基于巡检计划的便携式设备状态监测和诊断系统关键技术的研究.doc

基于巡检计划的便携式设备状态监测和诊断系统关键技术的研究 重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要在厂矿企业中?生产过程复杂?生产设备繁多。 为了经常监视设备的运行情况?及时发现设备事故隐患?保障设备的正常运行?通常要求巡检人员对重要生产设备进行定时或不定时巡检?并对设备的运行状况、运行参数进行记录存档?作为将来设备检修的依据。 35便携式设备状态监测与诊断系统是应用于设备或生产工艺巡检作业的一套信息采集与管理系统。 它以计算机为控制核心?高性能的硬件设备为基础?配置具有高安全性、可靠性?具有简单操作界面的软件?通过系统集成?完成巡检设备的控制、数据采集和信息传输。 本文分析了在线监测与离线监测的优缺点?介绍了当前巡检系统的现状?讨论了计算机辅助信号测试与分析系统的一般构成以及大型旋转机械的振动信号的常用分析方法?提出了基于巡检计划的便携式设备状态监测与诊断系统的结构。 系统的软件具有如下六大功能模块?设备信息树模块、巡检计划模块、数据采集模块、数据分析模块、通信模块、报表和查询模块。 本文建立了一种新型的数据管理模式?设备信息树模式?管理了从企业-工厂-车间-设备-测点-测量定义一系列的相关数据信息?实现了设备运行档案的电子化?有利于企业推广现代化管理。 该系统采用了SQLServer数据库技术?对系统信息、设备信息、采样数据进行了有效管理?针对各种不同的采集方式采用了统一的数据格式?充分利用了关系数据库的约束机制?达到了数据的一致性和完整性。 在软件设计方面?系统结合了Windows操作系统的多线程与多视图技术?实现了各功能模块并行处理模式?这种模式的运用既保障了系统数据采集的实时性?又可以现场进行各种分析?包括精密分析?充分利用、发挥了Windows操作系统的优势?具有良好的界面友好性。 本文在数据采集方式和数据管理上有一定创新?为今后开发类似的系统打下了基础。 关键词?便携式系统?状态监测?巡检计划?数据库重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTIn theindustrial plants,the productionprocess isplicated?the productionequipmentsare various.In orderto monitorthe runningsituation of the equipment,findthe aidentpotential of the equipmentin time?guarantee normalrunning of equipments,it isnecessary forpatrolmen toexamine orpatrol importantequipments timinglyoruntimingly?and recordand archiveoperation conditionand operationparameters ofequipmentsas thebasis ofoverhaul equipmentsin thefuture.Portable conditionmonitoring and faults diagnosis system isan informationcollectionand managementsystem whichis appliedfor workofequipmentsorproduction technologypatrol.It canplete thecontrol ofpatrolled equipmentsanddata gatheringand information transmission ofexamining equipmentswhich regardstheputer asthe coreof controllingsystem?based on the high-Performancehardware?with softwareof highsecurity?dependability?the interfaceoperating briefly?and integratedsystem.The paperanalyzed thecharacter ofonline systemand offlinesystem,introducesthe actualityofthepatrol system,discussed thegeneral constructionof conditionmonitoring andfaultdiagnosissystemfor machineryand thetechnique of vibrationsignal analysis,and aportable conditionmonitoringandfaults diagnosissystem basedonpatrol schemeis