（化工過程機(jī)械專業(yè)論文）動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷信號采集系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用.pdf

學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 中圖分類號 t k l 學(xué)科分類號4 7 0 3 0 9 9 論文編號 1 0 0 10 2 0 11 0 6 7 8 密級公開 學(xué)位授予單位代碼 1 0 0 1 0 學(xué)位授予單位名稱北京化工大學(xué) 作者姓名徐水軍學(xué)號 2 0 0 8 0 0 0 6 7 8 獲學(xué)位專業(yè)名稱化工過程機(jī)械獲學(xué)位專業(yè)代碼 0 8 0 7 0 6 課題來源國家8 6 3 計劃研究方向動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究 論文題目動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷信號采集系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用 關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集，整周期，重采樣，狀態(tài)監(jiān)測，沖擊次數(shù)，斷網(wǎng)保存 論文答辯日期 2 0 1 1 年5 月2 6 日奎論文類型 開發(fā)研究 學(xué)位論文評閱及答辯委員會情況 姓名職稱 工作單位學(xué)科專長 指導(dǎo)教師高金吉教授北京化：【= 大學(xué)設(shè)備診斷與故障自愈工程 指導(dǎo)教師江志農(nóng)研究員北京化工大學(xué)設(shè)備故障與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控 評閱人l何立東研究員北京化工大學(xué)動力機(jī)械 北京昆侖天辰儀表 評閱人2 吳海琦高級工程師自控 科技有限公司 評閱人3 評閱人4 評閱人5 答辯委員會主席 何立東研究員北京化工大學(xué)動力機(jī)械 答辯委員1 楊國安教授北京化上人學(xué)動力機(jī)械 北京昆侖天辰儀表 答辯委員2吳海琦高級1 ：程師臼控 科技有限公司 答辯委員3楊劍鋒研究員北京化l ：人學(xué)安全分析評價 答辯委員4干維民 副研究員北京化1 ：人學(xué)故障診斷 答辯委員5馬波副研究員北京化工大學(xué)故障診斷 注：一論文類型：1 基礎(chǔ)研究2 應(yīng)用研究3 開發(fā)研究4 其它 二中圖分類號在中國圖書資料分類法查詢。 三學(xué)科分類號在中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)( g b 廠r1 3 7 4 5 9 ) 學(xué)科分類與代碼中查詢。 四論文編號由單位代碼和年份及學(xué)號的后四位組成。 3刪0 堇堇弛刪8 腳1胂y 摘要 動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷信號采集系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用 摘要 近年來狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在石化、電力行業(yè)得到快速推廣，大大提高了 設(shè)備的穩(wěn)定性，有效推進(jìn)了狀態(tài)監(jiān)測維修技術(shù)的發(fā)展。信號采集處于狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的前端，其準(zhǔn)確性與可靠性直接關(guān)系著整套系統(tǒng)的性能，因 此對信號采集技術(shù)的研究十分必要。 本課題論述了信號采集系統(tǒng)的整體框架、處理邏輯和現(xiàn)場應(yīng)用，并 開發(fā)了支持旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械和風(fēng)電機(jī)泵等動設(shè)備的信號采集系統(tǒng)。 信號采集系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將系統(tǒng)功能進(jìn)行合理的分類，對相似 功能模塊進(jìn)行抽象，并通過w i n d o w s 事件機(jī)制實現(xiàn)了信號采集、數(shù)據(jù) 處理和數(shù)據(jù)發(fā)送三大線程的并行處理。 在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文對信號采集系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技 術(shù)進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的進(jìn)展。在信號采集方面，系統(tǒng)融入 了觸發(fā)采集、整周期重采樣、采樣頻率修正和虛擬采樣頻率技術(shù)；在信 號處理方面，系統(tǒng)支持日常數(shù)據(jù)和啟停車數(shù)據(jù)處理，拓展了虛擬通道處 理和相位補(bǔ)償技術(shù)；在數(shù)據(jù)發(fā)送方面，系統(tǒng)可以發(fā)送日常數(shù)據(jù)、啟停車 數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并且允許斷網(wǎng)保存及斷網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送。 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)被成功推廣到石化、煉化、海上石油鉆井平臺和風(fēng)力 發(fā)電場，實踐證明，信號采集系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性與可靠性。 