切尔诺贝利核反应堆的泄漏曾引起对核电站安全性的争 议，对核能的发展产生了影响；美国挑战者号航天飞机失事使美国航天事业的发展一度 陷于停顿，都是对整整一个产业的打击还有其它许多事故也是严重的，如1 9 7 2 年日本 关西电力公司南海电厂3 号机组和0 m w 汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁机事 件；1 9 8 4 年印度博帕尔市农药厂毒气泄漏事故造成了上千人死亡，2 0 万人受伤嘲；又 如，英国c e g b 下属的6 0 万千瓦和5 5 千瓦的发电厂每年因机械设备故障引起停车厩造 成的经济损失就高达1 0 0 万元，一台2 0 万千瓦发电机组停机一天就损失5 0 0 万度电，j 双 直接经济损失就达几十万元伪；1 9 8 5 年我国大同电厂和1 9 8 8 年我国秦岭电厂的2 0 唧如 汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨大的经济损失h 。因此保证设备的黉垒 运行，消除事故，是十分迫切的问题。 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各项技术 指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施；二是设备安 装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。现在，设备监测诊断技术、修复技术和润滑 技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术，成为推进设备管理现代化，保证 设备安全可靠运行的重要手段。 设备故障监测诊断能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或 消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性， 以期把故障损失降低到最低水平；保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修 制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全 寿命周期费用；通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、 合理制造及生产过程提供数据相关信息。 因此随着计算机技术、信息传感技术、信号处理技术、微电子技术以及现代测试技 术等相关学科的迅速发展，机械故障诊断技术己在旋转机械、往复机械、各种流程工业、 机械加工过程和各种基础零部件的故障诊断方面已经获得了广泛的应用。国家相关部门 陕西科技大学硕士学位论文 和生产企业以及科学研究者把耳光都集中在研究开发并推广应用先进的机械设备故障监 测与诊断技术上。 1 2 机械设备故障诊断技术的发展状况 机械设备故障诊断技术是以机械电子学、信息理论为基础，多学科交叉、融合的工 程技术。它是伴随着电子技术、计算机技术、传感器技术、现代控制理论、现代信号处 理技术、人工智能技术、网络通信技术、现代设计理论等的发展而发展的。 故障诊断技术涉及的学科领域概括起来有以下几个方面：( 1 、) 在设备故障机理方面， 涉及到设备动力学及相关数学、力学、物理学和化学等方面的知识；( 2 ) 在信号感知方面， 需要新型传感器与信号拾取技术的支持；( 3 ) 在信号转换分析方面，需要经典信号处理与 现代信号处理技术的支持；( 4 ) 在状态的判别方面，需要辨识与决策技术的支持：( 5 ) 在信 息的传递方面，需要通讯网络技术的支持；( 啦信息的存储、查询与管理方面，需要数 据库管理与人机交互技术的支持；仍在监测与诊断的实时性方面，需要硬件实现技术、 快速诊断与决策策略的支持i s 。 