【压缩机故障预警系统关键技术及设计探究8700字（论文）】

PAGE１４压缩机故障预警系统关键技术及设计研究目录第一章前言 ２1.1研究背景 ２1.2研究目的与意义 ２1.3研究现状 ３第二章压缩机故障及早期预警概述 ５2.1压缩机分类与简介 ５2.2压缩机常见故障分析 ５2.3往复式压缩机常见故障诊断方式 ５2.4早期预警技术的应用分析 ６第三章压缩机故障预警系统关键技术及设计 ７3.1压缩机远程监控诊断与服务平台的构成 ７3.2嵌入式数据传输单元DTU的设计 ７3.3与压缩机远程监控服务中心服务器联调 ８3.4压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台构建 ８3.5面向用户的设备监控与故障诊断服务系统的研发 １１总结 １８参考文献 １９摘要：鉴于往复式压缩机在工业中的应用十分广泛，对其故障诊断技术的相关研究也得到了广泛的关注，而且由于往复式压缩机的类型结构的多样化，发生的故障也多种多样，诊断方法也相对比较复杂，在经验规律总结上存在一定的难度。本研究通过控制嵌入式数据传输单元DTU的成本，注重监控诊断与技术服务平台上面向用户的状态监控与故障诊断系统的实用性，使压缩机远程监控服务中心成为企业数字化管理、品牌服务的窗口，研究的应用推广必将有广阔的市场前景和可观的经济价值，并具有良好的社会效益。关键词：压缩机；故障；预警；关键技术；设计第一章前言1.1研究背景大中型关键设备的安全、稳定运行，对工业企业的正常生产、设备和职工人身的安全、社会的和谐稳定有非同寻常的重要意义。以提供生产动力(如：石化行业的工艺流程用)的压缩机为例，压缩机运行状态出现异常或发生突发故障，将导致生产线或生产设备停机，造成重大经济损失，严重的甚至造成爆炸，对企业的人员和设备造成严重破坏后果。因此，对关键设备运行状态的监控和故障诊断一直备受重视。在设备运行过程中对关键参数进行检测，在设备控制系统中嵌入状态监控与故障诊断模块，已成为国内外设备用户与制造厂家掌握装备应用状态，确保装备正常、可靠运行的共同举措。在经济全球化的今天，面对激烈的市场竞争，性能好、可靠性高、售后服务有保障的产品更受客户的青睐，关键设备和大中型设备所具有的保证设备安全稳定运行的状态监测和故障诊断技术已成为产品的核心技术之一，同时也成为装备制造企业、用户和相关科研院所当前研究热点和发展趋势。1.2研究目的与意义往复压缩机是炼油、石化等流程工业的关键设备，故障机理复杂，振动激励源多，与离也压缩机相比，其同时存在周期性旋转和往复两种运动形式，运行部件长期受交变载荷的作用，易损件较多，故障类型多样且频发。此外，往复压缩机运行工况复杂，长期工作在高压、变负荷工况下，压缩介质大都为氨气等易燃性气体，由于机组恶性故障引起着火、爆炸的情况时有发生，给企业安全生产和经济效益造成了严重影响。随着石化企业人员安全意识的不断提高和生产理念的转变，越来越多的企业对往复压缩机安装在线监测系统，但目前监测系统尚未发挥其应有的价值，导致往复压缩机故障预警与诊断严重依赖人工进行，这种状况难免会出现疏漏，因此如何应用在线监测系统实现有效预警显得非常必要。往复压缩机故障频发，对于故障机理复杂及案例稀缺的故障类型，例如大头瓦磨损故障，目前故障与特征的对应关系尚不明确。传统预警方式只针对几个简单的特征参数设置报警线，采用门限报警的方式，但由于往复压缩机故障机理复杂，故障信号存在耦合性、非线性与非平稳性，在实际应用过程中漏报、误报情况较多。与离心压缩机相比，往复压缩机故障率高，通常配置备机，在线监测系统安装的传感器非生产厂家出厂原配，现场仪表硬件维护缺乏有效管理，因此设备启停车频率较高，检维修与拆卸传感器频繁，传感器故障率高。据某厂商的在线监测系统实际应用情况统计分析，现场安装的各种类型传感器或后端信号系统的故障率约为15%，传感器异常将严重影响设备运行状态以及开停车状态的准确判断。往复压缩机后停车频繁，但启停车过程并未得到特别关注和跟踪分析，设备在运行状态、停车状态下和启停车过渡阶段信号呈现的特征截然不同，其中有些特征和机组故障特征或传感器异常特征非常类似。此外，设备处于开停车不同状态时传感器异常诊断逻辑以及机组异常判断思路完全不同。