關(guān)鍵詞：信號采集，整周期重采樣，沖擊次數(shù)，狀態(tài)監(jiān)測，斷網(wǎng)保存 北京化工人學(xué)碩。 ：學(xué)位論文 摘要 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h es i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m f o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i so nm o v i n ge q u i p m e n t s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o m o t e d r a p i d l yi nt h ep e t r o c h e m i c a la n dp o w e ri n d u s t r y i tg r e a t l yi m p r o v e st h e s t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n ta n dh a se f f e c t i v e l yp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to f c o n d i t i o nm o n i t o r i n gm a i n t e n a n c et e c h n o l o g y s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m w o r k sa tt h ef r o n tp a r to ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n di t sa c c u r a c y a n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r e s y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h es i g n a la c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t h i st o p i cd i s c u s s e st h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m so v e r a l lf r a m e w o r k a n dp r o c e s s i n gl o g i c a n di th a sc o m p l e t e dt h ed 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 ns y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r y , r e c i p r o c a t i n gm a c h i n e r y , w i n d t u r b i n ea n dp u m p t h es y s t e mu s e st h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yt o c l a s s i f yt h ev a r i o u sf u n c t i o n sa n da b s t r a c t st h es i m i l a rf u n c t i o nm o d u l e s b y t h eu s eo fw i n d o w se v e n tm e c h a n i s m ，i ta c h i e v e sp a r a l l e lp r o c e s s i n gf o r s i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o n i i i 北京化t 人學(xué)碩1 ：學(xué)位論文 b a s e do nt h e p r e v i o u sr e s e a r c h ，t h e a r t i c l es t u d i e ss o m e k e y t e c h n o l o g i e sf o rs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e ma n dh a so b t a i n e ds o m er e s u l t s i n s i g n a la c q u i s i t i o n ，s o m et e c h n o l o g i e sa r ea d d e di n t ot h es y s t e m ，s u c ha s t r i g g e r e da c q u i s i t i o n ，f u l lp e r i o dr e s a m p l i n g ，c o r r e c t i o no fs a m p l i n g f r e q u e n c ya n dv i r t u a ls a m p l i n gf r e q u e n c y i nd a t ap r o c e s s i n g ，t h es y s t e mn o t o n l ys u p p o r t sf o rn o r m a ld a t aa n ds t a r t - u p a n d - d o w nd a t ap r o c e s s i n g ，b u t a l s oe x t e n d st h ef u n c t i o no fv i r t u a lc h a n n e l p r o c e s s i n g a n d p h a s e c o m p e n s a t i o n i nd a t at r a n s m i s s i o n ，t h es y s t e mc a ns e n dn o r m a ld a t a ， s t a r t - u p - a n d d o w nd a t aa n ds y s t e ms t a t u s i tc a l lp r e s e r v el o s t n e td a t a a n ds e n di tw h e nt h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mi sr e s o l v e d c o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m h a sb e e n s u c c e s s f u l l ye x t e n d e d t ot h e p e t r o c h e m i c a l ，r e f i n i n g ，o f f s h o r eo i ld r i l l i n gp l a t f o r m sa n dw i n df a r m s i t h a sp r o v e dt h a tt h es i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sg o o da c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：s i g n a la c q u i s i t i o n ，f u l lp e r i o dr e - s a m p l i n g ，i m p a c tn u m b e r , c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，l o s t n e t - s a v i n g 目錄 目錄 第一章緒論1 1 1 課題背景和研究意義1 1 1 1 課題背景1 1 1 2 研究意義1 1 2 國內(nèi)外狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)的發(fā)展2 1 3 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 1 4 論文的主要研究內(nèi)容4 第二章信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計5 2 1 信號采集系統(tǒng)框架正 2 2 系統(tǒng)硬件概述8 2 2 1 傳感器8 2 2 2 信號調(diào)理卡8 2 2 3 數(shù)據(jù)采集卡1 0 2 2 4 數(shù)采器。1 1 2 2 5 耐溫測試。1 1 2 3 開發(fā)平臺的選擇。13 第三章信號采集技術(shù)。1 5 3 1 實際采集。l 5 3 1 1 基本概念及定理1 5 3 1 2 實際采集流程17 3 1 3 采樣信息配置18 3 1 4 觸發(fā)采樣1 9 3 1 5 轉(zhuǎn)速采集2 0 3 1 5 1 有鍵相測速2 l 3 1 5 2 無鍵相測速2 l 3 1 6 信號還原。2 2 3 1 7 整周期重采樣2 3 v 北京化工人學(xué)碩上學(xué)位論文 3 3 3 3 3 1 1 2 2 2 7 1 技術(shù)方案 7 2 仿真實驗 虛擬采集 l 仿真信號 2 數(shù)據(jù)回放 2 3 2 5 2 8 2 8 2 9 第四章信號處理技術(shù)3 1 4 1 日常信號處理。3 1 4 1 1r 常信號處理流程3 2 4 1 2 時域分析3 3 4 1 3 頻域分析3 4 4 1 4 相位補(bǔ)償。3 4 4 1 5 沖擊次數(shù)3 5 4 1 5 1 沖擊信號提取。3 6 4 1 5 2 門限自學(xué)習(xí)。3 7 4 1 5 3 沖擊次數(shù)計算3 8 4 1 5 4 沖擊診斷實驗3 9 4 1 6 活塞桿載荷4 1 4 1 6 1 力學(xué)原理4 l 4 1 6 2 系統(tǒng)實現(xiàn)4 3 4 2 啟停車信號處理4 4 4 2 1 設(shè)計思路4 5 4 2 2 啟停車處理邏輯4 5 4 2 3 啟停車模塊驗證4 7 第五章數(shù)據(jù)通訊及斷網(wǎng)保存技術(shù)4 9 5 1 通訊機(jī)制4 9 5 2 實時數(shù)據(jù)發(fā)送及斷網(wǎng)保存5 0 5 2 1 數(shù)據(jù)庫介紹5 0 5 2 2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。51 5 2 3 日常數(shù)據(jù)發(fā)送及斷網(wǎng)保存51 5 2 4 啟停車數(shù)據(jù)發(fā)送及斷網(wǎng)保存5 2 5 3 斷網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送5 3 v i 目錄 5 3 1 斷網(wǎng)同常數(shù)據(jù)發(fā)送5 4 5 3 2 斷網(wǎng)啟停車數(shù)據(jù)發(fā)送5 4 5 4 狀態(tài)發(fā)送5 5 第六章應(yīng)用案例、總結(jié)與展望5 7 6 1 應(yīng)用案例5 7 6 1 1 機(jī)組概述與測點(diǎn)布置5 7 6 1 2 葉片脫落5 8 6 2 總結(jié)6 0 6 3 展望6 0 參考文獻(xiàn)6 1 致謝6 3 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文6 5 作者簡介6 7 v i i 北京化t 人學(xué)碩一l j 學(xué)位論文 v i co n t e n t s c h a p t e r ii n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e l 1 1 1b a c k g r o u n d ”1 1 1 2s i g n i f i c a n c e ”1 1 21 1 1 觚a t i o n a ls t a ：t u