故障诊断技术的目的是保证可靠有效地发挥设备的功能，具体包括四个方面：( 1 ) 保 证设备无故障、安全可靠地运行；( 2 海证设备发挥最大设计能力；( 3 ) 能及时正确地对各 种异常或故障做出诊断，并对必要的干预措施f 包括控制、调整、维修、治理及连续监测 等) 提供指导意见；( 4 ) 通过性能评价，为优化设计、正确制造提供数据和信息。 l 工l 故障诊断技术的发展阶段 a 常规诊断阶段1 6 1 r l l q 常规诊断阶段以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段，主要 研究如何获取征兆信息并进行变换处理和特征分析，借此实现设备的诊断。传感器技术 的飞速发展，使诊断技术可以利用振动、噪声、力、温度、电、磁、光、射线等多种信 息实施诊断，并由此产生了设备诊断的振动诊断技术、噪声诊断技术、声发射诊断技术、 光谱诊断技术、无损检测诊断技术、红外和热成像诊断技术等新型诊断技术。信号分析 与数据处理技术的发展，产生了状态空间分析诊断、对比诊断、函数诊断、逻辑诊断、 统计诊断和模糊诊断等新的诊断算法和方法。但是可以说，检测手段和信号分析、数据 处理方法构成了这一阶段设备诊断技术的主要研究和发展内容，它仍然是一个信号检测 与数据处理系统，但缺乏智能性。 b 智能诊断阶段硎l 嘎l l 心 智能诊断阶段以人工智能( 舢) 技术为支持、以知识为基础，以知识处理为核心的 诊断过程所代替数据处理的诊断。虽然，此时的信号检测与数据处理仍起着十分重要的 作用，甚至占着诊断工作的大部分或绝大部分，然而在诊断过程中起主导作用的是人类 专家的知识( 包括人类专家所拥有的领域知识，求解问题的能力和方法) 。诊断过程从信 2 造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 息检测到特征提取，从状态识别到故障分析，从干预决策到维修计划都实现了知识化， 达到了信号检测、数据处理与知识处理的统一。由于a i 技术本身有很多的分支，所以 在诊断当中又形成了很多的诊断技术。如：基于专家系统的诊断技术、基于人工神经网 络的诊断技术、基于故障树分析的诊断技术、基于实例推理的诊断技术等，其中典型的 是专家系统和神经网络分析。 1 ) 专家系统 专家系统用于故障诊断，不仅包括从信号监测到状态识别，而且还包括从决策形成 到干预的全过程。它不但具有计算机辅助诊断系统的全部功能，还能将管理专家的宝贵 经验和思想方法同当代计算机的巨大存储、运算与分析能力结合起来，形成人工智能的 计算机系统。知识是专家系统的核心，其显式表示使专家系统具有概念明确、长于定性 分析、推理路径清晰、易于用户参于、便于解释等显著优点。存在的问题主要表现在： 缺乏有效的诊断知识表达方式、不确定性推理方法，推理效率低；存在知识获取“瓶颈” 问题、知识“窄台阶”问题，易出现“匹配冲突”、“组合爆炸”及“无穷递归”等问题 学习 能力、自适应能力差；诊断求解过程是一个在超高维空间的搜索过程，对于复杂的诊断 对象，由于搜索空间大、搜索速度慢，使得在线诊断困难、实时性差。 2 ) 神经网络 ” 神经网络将已有数据和已知故障模式作为样本，通过学习得出数据量与故障模式伺 的映射关系，实现了对人类经验思维的模拟。与专家系统相比，基于神经网络的故障诊 断系统具有如下优点：统一的内部知识表示形式，大量知识规则都可通过对范例的学习 存储于一个相对小得多的神经网络的连接权重中，便于知识库的组织与管理，通用性强、 知识容量大；便于实现知识的自动获取，能够自适应环境的变化；推理过程为并行的数 值计算过程，推理速度快；具有联想、记忆、类比等形象思维能力，克服了传统专家系 统中存在的“知识窄台阶”等问题，可以工作于所学习过的知识以外的范围：将知识表示、 存储和推理三者融为了一体。