目前，往复压缩机开停车状态只能依靠单一的键相传感器判断分析，一旦键相传感器或后端信号传输系统出现异常，极易导致机组开停车状态判断结论错误。往复压缩机具有多故障耦合以及故障原因单一的特点，但现场人员缺乏诊断知识，传统预警方法的反馈结果笼统模糊，只能显示设备异常，而无法判断设备具体故障类型。综合以上分析，如何提取大头瓦磨损故障持征，提取多种特征参数准确检测异常是进行故障预警的前提条件；建立具有较强实用性的往复压缩机早期故障智能预警系统，真正保证设备安全平稳运行是本文的研究关键。1.3研究现状1978年起，法国电力部口将离线监测系统应用于透平发电机。上世纪90年代，丹麦B&K公司推出了CMMPASS系统。三菱重工研发了能够用于核电站以及热电站的监测系统。从上世纪90年代起，Bently公司研发的在线监测系统广泛应用于中国市场。国内开展故障诊断方法研究相对较晩，起初主要在高校和科研单位进行相关学术交流与理论研究工作。从发展历程来看，主要经历了三个阶段：第一阶段，主要引进并学习国外先进技术，开始诊断方法的研究等；第二阶段，将研究的理论成果与生产实际应用相结合：第三阶段，从系统性角度出发，将理论与实践相结合开展研究。目前，该技术已经在炼化、风电、航天等领域取得了良好的应用效果。炼化企业现场着火、爆炸事故时有发生，往复压缩机设备故障率高，由此给企业安全生产造成严重影响，带来的停产损失和设备维修费用较高。随着人员安全意识的不断提高及生产理念的转变，逐渐变事后诊断为事先预警，研究人员逐渐将重也向故障早期预警方向研究偏移。当设备运行状态出现异常时，若能提前准确地捕捉到异常信号，可以避免严重故障的发生。随着计算机及传感器技术的快速发展，数据采集、信号处理和分析手段日益完善，状态监测与故障诊断技术己经向着智能化与自动化方向发展。模式识别、人工智能，传感器技术以及信号处理技术的发展，促进了这一领域的不断发展，小波变换、神经网络、支持向量机、深度学习等新方法活跃在这一领域。杨波，倪继军（2013）通过理论推导及建模分析，寻找断裂故障的监测预警方法。马波，高金吉（2013）利用声发射技术，实现对活塞杆断裂故障的监测预警。刘卫华，郁永章（2012）提出采用压力、温度及振动信号进行故障诊断的方法。潘高峰（2014）介绍了往复压缩机监测系统的功能与使用情况。刘树林，张嘉钟（2013）采用小波包方法，寻找到气阀故障的敏感特征。目前往复压缩机故障诊断技术理论研究已经较为成熟，其中有些技术己经成功应用于工程实际中，但故障预警技术的研究相对较少。第二章压缩机故障及早期预警概述2.1压缩机分类与简介随着工业技术的发展。空压机的类别与型号不断更新，按原理和结构不同可以分为：活塞式、回转式，离心式与轴流式四种。而根据应用不同又可分为不同的类型，如用于制冷的压缩机通常可分为：一、封闭式压缩机：此类型压缩机由于功率小，主要用于冰箱、家用空调等电器中，它由电机(绕组、转子等)与机械(曲轴、活塞等)部分组成一体，置于密封的缸体中。一旦出现故障修复起来比较困难。二、半封闭和开启式压缩机：此类型压缩机由于功率大，广泛用于中央空调、冷库等大型制冷、空调净化等部门，由于电机与机械分为两部分，一经出现故障可便于拆装修理。2.2压缩机常见故障分析1.1排气量不足故障。排气量不足是以往复式压缩机的设计气量大小作为参照的，主要受以下几个因素的影响：吸入气阀的阻力过大，进入气缸的气量会相对减少；吸入气体的温度过高，气体密度减小，吸入的单位气体减少；填料函不够严密，导致高压环境下的漏气；气缸活塞等部件磨损严重，导致气缸密闭性降低。1.2噪声故障。噪声是指机械不规律运行时所产生的声音，主要原因包括以下几个方面：活塞与缸盖之间的间隙过小；气缸内存在金属碎片或水分等杂质；排气阀片、螺栓等部件损坏松动。1.3压缩机事故。压缩机事故主要包括曲轴断裂、活塞杆断裂、连杆断裂等方面，造成断裂的主要因素既包括部件设计生产的漏洞和质量问题，又包括长期超负荷运行所造成的过度磨损。1.4油压故障。一方面油泵腔内存在的空气会造成油泵无压力，另一方面油过滤网和吸油管的堵塞会造成油压降低，同时油泵过度磨损导致部分部件之间缝隙过大，密闭性降低。2.3往复式压缩机常见故障诊断方式2.1人体直观检查诊断。