so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i ct e c h n o l o g y ”2 1 3s t r u c t l l r eo f r e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m “3 1 4m a i nc o n t e n t 4 c h a p t e r2o v e r a l ld e s i g no fs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m 5 2 1f r a m e w o r ko fs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m o 2 2o v e r v i e wo fs y s t e m sd e v i c e s 8 2 2 1s e n s o r s 8 2 2 2s i g n a lc o n d i t i o n i n gc a r d 8 2 2 3d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 1 0 2 2 4d a t aa c q u i s i t i o nb o x 一11 2 2 5t e m p e r a t u r et e s t ”1 1 2 3c h o i c eo fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m - 1 3 c h a p t e r 3s i g n a la c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y 1 5 3 1a c t u a la c q u i s i t i o n 1 5 3 1 1b a s i cc o n c e p t sa n dt h e o r e m s 1 5 3 1 2p r o c e s so f a c t u a la c q u i s i t i o n 1 7 3 1 3c o n f i g u r a t i o no f s a m p l ei n f o r m a t i o n 1 8 3 1 4t r i g g e rs a m p l i n g 1 9 3 1 5s p e e dt e s t 2 0 3 1 5 1s p e e dt e s tw i t hk e y - p h a s e “2 1 3 1 5 2s p e e dt e s tw i t h o u tk e y - p h a s e 2 1 3 1 6s i g n a lr e d u c t i o n 2 2 3 1 7f u l lp e r i o dr e s a m p l i n g 2 3 3 1 7 1t e c h n i c a lp r o g r a m 2 3 i x ! ! 塞些三叁堂堡生蘭垡堡奎 一一 一一 3 1 7 2s i m u l a t i o n 。2 5 3 2v i r m a lc o l l e c t i o n 2 8 3 2 1s i g n a ls i m u l a t i o n 2 8 3 2 2d a t ap l a y b a c k 2 9 c h a p t e r4s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 3 1 4 1n o r m a ls i g n a lp r o c e s s i n g 3 1 4 1 1f l o wc h a r to fn o r m a ls i g n a lp r o c e s s i n g ”3 2 4 1 2t i m ed o m a i na n a l y s i s 3 3 4 1 3f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s 3 4 4 1 4p h a s ec o m p e n s a t i o n 。3 4 4 1 5i m p a c tn u m b e r 3 5 4 1 5 1i m p a c ts i g n a la c q u i s i t i o no nc r o s s h e a d 3 6 4 1 5 2t h r e s h o l ds e l f - l e a r n i n g 3 7 4 1 5 3i m p a c tn u m b e rc a l c u l a t i o n 3 8 4 1 5 4i m p a c tt e s t 。3 9 4 1 6r o dl o a d 4 l 4 1 6 1m e c h a n i c s 4 1 4 1 6 2s y s t e mp r o c e s s 4 3 4 2s t a r t u p a n d d o w ns i g n a lp r o c e s s i n g 4 4 4 2 1d e s i g ni d e a s 一4 5 4 2 2p r o c e s s i n gl o g i c 4 5 4 2 3v a l i da ：t i o n 4 7 c h a p t e r 5d a t ac o m m u n i c a t i o na n dl o s t - n e td a t as a v i n gt e c h n o l o g y 4 9 5 1c o m m l l n j c a t i o nm e c h a n i s m s 4 9 5 2r e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o na n dl o s t - n e td a t as a v i n g 5 0 5 2 1d a t a b a s ed e s c r i p t i o n ”5 0 5 2 2d a t a b a s es m l c t i l r e 5 1 5 2 3n o n n a ld a t at r a n s m i s s i o na n ds a v i n g 5 1 5 2 4s