constructed.The systemsoftware hasthe followingsix functions:machine information tree,patrol scheme,data collection,data analysis,data acquisitioninstrumentmunications,report andquery etc.The papercreated anew modelof data management:machine informationtreemodel.It manageda seriesof relativedata informationfrom pany,factory,plant,totest pointand measurementdefinition.It achievedthe electricdocument ofthe runningmachine,and itmade forpanys modernadministration.The systemapplied thedatabase technology of SQLServer,and effectivelyadministratedthe systeminformation,machine informationand samplingdata.Itcreated theuniform dataformat forthe severalof data acquisition model.To managethedata,the systemadopt relation database system,it ensurethat thedata wascoherent andintegral.The systemmade fulluse ofconstraint mechanismof relationdatabase toensurethat thedata wascoherent andintegral.In thesoftware design,the systemintegrated thetechnologyofmultiple threadandmulti-view ofWindows operation system,and thedifferent modulescan runin parallel.重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIThis modelboth ensuredthe real-time ofsystems data acquisition andwas enabletoanalyses includingexact analysisonthespot.It fullyused andplayed theadvantage ofWindowsoperationsystem,and ithad afriendly interface.The paperexplore anew wayondataacquisition anddatamanagement,and builtupquite alot experiencefor furtherdevelopment ofsimilar system.Key words:portable system,Status Monitor?patrol scheme,database重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1设备状态监测与故障诊断研究的意义123设备状态监测和故障诊断技术是一门了解和掌握设备在使用过程中的状态?确定其整体或局部是否正常?早期发现故障及其原因?并预报故障发展趋势的技术。 它通常通过测定机械设备的某个单一特征参数(如振幅、应力等)?来检查设备是否正常。 当特征参数小于允许值时便认为设备运行状态正常?否则为异常?并以超过允许值的大小表示故障严重的程度?当参数达到某个一定的设定极限时?就应进行停机检测。 若对设备进行定期监测或连续监测?便可获得设备故障发展的趋势?同时根据测得的数据?运用有效的计算机算法程序?可对该设备进行趋势分析和寿命预测。 这是国内外较为普遍采用的有效方法?可由计算机动完成?也称为自动监测系统。 状态监测由于测试仪器简单、操作方便、易于实现?也称简单诊断;故障诊断不仅要检查设备是否正常?而且还要准确判断故障产生的原因、以及严重程度?通常称为精密诊断。 不论是状态监测还是故障诊断?都是由三部分组成?数据采集、数据分析处理、状态识别及故障诊断。 为了最大限度地提高工业水平?现代企业的机械设备正在全面、迅速地朝着大型化、连续化、高速化、精密化、强载化、系统化、自动化和网络化的方向发展。 其结果是生产系统本身的规模变得越来越大?功能变得越来越多?性能指标变得越来越高?工作强度变得越来越重?各部分的关联变得越来越密切。 