人体直观检查诊断主要是指通过对相关问题进行询问了解，或者对故障所表现出来的物理特性进行触觉、嗅觉、听觉等方面的检查和了解，进而发现其中存在的问题。这是最基本也是最初级的故障诊断方式，能够比较迅速的发现表面故障，进而采取措施排除。2.2在线监测诊断。该系统中的传感器将采集到的信号通过前置放大调理器放大，并传入到数据采集器中，并将指令传输到工作站中，实现数据的交换，从而服务器对相关数据进行分析、报警等，通过互联网络可以实现对整个过程的监控。2.3离线监测诊断。离线监测诊断需要将压缩机的总电源断开，进而分析故障发生的可能部位，并进行逐个排除，如果未发现问题则需要进行在线监测诊断。2.4早期预警技术的应用分析早期预警技术能够对设备的异常信息做出快速的分析和判断，并准确地得出设备当前时刻的异常信息、开停车状态、异常诊断结论等信息，进而主动反馈输出结果，有效辅助现场工作人员对设备进行统一管理。当前主要的研究方向包括气阀故障及预警、活塞杆断裂故障及预警、大头瓦磨损故障及预警等等，并通过相关实验得出了相应的结论，在减少故障发生方面起到了至关重要的作用。随着研究的不断深入，越来越多的典型故障决策模型将会建立起来，诊断经验的积累不断增多，决策模型和预警方法将会进一步改进提升，提高对故障诊断的准确性，保证设备的正常运行。第三章压缩机故障预警系统关键技术及设计3.1压缩机远程监控诊断与服务平台的构成压缩机远程监控诊断与服务平台的构成如图3-1所示。它由远程数据传输单元(DTU，DataTrans．missionUnit)、压缩机远程监控诊断与服务平台远程数据服务中心和面向用户的设备监控与故障诊断服务系统3大部分组成。其中，远程数据传输单元DTU由嵌入式CPU和无线通讯GPRS发送模块组成。DTU安装在所要监控的设备上，通过RS232／485口从设备控制器接收来自设备上各测点的工作状态监测数据。嵌入式CPU中先将数据作简单处理，以降低数据传输量。对于简单故障可进行现场处理排除(如监测参数超过阈值等)。然后将筛选后的数据打包，通过GPRS发送模块将数据发送到平台的远程数据服务中心，由压缩机远程监控诊断与服务平台针对特定用户的需求对设备运行状态进行实时监控、预警和诊断。厂家及用户可以通过Internet上网到平台上获取设备远程状态监控和故障诊断信息，下载设备运行的监控数据，以便于监控和售后服务。图3-1压缩机远程监控诊断与服务平台的系统构成因此，本项目的主要研发内容包括远程数据传输单元DTU的设计、压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台的构建、面向用户的设备监控与故障诊断服务系统的研发3大部分。3.2嵌入式数据传输单元DTU的设计嵌入式数据传输单元DTU是专为设备远程监控和故障诊断所开发的接口装置，其功能是实现数据采集、转换和预处理、并按设定的方式和规定的时间发送数据。DTU需要安装在设备上，通过RS232／485接口与设备控制器相连，因此在保证功能和装配要求的前提下必需力求降低成本。研发内容包括：(1)合理选用嵌入式CPU和移动通讯芯片，兼顾成本、系统可扩充性和功能设置的可编程性的要求；(2)硬件设计主要是进行DTU与设备控制器(PLC、工控机或其它控制器)的硬件接口设计、系统设计、电源及辅助部分设计、系统时钟等硬件电路的设计开发；(3)软件设计主要包括工作模式设定、定时数据采集、数据预处理、数据加密、数据压缩、异常告警、数据发送与接收及软故障自动恢复等功能模块的设计开发。3.3与压缩机远程监控服务中心服务器联调企业网络为中国电信专线接入，由于其提供网站发布的IIS服务器放置在企业网里，因此申请了静态IP地址，以方便外部的DNS(DomainNameServer)域名解析服务，其网络拓扑构架见图3-2。图3-2压缩机厂网络拓扑由于该监控系统方案设计技术上要求数据接收软件所处的位置必须为获取静态IP地址的服务器，但是压缩机厂的网络结构为专线接入后先经过企业防火墙，统一进入企业的交换机，然后再向下分配到各服务器和子交换机，因此将监控中心服务器放在与其并列的位置上。其获取的IP地址为DHCP服务器分配的企业内部IP地址，需要在防火墙上作一条端口映射的指令。