但是由于神经网络只是从已知样本中得到解决闯题的能力， 故仍存在一些局限性，表现为对奇异模式的判断力较差、对结论及其过程缺乏解释能力、 忽视了领域专家的经验知识等。 1 2 2 国内外故障诊断技术的应用与发展 自从美国开展设备诊断技术以来，这方面的研究就从未间断过。上世纪7 0 年代后期， 电子测量技术和频谱分析技术被应用到机械故障诊断领域中。到了8 0 年代中期，以微 型计算机为中心的现代机械故障诊断技术得到了迅速发展，涌现出许多商业化的计算机 辅助监测与故障诊断系统，如美国s a m 盯i f i c a i 缸a n l a 公司的m 6 0 0 0 a a 昏a m m p 系统等i l l 。日本新日铁公司也开发了设备故障诊断技术，相继在很多部门开发和应用这 一技术，并研制了各种各样的监测诊断仪器、仪表，现在冶金、化工和铁道等部门的许 3 陕西科技大学硕士学位论文 多大型设备上实现不停机的诊断应用旧。德国的a l l i n s 技术中心也研究开发了多种无 损检测、状态监控和报警装置的设备i 6 1 。瑞典s p m 仪器公司的轴承监测技术、丹麦的 b & k 公司的振动测试技术及仪器研究、挪威的船舶诊断技术等1 1 7 1 d 8 1 。在这一阶段，由于 传感技术的飞速发展，使得诊断技术可以利用振动、噪声、温度、力、电、磁、光、射 线等多种信号作为信息源，从而发展了振动诊断技术、声发射技术、铁谱诊断技术、光 谱诊断技术、无损检测技术和热成像检测诊断技术等。 国内机械故障诊断研究工作是从7 0 年代末开始的。尽管起步较晚，但近年发展非常 迅速，许多高校和研究机构都开展了故障诊断技术的研究，并取得了不少成果。在理论 方面与方法研究方面取得了很多成果，如基于一类模式的状态识别技术、统计自学习分 类技术、智能诊断技术；在应用研究与系统开发方面，首先是石化系统在红外诊断方面 进行了研究，继而机械行业如一汽、二汽和洛阳轴承厂开发了轴承故障诊断系统与装置 嘲。冶金工业系统的一些钢铁公司应用设备诊断技术对冶金设备进行诊断，如武汉钢铁 公司在有关科研院所的协助下，开展了离心鼓风机和透平压缩机的状态监测和故障诊断， 南京钢铁厂与南京航空航天大学合作开发了轧钢机系列轴承在线故障诊断系统l 冽。平顶 山煤矿集团公司与香港大卫爱迪生公司合资组建的平顶山超普摩擦磨损实验中心，全套 引进美国超普公司工业摩擦磨损润滑监测系统。北京科技大学对矿用汽车故障诊断有较 深的探讨；中国矿业大学开发了k t d 型旋转铁谱仪及计算机磨削图象分析系统。哈尔 滨工业大学研制出。机组振动微机监测和故障诊断系统”；重庆大学开发了c d m s 故障诊 断和模态分析系统；西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系 统”；东南大学研制的“高速离心空气压缩机组多层次状态监澳归鼽牧障诊断”和“磨削状态 在线辩识仪”等：国家矿山机械质量监督中心开发了u 嘲设备诊断系统。这些都是我 国设备诊断工程界的重要成果嗍n i 。 1 2 3 1 机械故障诊断新技术的应用与进展 自上世纪6 0 年代末至今，设备诊断技术得到迅猛发展，新理论、新技术和新方法不 断涌现，且功能日趋完善。国内外对一些常规的设备诊断技术，如振动法、油液法等均 已熟悉掌握，并在此基础上有所发展与提高，就如下5 个方面予以总结和说明。 a 基于新理论新方法的研究 近年来，先后研究了大量的新理论与新方法来丰富故障诊断技术。在信号处理方面， 何正嘉教授经深入研究，较早地运用了小波变换理论，从而能从复杂、非平衡的动态信 号中把某些零件早期故障的微弱信号提取出来圈。在铁谱技术、磨削识别的进展上，杨 志伊教授查阅了5 0 年来的各国成果，提出应用磨削群的思想，从而在大同和开滦煤矿， 建立起两种采煤机的失效判据，确诊率可达9 0 。