这一方面虽然满足了提高生产率、降低生产成本、节约能源、紧缩劳动力、减少废品、提高产品质量等客观要求;但另一方面机械设备发生故障所造成的经济损失和后果不断加重。 例如?1986年1月28日美国“挑战者”号航天飞机由于燃料助推火箭密封圈泄漏而发生爆炸?造成七名宇航员丧生并导致美国宇航计划推迟两年的严重后果?其经济损失就更无法估计了。 又如1986年4月27日前苏联切尔诺贝利核电站四号机组发生严重振动而造成核泄露?致使两千多人死亡?经济损失达30亿美元?引起国际上普遍的关注。 1972年日本关西电力公司Kainan电厂一台600姗汽轮发电机组?发生断裂为18段的严重事故?直接经济损失达9千万马克?1998年我国某钢厂一台大功率高炉鼓风机数级叶片折断?致使该高炉停产?直接经济损失数千万元。 1985年12月29日我国陕西某电厂一台20万千瓦发电机在40秒内全部损坏?直接损失达1000万元以上。 要防止这种重大事故?保证设备安全运转?降低维修成本?必须对设备实施状态监测和故障诊断。 1.2设备状态监测与故障诊断的方式及其优缺点45机械设备状态监测与故障诊断技术的研究起步较早?并已取得了较为丰硕的成果?不但在理论上进行了创新?并且在应用上?大型旋转机械的在线监测故障诊断在今年来获得了广泛的开发和应用。 重庆大学硕士学位论文1绪论2设备故障监测的方式有两种?即? 一、在线监测?实现初级诊断或高级(精密)诊断?人工或自动调控。 二、离线监测?实现初级诊断?人工调控。 巡检属于离线监测?本研究室以前所开发的多套便携式系统也属于离线监测。 1.2.1在线监测机械设备的在线监测预诊断方法是预先在设备的关键部位、敏感区域、重要参数环节处安装传感元件和参数取出设备及特别的信号参数变换装置?将各种强、弱、大、小规格不一的机械信号与电气信号进行放大、规格化?变成自动化检测仪表及计算机能够接纳的模拟或数字信号送入监测仪表和计算机系统的输入单元?自动化仪表及计算机智能系统连续不断地接纳或周期性采样接纳各种参数信号?智能系统按一定的数学模型和运算程序进行分析处理、计算?综合进行预诊断。 在线监测预诊断的优点是? (1)被监测设备全过程受控?没有死区。 (2)适时维修可避免过剩维修?节约维修资金。 (3)适时维修可避免维修不足,可避免设备带病工作?减少事故的发生?减少经济损失。 (4)预诊断出设备较精确的剩余寿命?合理使用设备?避免设备浪费或设备寿命不足发生事故造成损失。 1.2.2离线监测离线监测诊断是在设备停运或运行中利用有关仪表器具人为地对设备定时地进行接触检测或远距离遥测?定时分为次/h、次/班?例如用涡流计、加速计测量旋转电机的外壳、轴振动轴位移?用红外线测温仪在远距离处测量高压带电体的温度等?对所测参数建档,进行历史比较?趋势分析?作出初级诊断,为制订设备运行的维修计划提供依据。 离线监测方法简单?只用必要的单体仪器?节省投资?缺点是预诊断精度不高?需要人工操作?并且检测是断续的?不能对设备进行连续监测,失控的死区大。 机械设备的出厂试验?安装交接试验、计划维修检验等是多年来对设备的检修维护、监测的既定经验?对于预防机械设备故障事故的发生?确保设备安全地运行起到了极为有效的作用。 严格地说这些检验、考核方法均属于设备的离线监测范围。 离线监测不能完全防止机械事故的发生。 例如设备运行期间?计划维修的周期中间设备慢性事故突变或外界因素等引发的突然性事故则无法预知?因此设备维修周期中间时间成为设备监测诊断的死区?死区中发生的事故无法控制。 目前开始推广应用的在线监测?监控?技术?可以将设备置于全过程的监测控制之下?消灭了监测控制的死区?连续地监测诊断出设备的各种随机毛病?使计划维修变为适时维修?除了不可预见的外界实发因素(例如鼠害、雷击)外?基本上可以杜绝电气事故的发生。 现代企业设备(特别是大型关键的机械设备)装备在线故障监测诊断装置?应用新的重庆大学硕士学位论文1绪论3故障监测技术已成必然的趋势?是提高企业经济效益的有效手段之一。 随着电子技术的进步、电子产品造价的降低?企业电气设备全面应用故障监测技术将会普及。 由于现在电子产品的价格较高,目前中小型电气设备宜采用离线监测的方式?实现对设备故障的粗级诊断。 对于大中型设备或特别重要的关键设备,由于其价值高、地位重要、不能出现故障,如自动化生产的自动线,设备虽小但多,环环相扣?缺一不可。 这样的设备和设备群应采用在线监测方式?构成单系统或集中监测系统?实现精密诊断。 条件许可时可将车间(厂)作成监测诊断网?这将极大地方便总体设备监控管理。 1.3设备巡检管理系统的发展67随着对安全生产要求的日益增高?各种设备的常规检查也相应变得正规、严格?巡检记录归档也应更加科学化。 设备巡检管理系统的发展经历了人工巡检阶段、半自动化的设备巡检管理系统和智能化的设备巡检管理系统三个阶段。 1.3.1人工巡检阶段设备巡视检查是掌握设备运行情况?及时发现设备缺陷?消除事故隐患?保证安全可靠运行的重要措施?所以对设备的巡检是一个不可忽视的环节。 在过去?工厂对各种设备缺陷的检查或对线路的常规巡检是采用巡检人员定时?如每小时一次?根据巡视检查卡所列项目?对照实际设备逐一进行检查。 每检查一项应立即在巡视检查卡上的相应栏内用笔记录巡检结果?如正常打“”?异常打“”?