这时在发送终端上只需将数据发送到该端口即可，这时防火墙接收到数据后，即按照端口映射的设置，将数据转发到监控中心服务器。3.4压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台构建从远程数据采集终端DTU传来的数据通过各个网关和路由，传送到压缩机远程监控诊断与服务中心进行显示、分析和处理，从而实现对远程压缩机设备的运行状态进行实时监控，并对故障进行预警和诊断。压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台构建工作包括数据采集模块设计、远程监控模块的设计、信号分析模块设计3大部分内容，贯穿这3大模块的是后台数据库的设计、实现及管理。基本功能模块包括：数据采集、状态监测、信号分析、报警记录查询、报表输出、故障诊断、系统管理等，服务器采用多线程并发处理机制，可以同时接受多个用户的访问。服务器端系统功能结构框图如图3-3所示。图3-3服务器端系统功能结构框图3.4.1数据采集模块设计数据采集模块主要负责从GPRS模块中接收监控数据，并进行数据的分类、入库及管理操作，为整个系统的后续工作提供原始数据资料。服务器端在软件实现上采用TCP／IP协议，通过Win—dowsSockets建立虚拟的通讯逻辑信道，用以接收数据并存储在数据库服务器上。在GPRS模块与数据库服务器问传送的数据采用IP包的形式，所以在传送前传送方与接收方要事先确定好数据格式及加密手段，数据库服务器在接收到数据后首先要进行解码处理再存储人库。图3-4数据采集模块SCADA系统可提供远程数据采集的网络硬件平台，其监测点数目多，且兼有参数控制、实时数据库更新与访问等功能。因此，利用SCADA系统的远程终端数据采集系统和远程数据通讯网络，采用OPC（OLEforProcessControl）技术远程获取分布式网络中PLC的瞬变过程信息，以满足故障诊断系统与动态安全评价系统对数据采集的完备性和高速性的要求。OPC也被称为“软件总线”，应用程序只需知道如何读取OPC数据源，设备驱动程序只需知道如何将现场数据转换为OPC统一格式的数据。OPC可提供以下三种数据类型：（1）实时测量数据：压力、流量、密度、温度、泵转速、阀门开度等。（2）控制参数：开、关、运行、停止等。（3）状态信息：硬件连接状态和软件系统状态等。图3-5基于OPC远程数据获取的网络硬件拓扑图3.4.2远程监控系统数据库设计数据库系统是压缩机远程监控系统的核心，所以选择一种高效的逻辑手段及完整的数据模型非常重要。在进行数据库设计之前首先要明确设计对象、设计目标及数据结构，利用E—R法则设计关系图的方法设计系统的数据库关系。图3-6Mi—crosoftSQLServer2000采用Mi—crosoftSQLServer2000作为该数据模型的管理软件，在SQL中用表跟关系图的设计来实现对数据的管理。3.4.3远程监控模块设计远程监控模块的设计目标是要开发一个基于Internet的开放式远程监控系统，通过动态网页对数据库的访问来实现系统与用户之间的动态信息交互。这一部分是真正可以被用户直观感受和使用的部分，因此要求具有可视化的界面、便捷的使用方法和高效的数据传输效率。3.5面向用户的设备监控与故障诊断服务系统的研发作为一个远程监控平台，其根本目的是要为设备的故障诊断及前期预警提供依据，因此要以设备的故障诊断为目的来确定监控信号的采样位置及信号分析方法。不同类型的设备需要采取不同的监控与故障诊断方法，不同的企业用户对设备监控与故障诊断的功能需求亦不相同。压缩机远程监控诊断与服务平台需要针对不同的客户、不同的设备监控诊断需求提供个性化的服务。要通过对所要监控设备的故障现象的深入了解与分析，寻求对故障现象的合理分类方法，作为最终建立故障诊断专家知识库的基础。3.5.1压缩机的常见故障及诊断方法压缩机的常见故障可以分为2大类。一类是流体性质的，属于机器热力性能故障，主要表现为机器工作时排气量不足，排气压力异常、温度异常及级间压力、温度异常等；另一类是机械性质的，属于机械性能故障，主要表现为机器运行时异常的响声、振动和过热等。