t a r t - u p - a n d - d o w nd a t at r a n s m i s s i o na n ds a v i n g 5 2 5 3l o s t - n e td a t at r a n s m i s s i o n 5 3 5 x r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s 6 5 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o r 6 7 北京化工人學(xué)碩：l 學(xué)位論文 i 第一章緒論 1 1 課題背景和研究意義 1 1 1 課題背景 第一章緒論 隨著工業(yè)化程度的提高，動設(shè)備的應(yīng)用越來越廣，這些設(shè)備在石化、電力等 行業(yè)起著至關(guān)重要的作用，它們的高效、穩(wěn)定運(yùn)行是企業(yè)最為關(guān)心的問題。然而 由于機(jī)組長期工作在高負(fù)荷條件下，如果故障未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，將會導(dǎo)致設(shè) 備損壞，嚴(yán)重時會出現(xiàn)車間停產(chǎn)，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性事故。 目前，我國的危險化學(xué)品生產(chǎn)安全形勢比較嚴(yán)峻，調(diào)研表明，危險化學(xué)品重 大生產(chǎn)事故大都屬于小概率大危害事故，約7 0 的事故與人員失誤有關(guān)【l 】。據(jù)統(tǒng) 計，中國在1 9 7 7 年和1 9 8 7 年投產(chǎn)的6 7 個大化肥廠中，僅在這兩年內(nèi)由于故障 停機(jī)損失的化肥產(chǎn)量，相當(dāng)于一個大型化肥廠的全年產(chǎn)量，主要原因是對初期引 進(jìn)裝置的技術(shù)管理水平不高，缺乏設(shè)備故障診斷知識和手段；2 0 世紀(jì)8 0 年代中國 發(fā)生兩起2 0 0 m w 汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組破壞性事故，其中一臺機(jī)組由于劇烈振動，轉(zhuǎn)子 斷成7 段，聯(lián)軸節(jié)飛出廠房，機(jī)組遭到徹底破壞【2 】。 當(dāng)前我國風(fēng)電行業(yè)處于高速發(fā)展時期，但是也存在著很多安全隱患，僅2 0 1 0 年就出現(xiàn)多起重大事故，如2 0 1 0 年1 月2 0 日，大唐左云項目的風(fēng)機(jī)倒塌；2 0 1 0 年1 月2 4 日，東汽風(fēng)機(jī)在華能寶龍山風(fēng)場燒毀；2 0 1 0 年4 月2 日，蘇司蘭風(fēng)機(jī)在 內(nèi)蒙巴音錫勒風(fēng)場著火；2 0 1 0 年7 月，丹東海洋紅風(fēng)電場8 號風(fēng)機(jī)齒輪箱異常； 2 0 1 0 年8 月，甘肅瓜州在建風(fēng)機(jī)組發(fā)生倒塌。 因此，對動設(shè)備實施狀態(tài)監(jiān)測，研究故障機(jī)理，減少故障停機(jī)損失，避免機(jī) 毀人亡事故是非常必要的。 1 1 2 研究意義 為保證動設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行，傳統(tǒng)采用定期維修的方法，然而這種方法普 遍存在“維修不足”或“過剩維修”的現(xiàn)象，甚至造成“維修性故障”的問題【3 】。 隨著機(jī)組復(fù)雜性地不斷增加，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、診斷、維修與保障的要求也越來越 高，根據(jù)先兆，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測維修或預(yù)知性維修，保證機(jī)組的健康高效運(yùn)行，防 止突發(fā)故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約維修費(fèi)用，避免設(shè)備事故 4 1 。 信號采集作為狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的前端，其主要功能是通過傳感器將現(xiàn)場 物理信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)過調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號，并由計算機(jī)進(jìn)行處理、存儲、發(fā)送【5 j 。信號采集的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響監(jiān) 北京化工人學(xué)碩：學(xué)位論文 測診斷系統(tǒng)的整體性能，是狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，因此對于信號采集 系統(tǒng)的研究十分必要，并且有著廣闊的應(yīng)用前景。 1 2 國內(nèi)外狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)的發(fā)展 狀態(tài)監(jiān)測與診斷是一個多學(xué)科多行業(yè)交叉的研究方向，隨著信息技術(shù)、計算 機(jī)技術(shù)、人工智能、專家系統(tǒng)以及機(jī)械故障機(jī)理研究的深入和發(fā)展，新的技術(shù)不 斷地被移植、應(yīng)用到狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷之中【6 】。機(jī)械故障診斷方法根據(jù)測試手段 可以分為直接觀察法、振動噪聲測定法、無損檢測法、磨損殘余物測定法等【7 1 。 近4 0 多年來，監(jiān)測與診斷系統(tǒng)無論是在理論研究還是在實際應(yīng)用方面都取得 了巨大的進(jìn)展，尤其是在監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與研制方面成績斐然。