然后向有关上级汇报。 这样就存在以下问题?巡检人员巡检设备时不按规定的巡视路线进行?有的漏检设备?有的漏检项目?巡视不到位现象时有发生?巡检人员不按规定时间去巡检设备?存在补记巡视记录的现象。 因而不能达到规定的巡视次数,造成收集到的数据分析使用价值不高?目前一些巡视检查卡记录不全面?如有些设备只是按电压等级填写?没有明确具体的巡视设备,造成巡检信息的混乱。 纸质的巡视检查卡很容易破损或被污渍弄脏?数据填错也不易修改?对历史记录的分析统计,需要查找大量的纸质卡片,工作量大且效率低。 1.3.2半自动化的设备巡检管理系统在这个阶段最为典型的就是信息钮设备巡检管理系统?该系统由管理主机、安装于工作现场的钮扣式信息钮、巡检人员所持的手持式巡检仪、用于计算机下载数据的通信插座以及配套软件组成。 但是,它还是存在很多问题。 首先,这种系统的手持式巡检仪只能存储少量的信息,而且没有可视化的界面。 所以我们只实现了部分信息的自动录入?如日期时间?工号等。 其他一些重要信息还需采用原始的方法录入?比如设备的缺陷内容我们还需要人工记录在巡视检查卡上。 因此它并没有解决人工巡检阶段的第3,第4条问题,而且巡检结果还必须手工录入到计算机中,给巡检人员的操作造成了不方便。 其次,一些曾使用过这种系统的用户反映,因为巡检仪和信息钮每次巡检均需要接触才能采集到数据,所以大大降低了重庆大学硕士学位论文1绪论4仪器的使用寿命,给用户的使用带来了不便,经济上造成了损失。 1.3.3智能化的设备巡检管理系统随着科技的进步出现了新的数据采集器,这种采集器由于加入了许多新的功能,所以它很快被引入到了设备巡检管理系统中。 这种数据采集器可以存储更多的数据,拥有人机交互的屏幕,这样巡检人员就可以在巡检仪上获得更多的信息,方便了巡检人员的使用,并且还解决了接触式仪器所带来的使用寿命的问题,它可以自动识别条码,不需要接触就可以读取数据,延长了仪器的使用寿命。 该系统由管理主机、安装于工作现场的条码、巡检人员所持的手持巡检仪(数据采集器)、用于计算机下载数据的通信插座以及配套软件组成。 这个阶段巡检管理系统流程与半自动化阶段的流程基本相似,只是采集数据和上传数据时完全自动化,在巡检现场巡检人员不再需要手工填写巡检记录卡,只需要在数据采集器上进行选择或进行一些简单的数字录入操作即可;在管理主机方面也不需要手工录入巡检结果了,基本上实现了智能化。 虽然智能化阶段比半自动化阶段有了进步,但是还有一些问题有待解决,例如:人机交互还不是那么完善,如果巡检人员在巡检中新发现一种故障,这种数据采集器不支持汉字的录入,那么必须要到管理主机上才能录入。 而且数据采集器的功能单一,界面单调,屏幕太小因而放不下较长的信息所以一些软件设计者只好采用一个代码去标识一串文字信息,这样巡检人员就必须记忆这些代码的含义,给巡检人员的使用带来了不便。 1.4国内外研究现状8910111213目前国内外有不少的机械设备状态监测诊断系统?其研制主要集中在以下几个方面?1?以美国国家仪器公司为代表开发的测量与自动化软件以及MatLab系列软件等?2?以东方所为代表开发的设备状态监测与控制软件?3?以北京亚控科技有限公司为代表开发的组态软件?4?其他有关状态监测与故障诊断软件。 近年来国内也有不少高等院校进行研究和开发。 例如西安交通大学的RMDS系统、哈尔滨工业大学及浙江大学的ZHZ?10系统、清华大学的BB?1系统、华中理工大学的HZ?1系统、重庆大学的CDMS系统系列等等。 分析其中重庆大学研发的CDMS-xx和GCDS5.0便携式系统。 CDMS-xx系统可以兼容多种不同型号的A/D转换设备?既可以用作现场实时信号监测与记录仪器?也是一种很好的离线分析系统。 系统的软件具有如下六大功能?现场数据的采集、历史数据管理、数据分析、远程数据传输、传感器标定、现场动平衡等。 数据采集包括组态设重庆大学硕士学位论文1绪论5置、稳态数据采集和瞬态数据采集?时域分析包括时域波形回放、数字滤波、轴心轨迹分析、解调分析、趋势分析、相关分析。 频域分析包括频谱分析、全息谱分析、频谱细化分析。 瞬态分析包括瀑布图分析、波德图分析和奈魁斯特图分析等功能。 该系统应用较多?但还是存在界面风格采用单窗口、数据存储是老式的文件形式、没有工艺参数输入接口。 FFT分析里面没有相位谱?加窗模式较少?没有倒谱、熵谱、小波等分析方式、没有报表及打印功能。 GCDS5.0系统是针对齿轮箱的状态监测与故障诊断系统。 其状态监测与数据分析等功能模块分离成独立的进程?在线监测与离线分析可同时进行。 该系统应用较少?没有从采集的角度对稳、瞬态分析进行区别?不便于采集处理和后续处理?测点组态、采集及存储的功能不强?没有报表及打印功能。 从巡检的角度来看设备状态监测诊断系统?在国内研究虽然起步较晚?但由于设备巡检工作对巡检系统的迫切需要?目前?结合己有技术及应用环境?己经有一些巡检管理系统被研制与开发并在具体的应用中发挥了一定的作用。 很多文献中提到的得到应用的巡检系统?分别采用不同的硬件、软件或系统集成技术?在只读信息钮、信息钮识读器、通信座的研制与开发、系统的组成以及管理软件的主要功能模块的实现等方面?各具特色?