压缩机的故障诊断过程是一个十分复杂的映射关系，它的故障现象、产生原因多种多样，部位各不相同；同一故障可由不同的部件引起，同一部件又可以引起不同的故障；同一故障可采用多种诊断方法，同一诊断方法又可以适用于不同的故障。要有效的进行故障诊断就要根据不同故障的特点，采用不同的故障诊断方法，选择合适的信号采集位置。图3-7压缩机组故障诊断测点位置示意图3.5.2压缩机的热力性能故障及其信号采样分析方法压缩机的热力性能故障，如排气量不足、压力不正常、温度异常等，比机械性能故障发生的更为频繁，这也是压缩机的故障诊断与旋转机械相比所特有的一面。参数法对于诊断压缩机的热力性能故障较为有效。参数法是通过测定机器的各项性能参数值，将这些数据进行处理，然后同基准参数参考数值相比较，得出分析结果f如偏高、偏低、过高、过低)，从而可以诊断出机器在整体性能方面或零部件性能方面存在的故障，并进一步分析判断其故障部位和预测故障发展趋势的技术。本系统选择参数法作为压缩机热力性能故障的诊断方法，因此其诊断信号的采样位置就要依据参数法所需的参数来进行选择。诊断压缩机热力性能故障的方法有排气量异常理论；级间压力、气量、温度异常理论；排气温度异常理论3种，分别涉及不同的采样参数。3.5.3压缩机的机械性能故障及其信号采样分析方法压缩机的机械性能故障主要表现为异常的响声、振动及过热等。可能的产生原因有：转子不平衡，半速涡动及油膜振荡、转子不对中、共振、部件松动、转子与定子摩擦、转子结构缺陷与裂纹、轴承缺陷等。振声法对于诊断压缩机的机械性能故障较为有效。振声法就是通过对机器外部的振动信号、噪声信号的测量分析来监测其内部的状态变化，并在此基础上诊断故障原因、部位、程度、性质和发展趋势的方法。通常情况下故障都能够反映在振动信号谱图的相应频率分量上，即都有其特殊的故障征兆。这些征兆有1／3倍频、1／2倍频、工频、2倍频、3倍频等，因此可以通过采样不同监测位置的振动信号的方法来进行压缩机机械性能故障的分析和诊断。振动信号的分析方法十分繁多，包括了时域、频域和时一频域信号分析方法，但实际上都是由为数不多的几种基本方法，如统计分析、FFI、分析及时序建模等方法经适当的组合变换而来。本项目设计开发了功率谱分析、相关分析、能量分析、包络谱分析、数据回放等常用的压缩机故障诊断分析子模块，利用振动信号进行状态监测和故障诊断，同时兼有温度和压力信号的实时监测和越限报警的功能。3.5.4仿真测试本研究所选用的数据来源于中石油某石化企业2010年发生的一起拉缸故障(往复式压缩机活塞与气缸内壁磨损图如图1所示)，该机组安装有BH5000R往复压缩机在线监测系统，机组已安装检测十字头冲击的加速度传感器。本研究将8个特征参数两两组合，分别作为轴、y轴的值，得到XY图(如图2～7所示)。本研究将数据进行PCA处理后，提取影响系数最大的两组数据作为新得到的特征参数，并反映在XY图中(如图7所示)。图3-8特征参数组合图之一图3-9特征参数组合图之二图3-10特征参数组合图之三图3-11特征参数组合图之四图3-12特征参数组合图之五图3-13特征参数组合图之六图3-14特征参数组合图之七以上比较分析结果说明，对数据进行主成分分析(PCA)~够有效反映设备的运行状态，并能很好地实现拉缸故障的早期预警，同时解决了对特征参数的选择问题。总结基于GPRS的远程监控与故障诊断技术和系统是目前国内的研究热点。依托我国无线通讯技术的迅猛发展和无线网络的覆盖面及普及率，国内的研究与国外同步。对大型工程机械、数控机床、油田以及水电抄表等单一领域基于GPRS的远程状态监控与故障诊断系统已有研究报导。本研究通过控制嵌入式数据传输单元DTU的成本，注重监控诊断与技术服务平台上面向用户的状态监控与故障诊断系统的实用性，使压缩机远程监控服务中心成为企业数字化管理、品牌服务的窗口，研究的应用推广必将有广阔的市场前景和可观的经济价值，并具有良好的社会效益。在设计上也还有很多潜力可以挖掘。压缩机设备监控与故障诊断服务系统是本设计的关键，其如果采用振声法方法与其他方法相结合进行预警，对预警控制效果会更好，但由于个人的能力有限问题并未实行。本次设计是对我大学四年里所学的知识进行一次综合的利用。在设计中，涉及到了许多知识，几乎涵盖了我在大学所学的所有知识，其中包括单片机，温度控制，电子技术，传感器等多领域知识。通过这次的设计，让我学