在红外诊断方面，就是以红外焦平面 阵列凝视热成像为原理的新一代热像仪的出现，它具有高灵敏度、高分辨率、高测量精 度、体积小、重量轻等优点，从而提高了诊断的可靠性和准确性。 4 造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 b 设备故障诊断专家系统的研究与开发 故障诊断专家系统的出现，且e l 趋完善是故障诊断领域最显著的成就之一。因为人 类关于机械故障诊断与维修的科学知识往往落后于专家的实践与经验知识，从而为专家 系统提供了广阔的应用前景。在一定的领域和范围内，诊断专家系统问题的求解能力达 到了人类专家所具有的水平。 c 虚拟仪器技术 仅就振动分析这一应用较广、发展较快的诊断手段而言，即已从幅值谱、功率谱、 倒频谱、细化谱、包络谱、时域分析、相关分析、多变量分析和全息谱技术等，发展到 与非线性原理、多传感器信息及现代智能方法的集成与融合，而且在分析精度和速度上 不断提高。尤其是近几年发展起来的虚拟仪器技术最为突出。虚拟仪器( v m u a l i n s t m m e n t ) 是由计算机资源、接口电路与数据分析、过程通信及图形用户界面软件有机 结合的一种仪器。由于虚拟仪器在组建上的高效性和灵活性，能够适应测试功能的多样 性，以及可用表格、图形快速准确地显示结果，达到一机多用，从而具备了传统仪器难 以比拟的优势。随着对测试技术越来越高的要求，虚拟仪器必将发挥越来越大的作用。 d 智能仪器技术 随着数据采集器的发展，要求仪器具有便携式、傻瓜式、智能式等性能，现已成为 诊断仪器发展的主要方向之一。在p c 机的支持下，自动采集、选择、辨识和i 解释外部 的信息，并能根据其变化确定最佳工作方式，最终可获得令人满意的结果，黝 合适的 监测信号。智能仪器一般由3 个层次的模块构成，即能感知外界信息的感知器：能对信 息快速自动处理的计算机硬件以及能综合信息进行推理、判断、模拟人类智能的软件系 统。 e 基于i n t e r n e t 的远程设备故障诊断网络 远程故障监测与诊断，简而言之就是利用现代化通信技术异地间的监测与诊断行为。 具体地说就是将设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合，利用现代通信技术的国际 互联网络i n t e m e t 、局域网络( 包括有线和无线网络) 、调制解调器等，可以设置虚拟故 障诊断环境，实现设备的远程诊断。在虚拟故障诊断中，某一固定地点的专家或不同地 点的专家可以投入到另一个地点发生的事件或过程中去，通过计算机网络或调制解调器 传输数据，在专家面前的计算机中再现现场设备的运行情况或发生故障的过程，使得专 家可以凭专家经验及调用各种诊断方法进行分析和诊断，给出对策，并通过网络或调制 解调器反馈至现场，指导解决实际问题。 钟秉林等利用i b m p c 兼容机及其外设，开发了初步的桌面虚拟现实系统，对虚拟 现实在旋转机械故障振动诊断中的应用进行了一些探索嘲。在1 9 9 7 年1 月，美国斯坦 福大学和麻省理工学院联合主办首届基于因特网的工业远程诊断研讨会，主要讨论了远 程诊断系统联接开放式体系、诊断信息规程、传输协议以及对用户的合法限制，并对未 陕西科技大学硕士学位论文 来技术发展做了展望。在国内，西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学也进行 了一些工业领域的远程诊断工作，并取得初步成果；华中理工大学于1 9 9 7 年初开始了前 期研究工作，并在因特网上设立了一个远程诊断宣传站点，介绍远程诊断技术，以实验 室的方式向用户提供远程诊断服务；何岭松等研究了可在因特网环境下运行的设备故障 诊断专家系统技术，提出基于w e b 数据库的解决方案。 