早在2 0 世紀(jì)6 0 年代末，美國宇航局首先推出了機(jī)械故障診斷研究；2 0 世紀(jì)7 0 年代，國外學(xué)者將 狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)推廣到實用化階段；到了2 0 世紀(jì)8 0 年代中期，計算機(jī)的應(yīng) 用使機(jī)械故障診斷技術(shù)得到迅猛發(fā)展，計算機(jī)輔助監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)逐漸走向 商業(yè)化階段；2 0 世紀(jì)9 0 年代中期以后，現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 實現(xiàn)了完美的融合，誕生了基于i n t e m e t 的遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)【8 - 9 1 。 在眾多從事在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究的機(jī)構(gòu)和企業(yè)中，b e n t l y 長期處于此領(lǐng)域 的前沿，在過去的5 0 多年里，b e n t l y 已成為了先進(jìn)的機(jī)械保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的 代名詞，并且已成為了先進(jìn)、高質(zhì)量機(jī)械監(jiān)測解決方案的專家，從而幫助客戶優(yōu) 化工廠安全性、最大程度保障設(shè)備無故障運(yùn)行，最終有效地提高生產(chǎn)效率。 8 0 年代中后期以來，國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)探索和嘗試，在理論研 究和現(xiàn)場應(yīng)用方面都取得了突破，并成功開發(fā)出狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。比較有代 表性的是北京化工大學(xué)的b h 5 0 0 0 在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供一整套從傳感器現(xiàn) 場安裝到i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案，可應(yīng)用于防爆廠區(qū)，能滿足用戶監(jiān) 測、診斷、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理和開展?fàn)顟B(tài)維修的需求。 對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，b h 5 0 0 0 系統(tǒng)可以靈活可靠地監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括 歷史和實時兩種方式。實時監(jiān)測部分，可以在機(jī)器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)( 啟停車) 工況下 提供數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測、分析、診斷功能；歷史監(jiān)測部分，可以方便、靈活地對過 去的任意時間段做任意測點(diǎn)的各種圖譜比較、分析和診斷，幫助了解目前運(yùn)行狀 態(tài)和設(shè)備歷史狀態(tài)，為精確判斷和診斷設(shè)備故障提供必要的依據(jù)；對于往復(fù)機(jī)械， b h 5 0 0 0 系統(tǒng)通過振動監(jiān)測、動態(tài)壓力監(jiān)測、緩變量監(jiān)測手段，可以實現(xiàn)往復(fù)壓縮 機(jī)全方位、多參數(shù)監(jiān)測分析與診斷，保證設(shè)備能夠在透明的狀態(tài)下運(yùn)行。 2 第一章緒論 1 3 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 振動信號監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要分為離線和在線系統(tǒng)，對于關(guān)鍵機(jī)組，一般采 用在線系統(tǒng)【l0 1 。在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)由電子技術(shù)、測試技術(shù)、通訊技術(shù)等綜合構(gòu) 成，專業(yè)人員可獲取設(shè)備的實時以及歷史工況信息，包括機(jī)組頻譜相位信息，啟 停車分析，報表分析，專家系統(tǒng)等多種功能，且能長時間保存機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。 在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了單機(jī)式和分布式遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩類。單機(jī)式系統(tǒng)雖具 有較好的實時性和可靠性，但不利于信息共享；分布式遠(yuǎn)程系統(tǒng)雖然解決了信息 共享的問題，但又影響了實時性和數(shù)據(jù)傳輸性，為了克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，出現(xiàn) 了當(dāng)前比較流行的基于中間件技術(shù)的分布式系紺【1 卜乃j 。 圖1 - 1 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) f i g 1 - 1s t r u c t u r eo ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m 本課題所研究的狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示。