都表现出了一定的适用性?在各自的应用环境中取得了较好的应用效果。 纵观巡检系统的研制、开发与应用?我们不难发现?巡检系统的具体实现在很大程度上受各种软、硬件开发技术的制约?其中?尤以巡检信息采集技术的发展、计算机通信技术的发展表现得最为明显。 以浙江大学的水电厂巡检系统来看?它主要在自动识别技术、数据仓库和数据挖掘技术进行研究?开发了一种新型的用条形码标识电力设备?用便携式数据采集仪采集其参数?用数据仓库方式来管理和利用巡检数据的电力设备巡检系统。 该系统可接入监控系统或MIS?通过WEB查询和发布巡检信息?并分析设备运行趋势?查看任意两参数间的关系曲线?供运行和管理人员决策参考?以便及早发现设备缺陷?确保电力设备运行安全。 系统力求在功能的完善和巡检的有效性?准确性?科学性上有所突破?并尝试采用数据挖掘的思路和算法对数据加强利用。 它的缺点采集的数据只能是简单的工艺数据?如推力瓦温度、油槽油压等?或是进行状态的描述?如针对“盘面各指示灯指示正常”、“各切换开关位置正确”?工作人员根据提示在数采器上选择“正常”或“异常”?不能对机械设备的振动进行数据采集、分析及故障诊断。 目前国内较好的设备巡检系统是上海容知研发的设备状态巡检网络化管理系统?它通过专用的数采器采集设备的工艺参数、观察参数及振动参数。 重庆大学硕士学位论文1绪论61.5本课题的研究内容、目的与意义1.5.1本课题的研究内容随着企业现代化管理的深入开展?改革传统的巡检管理模式?采用先进的智能化岗位巡检网络信息管理系统是我们企业实行信息化、网络化的必备手段。 智能巡检管理系统的使用?标志着现代化的智能巡检已成为保障装置安全稳定长期满负荷优质生产的重要手段。 本论文的主要内容:?1?研究以企业-工厂-车间-设备-测点等多层次信息以树状结构对机械设备进行统一组织、管理和显示?2?研究多线程、多文档系统技术?实现离线、在线状态监测与故障分析可以在同一软件系统内同时进行?具有较好的实时性、兼容性和灵活性?实现数据采集与数据分析分离?保证了数据采集的实时性?又可以现场进行各种分析?包括精密分析?3?研究SQL2000进行数据存储及管理?利用关系数据库的约束机制管理数据的完整性和一致性?完成以巡检计划为基础的数据库的表的设计?4?应用VC6.0进行软件编程?实现巡检仪与管理机之间的数据采集、保存、打印及备份?振动分析?数据处理。 对系统中的数据处理采用FFT变换将所采集数据进行数字滤波和相关分析等?5?研究系统与数采器之间通讯。 包括容知的数采器以及掌上电脑?通讯方式主要采用USB协议。 1.5.2本课题的研究目的效益是一个企业的生命?也是贯穿企业整个生产过程的一个终极目标?企业的经营者自始至终都在追求高效益?要生产高的经济效益?保证生产的连续性是首先需要解决的问题?如何才能保证生产的连续性?保证减少设备特别是重要设备的停机时间。 本课题的的主要目的是?1?设备状态信息的多角度利用和共享。 数据多层次共享?满足经营决策层?企业级?、管理控制层?分厂级?以及现场控制层?车间级?等企业不同人员对设备状态信息的不同需求?有效支持设备管理工作的全员性。 ?2?全面提高管理水平的目的。 在管理方面不是依赖二级厂矿的自发投入、自发管理?而是统一认识、统一规划、统一管理、统一制度?能有效提高全公司的设备管理水平。 ?3?达到设备状态受控的目的。 大型工矿企业设备众多?只有部分重要设备进行了在线监测?还有很多设备需要进行监测。 而且单机在线和常规点检又有许多不足?如信息获取不足?方式单一?没有充分利用控制系统?PLC、DCS等?中有关的控制参数、工艺参数?缺乏系统分析,依赖开发人员或检测人员的主观经验。 重庆大学硕士学位论文1绪论7?4?建立完整的设备历史记录。 设备状态数据?振动量、工艺量、观察量等?、设备相关设计文档?设备图纸、设备图片等?设备记录?检修记录、运行记录、故障记录等?。 ?5?定期监测机组的振动大小?与有关标准对比?判别机组状态?能实时监测机组升降过程速过程机组的动态特性。 ?6?能够实现网络化远程浏览设备状态信息?7?兼容多种数据采集方式?即系统既要能通过数采器采集数据?也要能直接由计算机采集数据。 ?8?建立统一的数据采集设备模型?兼容多种数据采集设备?能将多种数据采集设备的数据统一起来?形成与数据采集设备无关的数据文件?9?软件系统的功能模块包括?设备信息模块、巡检计划模块、数据采集模块、历史数据回放模块、信号分析模块、故障诊断模块?作为另一个项目研制?并融合到本系统?等?10?有较好的兼容、扩展、升级能力?能够加入培训系统、智能诊断等模块。 1.5.3本课题的研究意义本课题的研究意义在于?1?避免设备发生重大安全事故或生产废品而造成的巨大经济损失?保证设备在规定的期间内无故障安全可靠运行。 ?2?利用监测诊断系统可以及时判别设备是否有故障?并且能够迅速查明故障原因、部位、预测故障影响。 从而实现有针对性的按状态维修?那里坏了修那里?而不是大折大卸?延长检修周期?缩短检修时间?提高检修质量?减少备件储备?提高设备的维修管理水平。 ?3?向运行人员提供及时的信息?有效地支援运行?提高设备使用的合理性、运行的安全性和经济性?