实现跨地域远程监测与诊断，关键是要实现数据采集、分析方法和诊断知识的实时 传递和网络资源共享，它们是传统诊断技术的核心部分。基i n t e m e t 远程故障诊断作为 一种新型合作方式必将引起理论研究、生产企业以及计算机技术开发等多方关注，随着 i n t e r n e t 开放式体系结构逐步得到人们的认同，这种方式也将成为各种系统开发的必然趋 势。 1 2 4 机械故障诊断技术的发展趋势 故障诊断技术研究和发展的直接动因是为了提高诊断的精度和速度，降低误报率和 漏报率，确定故障发生的准确时间和部位，并估计出故障的大小和趋势，其未来的发展 方向必将是与容错控制、冗余控制、自治控制和余度管理等可靠性系统设计相结合。随 着人工智能技术的迅速发展，特别是知识工程、专家系统、模糊逻辑和神经网络在诊断 领域中的进一步应用，迫使人们对智能诊断问题进行更加深入与系统的研究。从分支学 科的要求来看，无论是在理论体系的构建方面，还是在解决实际问题方面，故障诊断研 究仍有一段艰巨的路程要走。目前和今后的主要研究可归纳为：多传感器数据融合技术； 在线实时故障检测算法；混合智能故障诊断技术；基于因特网的远程协作诊断技术；以 故障监测及分离为核心的容错控制、监控系统和可信性系统研究等。 a 多信息量融合，多层次诊断集成 它集成知识库中的各种诊断知识，结合数据库中的各种故障数据，按照不回的故障 情况进行综合分析、判断，定位故障点。主要对状态监测所得到的信息进行融合，然后 结合层次诊断模型，按照深浅结合的推理层次进行诊断。它进一步把状态监测中的信号 监测处理集成到诊断系统中，进行在线数据处理与在线诊断推理，实现非实时诊断到实 时诊断的转变，也实现信息诊断与智能诊断的统一。 b 多种诊断方法的结合 将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统，是智能故障诊断研究的一个发展 趋势。结合方式主要有基于规则的专家系统与神经网络的结合，实例推理与神经网络的 结合，模糊逻辑、神经网络与专家系统的结合等。其中，模糊逻辑、神经网络与专家系 统结合的诊断模型是最具发展前景的，也是目前人工智能领域的研究热点之一。这方面 的探索刚开始，很多问题需要深入研究。例如，模糊逻辑与神经网络的组合机理、组合 后的实现算法、便于神经网络处理的模糊知识的表达方式等。 6 造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 c 远程协作诊断 基于因特网的设备故障远程协作诊断是将设备诊断技术与计算机网络技术相结合， 用若干台中心计算机作为服务器，在企业的关键设备上建立状态监测点，采集设备状态 数据；在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。 跨地域远程协作诊断的特点是测试数据、分析方法和诊断知识的网络共享，因此必须使 传统诊断技术的核心部分( 即信号采集、信号分析和诊断专家系统) 能够在网络上远程 运行。要实现这一步，应重点研究和解决如下几方面的问题：远程信号采集与分析；实 时监测数据的远程传输：基于w e b 数据库的开放式诊断专家系统设计；通用标准( 包括 测试数据标准、诊断分析方法标准和共享软件设计标准) 。 d 诊断与控制相结合 根据当前设备的健康状况决定设备运行方式或策略，最终预知故障，从而防止故障 的发生，是目前诊断技术的最高目标。它是把诊断系统和控制系统进一步结合，达到集 监测、诊断、控制、管理于一身。它由单机诊断发展到分布式全系统诊断，信息量大， 类型多，相应的也就需要多种数据处理和诊断推理方法的联合。 1 3 制浆造纸设备故障诊断技术的发展现状 鲁 造纸工业是国民经济的重要支柱产业之一。近几年来，我国造纸工业有了很大发展i 2 0 q 5 年我国纸和纸板的产量就已经超过了5 0 0 0 万吨，造纸量仅次于美国居世界第二位 p q 。 