根據(jù)數(shù)據(jù)流向， 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng)：信號采集系統(tǒng)、中間件應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)、客 戶監(jiān)測與診斷系統(tǒng)【1 4 1 。此三個子系統(tǒng)完成了對現(xiàn)場機(jī)組的信號采集與處理、數(shù)據(jù) 保存與發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)測與診斷等功能，并且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作和遠(yuǎn)程會診，指導(dǎo) 現(xiàn)場生產(chǎn)和維修。 3 蘭 北京化_ t 大學(xué)碩 ：學(xué)位論文 1 4 論文的主要研究內(nèi)容 本論文主要研究在線監(jiān)測與診斷系信號采集系統(tǒng)，包括信號采集、簡易特征 值處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和斷網(wǎng)保存，并完成了信號采集系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試及優(yōu)化工作。 信號采集系統(tǒng)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)實驗臺和往復(fù)壓縮機(jī)實驗臺的測試與改進(jìn)，成功推廣到石 化、煉化、海上石油鉆井平臺及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的在線監(jiān)測與診斷應(yīng)用中。本論文 主要研發(fā)的內(nèi)容如下： 1 信號采集 信號采集系統(tǒng)主要采集電壓和頻率信號，并且采集過程可以由外部鍵相信號 觸發(fā)或軟件定時觸發(fā)。為了減小頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，提高信號特征值處理精度， 采集模塊中添加了整周期重采樣功能；為了在各種轉(zhuǎn)速下有足夠的頻域分辨率分 析故障信號，采集模塊實現(xiàn)了采樣頻率隨轉(zhuǎn)速實時調(diào)整；為了實現(xiàn)不同測點(diǎn)擁有 不同的采樣頻率，采集模塊添加了軟件抗混疊低通濾波及重采樣功能。 2 數(shù)據(jù)處理 信號采集系統(tǒng)主要對現(xiàn)場信號進(jìn)行預(yù)處理及特征值計算。為了解決因數(shù)據(jù)采 集卡循環(huán)采樣產(chǎn)生的相位誤差，系統(tǒng)對測點(diǎn)的相位特征值進(jìn)行補(bǔ)償；為了提高經(jīng) 濟(jì)性指標(biāo)，系統(tǒng)預(yù)處理模塊添加虛擬通道技術(shù)，使單個傳感器實現(xiàn)多種功能；為 了完整記錄旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程，系統(tǒng)專門設(shè)置啟停車處理模塊，設(shè)置啟停車隊 列。 3 數(shù)據(jù)發(fā)送 發(fā)送的數(shù)據(jù)按時間可以分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)類型可以分為日常 數(shù)據(jù)和啟停車數(shù)據(jù)。為了便于排除數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身異常，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊不僅要 將所有測點(diǎn)的波形和特征值發(fā)送至上層服務(wù)器，也需要發(fā)送信號采集系統(tǒng)的硬件 和軟件狀態(tài)信息。 4 斷網(wǎng)保存 數(shù)據(jù)發(fā)送時，會存在網(wǎng)絡(luò)不暢的情況，信號采集系統(tǒng)運(yùn)用斷網(wǎng)保存技術(shù)保障 現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠完整的發(fā)送至上層中間件服務(wù)器。 4 第二章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計 第二章信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計 信號采集作為一門多學(xué)科交叉的綜合應(yīng)用技術(shù)，是監(jiān)測與診斷技術(shù)的重要組 成部分。隨著監(jiān)測與診斷系統(tǒng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，信號采集技術(shù)也得到飛速發(fā)展。 信號采集處于狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的前端，主要是指從傳感器或二次儀表等被測 單元中采集信號的過程【1 5 , 1 6 。 本課題所研究的信號采集系統(tǒng)是基于p c 平臺，通過軟件與硬件相結(jié)合，實現(xiàn) 信號的自動化采集、處理和發(fā)送。信號采集系統(tǒng)可分為：現(xiàn)場信號、傳感器、二 次儀表、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、驅(qū)動軟件和應(yīng)用程序，信號采集系統(tǒng)總 體結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 敬宋配筲叻下 、， 極掘累糍軟鋒 ”j i ”l “j i4 ”：遙；i l 羹越l 。i ：遙 毫一一 ”“ 己：景：”，； 籮：一琴“： ” m 糍j 葡 一一- 爹一瑟 繳歉 簌 逸冒 籌峨。