基于TCP/IP的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)

張立利++金路++廖明夫

摘 要：開發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，采用C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其除了具備傳統(tǒng)的時(shí)域和頻譜分析功能以外，還具備基于轉(zhuǎn)子軸心軌跡的測試和分析功能，并以一、二和三階正、反進(jìn)動量作為特征量的監(jiān)測、診斷方法。通過在某燃?xì)鈴S使用1年多后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程故障診斷；旋轉(zhuǎn)機(jī)械；TCP/IP；C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.113

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是各種類型機(jī)械設(shè)備中數(shù)量較多、應(yīng)用非常廣泛的一類機(jī)械，比如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)會直接影響企業(yè)的生產(chǎn)過程，一旦出現(xiàn)重大故障，則會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性后果。振動在設(shè)備故障中占有很大比例，是影響設(shè)備運(yùn)行的重要因素之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)是一種了解旋轉(zhuǎn)設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)故障原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)，其能保證旋轉(zhuǎn)設(shè)備可靠、有效的運(yùn)行。

基于Internet和Intranet的遠(yuǎn)程故障診斷是近年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，是設(shè)備診斷技術(shù)與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。對于制造商而言，其為該產(chǎn)品提供了全球范圍內(nèi)的診斷和維修服務(wù)，大大降低了故障診斷、維修所需的費(fèi)用；對于設(shè)備使用方而言，可及時(shí)得到診斷和維修，避免了因故障而引起的損失，從而可保證正常生產(chǎn)。因此，深入開展遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的研究具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用意義和價(jià)值。

本文中開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)可將網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢充分應(yīng)用到振動監(jiān)測中，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組成部分分工明確，可實(shí)現(xiàn)資源共享?，F(xiàn)場監(jiān)測機(jī)負(fù)責(zé)采集、整理數(shù)據(jù)，服務(wù)器負(fù)責(zé)控制各監(jiān)測機(jī)并存儲數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)可使工程師在辦公室對各機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷，實(shí)現(xiàn)了專家經(jīng)驗(yàn)、知識與實(shí)時(shí)數(shù)采系統(tǒng)的結(jié)合，從而更加方便開展異地實(shí)時(shí)診斷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的主要因素有安全性、資源占用率、穩(wěn)定性和可移植性。網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)與服務(wù)器利用企業(yè)中的工業(yè)數(shù)采網(wǎng)連接，遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)與服務(wù)器利用企業(yè)網(wǎng)連接，均采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式，兩套網(wǎng)絡(luò)的連接相互獨(dú)立。工業(yè)數(shù)采網(wǎng)安全級別較高、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、與外界無直接的網(wǎng)絡(luò)連接，服務(wù)器軟、硬件配置均較好，只要配置合適的殺毒軟件和防火墻就可保證整個(gè)系統(tǒng)的安全；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分分工明確，可實(shí)現(xiàn)資源共享，保證了較高的資源占用率；各監(jiān)測機(jī)與服務(wù)器每隔10 s檢驗(yàn)一次與服務(wù)器的連接是否正常，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，則每5 s連接一次服務(wù)器，直到網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)正常，從而確保了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；在具備大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的企業(yè)中一般都裝有工業(yè)數(shù)采網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，即使沒有安裝，也可采用路由器或交換機(jī)組成這樣的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接基于通用的TCP/IP協(xié)議，具有良好的可移植性。

網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)軟件模塊劃分如圖2所示。其中，實(shí)心箭頭為控制流，空心箭頭為數(shù)據(jù)流，上方的方框?yàn)楝F(xiàn)場監(jiān)測軟件，中間的方框?yàn)榉?wù)器軟件，最下方的為遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件，其分別通過網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 系統(tǒng)的軟件模塊劃分

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測軟件

現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)使用工業(yè)計(jì)算機(jī)，安裝有現(xiàn)場監(jiān)測軟件。其分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)池、主程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊接收來自主程序的采集命令，并將采集到的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)池；數(shù)據(jù)池是程序?qū)ｉT開辟的存儲空間，用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供主程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊提取使用；主程序接收、處理、分析來自數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊與服務(wù)器軟件進(jìn)行交互控制；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊與服務(wù)器軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，同時(shí)，從服務(wù)器接收現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)收集到的控制信息。現(xiàn)場監(jiān)測軟件可獨(dú)立地分析測得的數(shù)據(jù)，并判斷機(jī)組狀態(tài)和診斷故障。

1.2 服務(wù)器軟件

該系統(tǒng)使用專業(yè)服務(wù)器，安裝有服務(wù)器軟件。其分為網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)池和主程序。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募~帶，服務(wù)器通過其控制各現(xiàn)場監(jiān)測軟件、獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)池負(fù)責(zé)存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供主程序和遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件提取。主程序接收、處理、分析和自動存儲來自數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)，并控制現(xiàn)場的監(jiān)測軟件。服務(wù)器的硬盤空間較大，可存儲海量數(shù)據(jù)，以供離線分析。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件

遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)對計(jì)算機(jī)沒有特殊要求，只需要在工程師的電腦上安裝遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件即可。其從服務(wù)器軟件獲取、分析、顯示來自所有現(xiàn)場監(jiān)測軟件的實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)。如果振動超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值則會報(bào)警。軟件有鑒定機(jī)組狀態(tài)的功能，可打印智能診斷報(bào)表。工程師在辦公室可通過該軟件了解遠(yuǎn)處各臺機(jī)組的運(yùn)行狀況，并指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)

監(jiān)測系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分除了服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)外，還有傳感器、信號調(diào)理器、采集卡和現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)；軟件部分由現(xiàn)場監(jiān)測軟件、服務(wù)器軟件和辦公室監(jiān)測軟件組成。