充分挖掘设备潜力?延长服役期限?以便尽量合理地使用设备。 ?4?向维修管理人员及时提供设备运行情况?及时准备备品备件?及时处理有关故障?真正实现预知维修?以最少的代价发挥设备最佳的效益?做到最佳运行?使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低。 重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础82便携式系统技术基础2.1机械状态监测与诊断的基本技术14151617设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或在基本不拆卸的情况下的状态量?判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响?从而找出必要对策的技术。 它在动态情况下?利用机械设备劣化进程中产生的信息?如振动、噪声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等?来进行状态分析和故障诊断?涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科?是这些理论的综合应用。 机械设备状态监测与故障诊断的基本过程如图2.1。 由于在生产过程中多数是旋转机械?所以这里讨论的主要是针对旋转机械的故障诊断。 对旋转机械的故障诊断?首先要求诊断者?在通过监测获取机械大量信息的基础上?基于机器的故障机理?从中提取故障特征?进行周密的分析。 例如?对于汽轮机、压缩机等流体旋转机械的异常振动和噪声?其振动信号从幅值域、频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要的信息?然而它只是机器故障信息的一部分?而流体机械的负荷变化?以及介质的温度、压力和流量等?对机器的运行状态有重要的影响?往往是造成机器发发生异常振动和运行失稳的重要因素。 因此?对旋转机械的故障诊断?应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状态等信号的基础上?通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆敏感参数等?经过综合分析判断?才能确定故障原因?做出符合实际的诊断结论?提出治理措施。 设备状态传感装置人的感官调试状态识别装置征兆提取装置决策形成装置状态趋势分析装置决策状态趋势?未来状态模式?原始特征信号转换后的特征信号?最终模式?征兆图2.1机械设备状态监测与故障诊断基本过程Fig2.1the basicprocess ofmachinery statusmonitor andfaults diagnosis重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础92.1.1振动监测的基本参数作为单一频率的振动信号?数学公式可表示为?)2sin()(0?ft AA xF式(2.1)式(2.1)中0A表示信号直流分量?A表示信号交流信号的幅值?表示分析时刻的初始相位。 振动信号的监测实际上就是确定各个谐波分量的上述各参数?动态参数?它是反映机械处于稳态时振动的特征参数。 振动幅值?它是衡量机械振动大小的标志?通常可以用位移、速度、加速度三种方式来表示。 一般在低频振动中用位移来表示?高频或冲击振动用加速度表示?中频用速度表示。 在实际应用中振幅还可以用峰峰值?平均值、有效值表示?振动频率?由于机械的不同的故障通常表现为不同频率的信号?所以通过分析信号的频率是诊断设备故障的最为常用的方法。 振动相位?相位是指信号相对参考时刻发生先后的时间差。 一般用角度表示。 峭度系数?它是反映时间序列分布特性的数值统计量?在数学公式上被定义为观测样本的四阶中心矩?振动烈度?它被定义为振动速度的有效值?所以它反映了振动能量的大小?反映了振动物体的强度?静态参数?静态参数是指稳定状态下机器各部件所处位置的参数?偏心位置?指轴承中心相对于轴颈中心的位置?若偏心位置偏离正常值过大有可能发生轴承碰磨故障?它通常用二个垂直于转轴的传感器来监侧?轴向位置?它是指旋转机械中转子与静子之间的轴向间隙?若它们离正常值过大有可能发生碰磨故障?它通常用一个和转轴的轴心同方向的传感器来监测?偏心度?它表示转轴在静态时的挠度?对偏心心度的监视可以预防出现弯轴事故?它的监视方式同偏心位置的监测?差胀?它是指旋转机械中的转子与静子之间轴向间隙的变化值?对它的监视是为了防止因转子和静子由于膨胀的位移不同而造成轴向碰磨事故?尤其对保证机组启动的安全时特别有意义?它的监视方式同轴向位置的监测?机壳膨胀?它是指机壳相对地基的位移?对中度?它表示轴系各转子间的连接对中程度?工艺参数?机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数上温度?压力?流量?2.1.2旋转机械振动评定标准目前最为常用的是通过振幅来衡量机械运行状态?