翟 ，。j ：。4 ， 剛國l 蓉 p c i 數(shù)葫采集扣、u s b 數(shù)搬聚餐kv1 0 4 數(shù)搦震褒# 窩上圓 圈圉國 圉 國 圈圈圈 圖 圈 圖2 - 1 信號采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) f 蟾2 ls 仇l c t u 他o f t h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m 5 北京化工人學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 信號采集系統(tǒng)框架 信號采集系統(tǒng)是本課題的工作重點(diǎn)，主程序包括信號采集、信號處理和數(shù)據(jù) 發(fā)送三大線程，并通過w i n d o w s 事件機(jī)制使三大主線程并行執(zhí)行【1 1 7 1 。信號采集系 統(tǒng)啟動時需要讀取設(shè)備信息、測點(diǎn)信息、采樣信息和通訊信息。為了便于配置， 專門為信號采集系統(tǒng)設(shè)計了配置助手，配置助手從設(shè)備組態(tài)軟件生成的數(shù)據(jù)庫中 同步設(shè)備信息和測點(diǎn)信息，并添加采集信息和通訊信息。信號采集系統(tǒng)的框架如 圖2 2 所示。 l 程序啟動 l l l 讀取配霞怡息 i 俯愆 俯息、測點(diǎn)信息 圖2 - 2 信號采集系統(tǒng)框架 f i g 2 2a r c h i t e c t u r eo ft h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m 數(shù)據(jù)采集模塊可以進(jìn)行實際采集和虛擬采集功能，虛擬采集包括數(shù)據(jù)回放和 信號仿真；數(shù)據(jù)處理模塊可以進(jìn)行多種測點(diǎn)類型的處理，包括徑向振動測點(diǎn)、軸 向振動測點(diǎn)、動態(tài)壓力測點(diǎn)、活塞桿載荷測點(diǎn)、缸體振動測點(diǎn)、撞擊次數(shù)測點(diǎn)和 溫度測點(diǎn)，且根據(jù)設(shè)備類型自動調(diào)節(jié)測點(diǎn)的處理算法；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊可并行發(fā)送 實時數(shù)據(jù)、啟停車數(shù)據(jù)、斷網(wǎng)保存數(shù)據(jù)和軟件運(yùn)行狀態(tài)。 從信號采集系統(tǒng)的上述功能來看，各個模塊界限清晰，適合使用面向?qū)ο蠹?術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行合理的分解。面向?qū)ο笫菑默F(xiàn)實世界中客觀存在的事物出發(fā)來構(gòu)造 軟件系統(tǒng)，并在系統(tǒng)構(gòu)造中盡可能運(yùn)用人類的自然思維方式來思考問題，認(rèn)識 6 第二章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計 問題，并根據(jù)事物本質(zhì)，把它們抽象為系統(tǒng)中的對象，作為系統(tǒng)的基本構(gòu)成單 位【1 7 19 1 。通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)將相似功能抽象為類，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。 信號采集系統(tǒng)定義了設(shè)備類( c p l a n t ) ，其對象g 用于存放設(shè)備的機(jī)組信_plant 息、測點(diǎn)信息和各類數(shù)據(jù)，它作為公用數(shù)據(jù)區(qū)與其它的各個對象進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， 是整個軟件的核心。t h e a p p 是主程序類的對象，在程序初始化時從硬盤讀取設(shè)備 信息、測點(diǎn)信息、采集信息、通訊信息，進(jìn)而對gp l a n t 對象做初始化處理；數(shù)據(jù) 采集類( c d a t a c o l l e c t o r ) 的對象gp c o l l e c t o r 實現(xiàn)實際采集、數(shù)據(jù)回放或信號仿 真的功能；數(shù)據(jù)處理類( c d a t a p r o c e s s o r ) 的對象gp p r o c e s s o r 專門負(fù)責(zé)對從數(shù)據(jù) 采集卡獲取的原始數(shù)據(jù)做預(yù)處理和特征值計算；啟停車處理類( c s u d j u d g e ) 的 對象g j u d g e 負(fù)責(zé)啟停車過程判斷、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)存入隊列處理；數(shù)據(jù)通信類 ( c d a t a c o m m ) 的對象g，專門負(fù)責(zé)向中間件發(fā)送實時數(shù)據(jù)、啟停車數(shù)據(jù)_pcomm 和軟件運(yùn)行狀態(tài)，另一個對象g負(fù)責(zé)發(fā)送斷網(wǎng)時保存的日常數(shù)據(jù)_plostnetcomm 和啟停車數(shù)據(jù)。除此之外，還有程序窗口對象，負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)采集軟件信息、設(shè) 備信息、測點(diǎn)信息、采樣信息、特征值、信號原始波形、預(yù)處理后的波形及頻譜 等等。這樣，如果需要添加新需求，只需變更相應(yīng)功能模塊即可，維護(hù)成本低， 系統(tǒng)擴(kuò)展方便。 信號采集系統(tǒng)的工作時序是這樣的：主進(jìn)程啟動時，首先初始化t h e a p p 對象， 然后再由t h e a p p 對象對g和窗