由于制浆造纸行业是一个具有技术密集、生产流程长、连续化作业程度高等特点的 行业，随着造纸设备自动化程度和设备复杂程度不断的提高，对生产线中的每一台设备 的安全性和可靠性也提出了较高的要求嘲。 我国造纸企业的数量最多时达到1 万多家，其中中小型规模的企业占大多数，这些 企业往往生产设备落后，缺乏设备维护人员，大量生产设备的老化要求加强安全监测和 故障诊断闭。许多老设备、老机组，服役已接近其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率 增多，有的甚至超期服役，全部更新经济负担很重，但由于设备故障率增加和因设备故 障停工而造成的损失却成十倍，甚至成百倍地增长，维修费用也大幅度增加。 在我国现有的制浆造纸生产企业中，设备状态监测和故障诊断技术十分落后和匮乏， 仅有少数的几家大型企业在近几年才开始起用半自动化的设备故障监测诊断技术唧。 因此，研究用于制浆造纸行业设备状态监测与故障诊断的技术和监测诊断系统十分 必要，实现对制浆造纸设备进行在线状态监测与故障诊断的问题亟待解决。 滚动轴承是造纸设备中最重要的零件之一。造纸机的旋转部件比较多，如在造纸机 的网部有案辊、伏辊，在压榨部有各种压榨辊，在造纸机的烘干部有烘缸、烘毯缸、冷 缸等，这些旋转部件都要用到滚动轴承。 7 陕西科技大学硕士学位论文 滚动轴承的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能，如精度、可靠性、 寿命等。如果轴承发生故障或存在缺陷，则会导致设备的剧烈振动和产生强大刺耳的噪 音，严重时会引起设备的损坏、生产的停止、甚至严重的机械事故。据统计，旋转机械 中发生的故障有7 是由滚动轴承故障而引发i 搠。在球轴承中，故障9 0 发生在内环与外 环上，其它故障则基本上发生在滚动体上嘲。 若在纸机运行过程中能对轴承运行状态进行实时检测、诊断，就能够有效减少计划 外停机，降低经济损失，避免严重事故的发生。对作为造纸设备最重要部件之一的轴承 进行状态监测和诊断具有重要的实际意义，这也是机械故障诊断领域的重点。 1 3 1 纸机故障诊断技术的应用和发展阶段 造纸机械状态监测与故障诊断技术系统有以下几种方式和发展阶段： a 人工离线监测与诊断方式 有经验盼设备维护人员或工程技术人员利用常规监测仪表或者较复杂的分析仪器对 设备进行人工巡检，根据自己的经验对设备状态及发展趋势等做出判断。这种监测方式 只能对设备作一些简易的诊断。 击单机集中式在线监测与诊断系统 这种形式的监测系统主要由一台计算机来完成数据的采集、信号处理、特征提取和 故障识别。这类系统集主要功能于一体，维护方便且投资较少，主要用于重要的主体设 备。由于采用单台微机，系统所能监测的测点数目有限，巡检周期长，系统的功能受到 诸多限制。 c 分布式在线监测与诊断系统 这类系统综合了单机系统的优点，采用多台微机通过传统的计算机通信手段( 如 r s 2 3 2 ) 形成一个完整的诊断网络。下位机主要用于数据采集和信号预处理，上位机负 责信号的精密分析和数据管理，上、下位机各司其职，提高了系统功能。采用分布式技 术系统相对复杂，技术难度大，且投资较高。 d 远程分布式在线监测与诊断系统 这类系统采用i n t e r a c t 和i n t e m e t 技术，实现异地远程诊断，充分利用更多的技术支 持和数据共享，大大地提高了系统诊断的准确率。基于i n t e r a c t 的设备故障远程诊断是 造纸设备监测诊断技术的发展趋势。 1 3 2 国外纸机故障诊断技术的研究和应用状况嗍3 1 j l n h 站1 造纸工业的装备特别是造纸机的特征决定了状态监测与故障诊断技术系统具有重大 价值。应用该技术的主要实用价值为： a 预防事故，保障人身、设备等财产的安全 通过有效预知，可避免设备突发故障而造成的设备损坏、废品生成、人员伤亡等重 8 造纸机轴承状态监测与故障诊断虚拟仪器系统的研究与开发 大损失。