根据传感器的种类分为轴承振动重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础10评定和轴振动评定。 前者是利用接触式传感器?振动速度传感器或振动加速度传感器?放置在轴承座上进行测量。 后者是利用非接触式传感器?电涡流传感器?测量轴的绝对振动值。 评定参数可以用振动位移峰峰值和振动烈度?即均方根值?它代表了振动能量的大小?来表示。 振动标准划分为绝对标准、相对标准两种。 绝对标准是指用以判断设备状态的振动绝对数值?相对标准?是指设备自身振幅变化的允许值。 绝对标准是在规定了正确的测定方法之后制定的标准?所以在使用时它所适应的频率范围和测定的方法都必须严格按照标准。 因此在这里只讨论相对标准。 振动的相对标准在设备故障诊断中应用得较为广泛?因为绝对标准很难确定。 其应用方法是在对设备的同一部位的振动进行定期检测?以设备正常情况下的值为原始值?根据实测值与原始值的比值是否超过标准来判断设备的状态。 相对标准的确定根据频率的不同分为低频?1000Hz?两段?低频段的依据是经验值和人的感觉?而高频主要是考虑了零件的零件结构的疲劳强度。 典型的相对标准如表2.1所示?低频?1000Hz?注意区1.5?2倍3倍异常区4倍6倍2.2数据采集181920212.2.1采样与量化数据采集是将表征物理量的信号采集并转换为计算机能识别的数字信号?再由计算机进行存贮、处理、显示或打印的过程。 对于被采集的信号可以分为模拟信号、数字信号和开关信号。 在这里就以模拟信号的采集为例来讨论。 动态数据采集是将模拟量信号转换成便于存贮、传输和分析处理的数字信号?或数据?它在整个动态测试中起着承前启后的作用?它面对的是动态信号?比用于常规工业控制和静态信号的数据采集有更高的要求。 模拟信号的采集的过程如图2.2所示?表2.1振动标准Table2.1the standardofvibration重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础11采样/保持量化编码计算机)(t xot(a)0t?2t?3t?t(d)011011011001001101)(t n x?)(t n x?0t?2t?3t?t(b)0t?2t?3t?t(c)(t n x?图2.2信号采集过程Figure2.2the processof sampling采样/保持的作用是使A/D在完成一次转换的时间之内?保持转换器输入端的模拟信号电压保持不变?以保证较高的转换精度。 采样保持器输出的是时域离散、幅值连续的信号?各采样点的电压值要经过量化才能最终变成数字信号。 量化实际上是幅值量化。 数字信号的数值大小不可能象模拟信号那样是连续的?而只能是某个最小数量单位的整数倍?这个最小单位叫量化增量q。 X?t?在某一时刻的采样值可以表示为增量q与某个整数z的乘积?即q znx.)(?式(2.2)如果A/D转换位数为m?电压满标值为0V,则量化增量mV q2/0?可以看出?A/D转换位数为m值越大?q就越小?分辨率越高?量化误差就越小。 但是随着转换位数的增加?转换速度会降低?转换器的成本也明显的增加。 2.2.2采样频率混迭和消除措施采样的核心是信号在时域离散后会不会丢失信息?也就是说信号在离散时间采样重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础12时?在采样点之间的信息会不会丢失。 离散采样把连续信号经采样会产生频率混迭现象?量化将引起量化噪声?降低信号的信噪比。 离散采样把连续信号)0)(T tt x?变为离散序列)1,.2,1,0)(?N n nx。 对于?的选择?从直觉来看它越小数字信号越逼近原始波形?但是当?越小采样频率就越大?在相同的样本长度下?采集到的数据N就会越大从而导致内存消耗的增大?是分析计算量就越大。 而另一方面?过大会丢失信号的细节?还会引起频混现象。 根据采样定理信号不丢失信息的最低采样频率为mf fs2?式(2.3)式(2.3)中mf为原始信号中最高频率成分的频率。 若不满足此定理将产生频谱重迭。 在对实际的动态信号采样时将产生这样的间题?在采样前不知道信号的最大频率?如将采样频率设定太大?这样固然可以避免频率混迭?但是这。 会因采样频率太高而产生大量的离散数据?增加所需的内存。 为此?在实际采集中?首先要根据动态测试任务的需要确定频率范围?然后对原信号进行低通滤波?限制信号带宽?并由此按采样定理确定采样频率。 用于防止频率混迭的低通滤波器也称为抗混滤波器。 因此解决频率混迭的方法有?提高采样频率以满足采样定理?一般工程中取mf fs)456.2(?用低通滤波器滤掉不必要的高频成分?如滤波器的截止频率为cf?则)456.2/(s cf f?2.2.3采样长度与频率分辨率当采样间隔t?为一定时?采样长度T越长?数据点数就越大。 为了减少计算量?T不宜过长。 但是T若过短?则不能放映信号的全貌?因为在傅立叶分析时?频率分辨率f?与采样长度T成反比)/(1/1t NT f?式(2.4)从式(2.4)中可以看出频率分辨率与采样频率和采样长度都有关系。 在旋转机械的诊断系统中?整周期采样应用较多?