2.1 系統(tǒng)硬件部分

圖3為現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和傳輸流程。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感器可測量振動信號，如果有需要，也可使用溫度、壓力、流量或軸位移傳感器測量。轉(zhuǎn)速傳感器可測量轉(zhuǎn)速，該信號經(jīng)過信號調(diào)理器后成為TTL電平信號，可用其上升沿作為信號的采集觸發(fā)源，從而保證整周期采集，避免頻率泄露。

信號調(diào)理器是自行研制的設(shè)備，其作用是將測試信號與數(shù)據(jù)采集卡相匹配，起到放大、濾波、調(diào)理轉(zhuǎn)速信號、為傳感器供電等作用，其放置在現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)旁邊，通過特殊接口與插在現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)中的采集卡連接。采集卡的主要作用是根據(jù)軟件設(shè)定的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將傳感器測得的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號，即A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件主要根據(jù)運(yùn)行過程中的振動信號來監(jiān)測機(jī)器的運(yùn)行狀況，并根據(jù)振動信號的變化來診斷機(jī)器中的故障。以“面向故障特征，濃縮機(jī)器特征信息”為設(shè)計(jì)思想，將機(jī)器轉(zhuǎn)子運(yùn)動的正進(jìn)動和反進(jìn)動量（一、二和三階正、反進(jìn)動量和進(jìn)動比）作為故障特征量引入監(jiān)測系統(tǒng)。

一、二和三階正、反進(jìn)動量是能確切反映轉(zhuǎn)子主要振動故障的信息——不僅反映振動的幅值信息，還能反映振動的相位信息；并可作為監(jiān)測特征量，配合傳統(tǒng)的時(shí)域、頻譜分析，從而幫助工作人員更準(zhǔn)確地判斷轉(zhuǎn)子故障類型區(qū)，為工程師提供可靠的故障診斷依據(jù)。

該系統(tǒng)可幫助工程師診斷機(jī)器中可能出現(xiàn)的故障包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)軸裂紋、轉(zhuǎn)靜碰摩、轉(zhuǎn)子熱彎曲、葉片掉快、支承不對中、轉(zhuǎn)子失穩(wěn)、油膜渦動、油膜振蕩和喘振。

3 系統(tǒng)的監(jiān)測功能

系統(tǒng)的監(jiān)測功能分為穩(wěn)態(tài)分析、暫態(tài)分析和趨勢分析。這些監(jiān)測功能分布于現(xiàn)場監(jiān)測軟件、服務(wù)器軟件和辦公室監(jiān)測軟件中。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示用于分析機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和診斷故障的各種圖譜，比如時(shí)域波形、頻譜分析、相關(guān)分析、功率譜線、軸心軌跡、軸心進(jìn)動、全息分析和倒譜分析等，并可對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行三維頻譜分析；可測量轉(zhuǎn)速、振動量（或其他物理量，根據(jù)傳感器類型確定），并在軟件主界面中顯示。此外，還可顯示峰峰值、有效值、一階量、二階量和三階量等重要參數(shù)，從而保證工程師可隨時(shí)查看機(jī)組的運(yùn)行狀況。

如果振動值超過設(shè)定的報(bào)警門限，則會報(bào)警，同時(shí)，還可顯示信號突變的測點(diǎn)位置。報(bào)警后，系統(tǒng)將自動保存報(bào)警前4 s的數(shù)據(jù)和報(bào)警后10 s的數(shù)據(jù)，以方便故障分析。

該系統(tǒng)能動態(tài)刪除未報(bào)警的數(shù)據(jù)文件，以減小冗余數(shù)據(jù)量；保留一星期以內(nèi)的所有數(shù)據(jù)文件；每日定時(shí)按照軟件給定的時(shí)間間隔保留7 d前的一部分?jǐn)?shù)據(jù)文件，刪除多余文件；每年的1月1日將上一年的全部數(shù)據(jù)剪切出來，并新建文件夾備份文件，避免文件積累過多，進(jìn)而導(dǎo)致無法打開文件夾。

3.2 暫態(tài)分析

暫態(tài)分析主要起采集和分析啟、停機(jī)信息的作用。分析圖譜主要有增（減）速Bode圖、增（減）速軸心進(jìn)動圖、增（減）速諧波分析圖和增減（速）過程圖等。在過渡狀態(tài)下，振動信號中包含著豐富的機(jī)器狀態(tài)信息。過渡狀態(tài)的所有信息都可儲存，各種曲線和數(shù)值可隨時(shí)打印存檔。

3.3 趨勢分析

趨勢分析主要分析振動總量趨勢、軸心進(jìn)動趨勢和諧波振動趨勢，可實(shí)時(shí)顯示振動趨勢信息，也可在離線情況下通過選擇時(shí)間段查看對應(yīng)的各種振動趨勢。通過查看趨勢圖譜，可了解機(jī)器過去和現(xiàn)在運(yùn)行狀況的變化趨勢，便于分析故障和確定發(fā)生故障的時(shí)間。

4 系統(tǒng)監(jiān)測實(shí)例

該系統(tǒng)在某燃?xì)鈴S對其1#機(jī)組和4#機(jī)組中成功運(yùn)行1年多，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能完成預(yù)定的各項(xiàng)功能，即現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸，服務(wù)器的數(shù)據(jù)接收和傳輸，系統(tǒng)管理和系統(tǒng)控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)的異地實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足了企業(yè)對監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)態(tài)分析、暫態(tài)分析、趨勢分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，已成功運(yùn)用于某燃?xì)鈴S的生產(chǎn)實(shí)踐中，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]李方澤，劉頤清，王正.工程振動測試與分析[M].北京：高等教育出版社，1992.

〔編輯：張思楠〕