据最新报道：加拿大某造纸厂在机械设备管理中采用诊断技术后，仅在一年半 的时间内，就降低损失8 1 净收益5 0 0 万美元。瑞典一家造纸厂为4 台双轮盘匀浆机安 装了3 3 0 0 监测系统，用于检测盘片的碰磨。最近，两轮盘之间的冷水泄漏到其中一个轮 盘后面的转子上，导致转子弯曲。3 3 0 0 系统在匀浆机的驱动端( 电机驱动) 检测到高振 动，并立即停机。通过检查，找到了根本原因( 泄漏) ，并推测出发生弯曲的轴，在1 h 内又恢复到生产状态。如果没有安装这套监测系统，会发生比矫正轴弯曲更严重的故障， 所有纸浆生产将至少暂停1 6 h ，致使无法为2 台造纸机供应原料。仅从纸浆损失考虑， 监测系统在安装不到4 个星期内便得到了1 5 6 的回报。基于这样的成效，用户决定将 为另外2 台匀浆机安装同样的监测系统。 b 显著提高经济效益 预见性维护可有效经济合理地计划和组织维修，有效减少停机时间、减少维修费用 和提高维修质量；可避免那些降低装备寿命的状态( 如确保运行中精度的调整、减少润 滑污染等) ，使设备部件的寿命最长；可优化装各的运行性能状况，从而提高生产效率； 减少因设备部件动态瞬间快速波动引起的产品质量变化。 c 推动设备维修制度的改革 应用该技术可使现代化设备从事后维修、定期维修真正走向科学、经济和安全有效 的、基于状态监测的“视性维修”即“状态维修”或“预知维修”，并为现代造纸工业降 低生产成本提供重要途径，可使现代设备管理宏观方法、现代信息通讯技术手段同设备 运行变化内在本质直接有效地结合起来。 d 建立装备在线长期连续运行参数档案，为制造设计和改造设计提供有力依据 目前，国外绝大多数发达国家的造纸生产线都配套使用了在线和离线相结合的监测 与故障智能监测系统。 1 3 3 国内纸机故障诊断技术的研究及应用现状削 过去，我国造纸工业装备技术水平差、规模小、自动化水平低，没有采用监测与诊 断系统。目前只有少数造纸企业初步涉足，如佳木斯纸业集团公司等采用离线点检；广 州造纸有限公司采用1 台数据采集仪，对局部进行监测分析和对一些旋转件作动平衡校 验。采用这些技术取得了一定效果，但与真正意义的在线监测与诊断技术差距较大。 国内一些外资造纸企业配套了较完整的监测诊断系统。如镇江金东纸业为1 9 9 7 年 安装的2 条年产3 5 万t 高级文化纸机生产线配套安装了美国a b b 在线智能诊断系统s d s 和c s a 公司的离线m a 。通过在现场安装各类传感器( 整机有1 0 0 0 多个侦测点传感器) ， 拾取现场设备运行的工况参数( 如振动状况、速度指示、程序触发条件等) ，经处理接口 单元( p u ，s i u ，t i u ) 对各类数据进行变换处理，最终通过串行口r s 4 8 5 总线送入计 算机分析程序。这套在线系统相当于分布式在线监测与诊断系统，总投资8 0 万美元；离 9 陕西科技大学硕士学位论文 线m a 部分投资1 0 余万美元。金东纸业为此专门成立了零故障组，以便除预知和有计 划的维修外，确保2 4 h 无故障连续运行。 1 3 4 国内造纸行业故障诊断技术落后的原因 幻资金缺乏，国内造纸业有一批装备较先进、生产规模较大的生产线，即具备了 安装在线监测系统的条件，但很多企业表示缺乏足够的安装资金： m 认识不足、设备管理观念陈旧有相当一部分企业或是对此技术不清楚，或是只 看重显形产量、质量、消耗，认为没必要使用这种技术，未认识这种隐形的较大投资回 报及现代设备管理： c l = 人才缺少，该技术本身涉及知识面广，企业缺乏这面的人才： d ) 一在造纸业的应用研究甚少，国内造纸专业高等院校、科研院所、造纸及造纸机械 制造企业对该技术在行业内应用研究甚少，缺乏适合造纸各类机器鲍监测部位与参数类 型的确