设对旋转频率为f的机器每周期均匀采点m个?共采L个周期?则mL N?而)/(1/)/1(fm mft?故LfmLmft Nf?)/1(亦即f fL?式(2.5)这保证了关键频率的准确对位。 例如对于每周采集32点?采16周的信号?有N?512?16/ff?而f?16正好是旋转频率。 重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础132.2.4采样控制方式准确的采集数据直接关系到信号分析、在线监测的准确性。 通常在Windows2000下启动A/D卡进行数据采集的控制方式有?程序查询方式、中断控制方式、存贮器直接存取方式(DMA)。 程序查询方式程序查询方式就是在其运行过程中CPU不断地询问模数转换器的状态?判断模数转换是否已经完成。 它的工作原理是?在需要采样时CPU发出启动模数转换的命令?等到模数转换结束后?由第一输入通道将结果存入内存?然后CPU再向模数转换器发出命令?等到模数转换结束后由第二通道将结果存入内存?依次类推?直到所有的通道采样完毕?如果模数转换未结束?则CPU等待?在等待时定时查询?直到模数转换结束。 该方式的优点是软件的开发和调试比较容易?缺点是浪费CPU的时间。 由于这种方式始终占据CPU运行?所以在采样时CPU不能运行其他的相关程序的?本系统在数据采样时另外要进行其他的一些操作?如果使用该采样控制方式?将影响这些功能的使用?同时在其他的功能使用时也有不可能保证采样的实时性?连续性。 中断控制方式CPU首先发出启动模数转换的命令?然后继续执行主程序?当模数转换结束时?则通过接口向CPU发出中断请求?请求CPU暂时停止工作?读取转换结果?当CPU响应模数转换器的请求时?便暂停正在执行的主程序?自动转移到读取转换器结果的服务子程序中?执行完子程序后?CPU又回到原来被中断的主程序继续执行下去?这样就提高了CPU的效率。 该方式具有很强的实时处理能力?可充分发挥CPU的效率。 但这种方式的程序开发和调试比较复杂?如果中断源过多时?将造成频繁申请中断?使CPU没有时间处理其他运算?这样就跟查询方式没有什么两样了。 所以中断方式通常应用于主程序要同时处理其他任务?不宜接受查询的情况下?以及一个或多个模拟信号源在采集时要求高度保存实时性的情况下。 因为Windows2000是通过两个层次的管理机制实现中断的。 在第一层次?由系统定义的中断占用?它占用了高优先级。 而用户自定义的中断一般工作在第三个层次?即使达到第一层次?信号采集必然要受其他中断影响?从而影响实时性。 并且?以中断方式进行数据传输?仍要占用CPU?会影响对数据的实时处理。 另外要有效保证数据实时采集?对数据处理、打印、用户消息分配的时间片一定要恰当?这给软件开发带来了较高的难度。 DMA方式DMA方式是一种由硬件完成的数据传送方式?数据通过存储器CPUI/O外设DMA控制器图2.3DMA方式与中断方式的区别Figure2.3the differencebetween DMAand ofinterrupt mode重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础14DMA控制器直接与存贮器进行数据交换。 其与中断方式的主要区别?见图2.3?实线部分为中断方式的数据流程?虚线部分是DMA方式的数据流程?是中断方式必须由CPU通过程序把采集的数据从I/O端口传送至累加器?然后才送到内存?数据的传输10Kbits/s?所以高速数据采集采用中断控制方式是不合适的?DMA方式的数据直接在外设和存贮器之间进行传输?而不通过CPU和I/O?因而数据传输的速度远远大于中断方式。 根据以上的分析和比较?选用DMA方式既可以满足数据采样的实时性、准确性和高速性?而且不影响Windows2000操作系统的正常运行和软件的其他的功能的使用?因此选用DMA方式作为本系统的数据采集控制方式?在软件的实现上?全部根据该方式进行开发。 2.3振动信号的分析161814对监测设备采集得到的信号一般情况下混杂有许多无用的噪声。 信号分析就是排除或消弱噪声干扰?保留或增强有用信号?精化故障特征信息?提高诊断灵敏度和可靠性?从不同角度来对机组进行分析?提取尽可能多的信息。 振动信号常用的分析方法有幅值域分析法?时域分析法和频域分析法。 2.3.1幅值域分析在信号幅值上进行的各种处理称作幅域分析。 信号的简单幅域参数包括均值、最大值、最小值、均方根值。 若信号)(t xs为采样所得的一组离散数据Nx xx,.,21?则这些参数计算数为平均值?NiixNX11最大值?ix Xmaxmax?均方值?Nii rmxNX121方差?Nii xXxND1211最小值?ix Xminmin?峰峰值min maxXX Xpp?有效值?Nii rmsxNX121方根幅值211?Nii rxNX平均幅值?NiixNX11峭度?NiixN141?波形指标XXSrmsf?峰值指标rmsfXXCmax?脉冲指标XXIfmax?裕度指标rfXXCLmax?。 斜度?NiixN131?重庆大学硕士学位论文2便携式系统技术基础15斜度?反映了概率密度函数对于纵坐标