大型機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

馬芙蓉馬 斌

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.蘭州石化公司研究院，甘肅 蘭州 730060）

大型機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

馬芙蓉1馬 斌2

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.蘭州石化公司研究院，甘肅 蘭州 730060）

針對現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)傳輸及存儲方式的限制，普遍采用數(shù)據(jù)壓縮的方式進(jìn)行，提出基于事件的存儲與監(jiān)測機(jī)制的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，并在某石化企業(yè)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

在線監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集；機(jī)械設(shè)備

石油化工行業(yè)中大型機(jī)械設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)行的核心設(shè)備，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的自動化水平越來越高，設(shè)備維修的難度越來越大，對運(yùn)行設(shè)備特別是關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和企業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然方向。

一、現(xiàn)狀與需求

自20世紀(jì)80年代后期，我國大型機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測逐步引入國外的離線及在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，與此同時國內(nèi)也逐漸出現(xiàn)自主研發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。但由于硬件可靠性差，軟件功能相對滯后，可利用率較低，關(guān)鍵時刻往往捕捉不到故障信息。此外由于系統(tǒng)設(shè)計階段沒有充分考慮實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與傳輸機(jī)制，造成原有在線監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸滯后及存儲量巨大等問題，嚴(yán)重影響了在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用。為了解決上述問題，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)壓縮算法、數(shù)據(jù)存儲模式及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等方面對系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計和優(yōu)化。

二、系統(tǒng)核心設(shè)計

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體設(shè)計本著簡潔易用的設(shè)計原則，利用Java語言在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和跨平臺方面的先天優(yōu)勢，將系統(tǒng)軟件整體劃分為3個部分進(jìn)行設(shè)計，首先是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，這部分軟件安裝并應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集器中；其次是應(yīng)用程序服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這部分軟件安裝應(yīng)用在應(yīng)用服務(wù)器中；最后是客戶端部分，依靠用戶端電腦的瀏覽器運(yùn)行，軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時信號通過現(xiàn)場傳感器傳送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)分成實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別發(fā)送至實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實(shí)時數(shù)據(jù)是供客戶端實(shí)時監(jiān)測使用，而歷史數(shù)據(jù)是為了長期存儲。設(shè)備故障數(shù)據(jù)及啟停車運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢維修前后的數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)均需作為歷史數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中。同時設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)由于變化較小，可采用很小的數(shù)據(jù)密度對歷史數(shù)據(jù)加以保存。

2.數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲是在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用何種方式對實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，將直接關(guān)系到整個在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制與使用便捷程度。

常見的在Internet上實(shí)時傳遞信息的系統(tǒng)，一般是通過Socket協(xié)議來保證客戶端和服務(wù)器之間傳遞數(shù)據(jù)的。但在石化、電力等行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)，一般企業(yè)內(nèi)部的計算機(jī)都是通過統(tǒng)一的代理服務(wù)器出口來訪問Internet，同時也是為了保障企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計完全采用http協(xié)議來完成所有數(shù)據(jù)的傳輸工作。

機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)量比較巨大，一般每個機(jī)組(機(jī)組)每秒鐘平均約產(chǎn)生上千個數(shù)據(jù)，用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和圖譜分析時，其申請的數(shù)據(jù)量也可能十分巨大，甚至達(dá)到上萬個數(shù)據(jù)；另一方面，企業(yè)以及用戶的Internet連接速度可能是十分有限。這就要求在設(shè)計通訊方案的時必須特別注重效率問題。

在方案中采用了特征值智能壓縮算法，可以做到高保真大壓縮比地壓縮現(xiàn)場數(shù)據(jù)。該壓縮算法的大致流程為：(1)將機(jī)組每個振動測點(diǎn)的波形進(jìn)行FFT變換，即映射為頻域信號；(2)對頻域信號各個頻率上的幅值和相位進(jìn)行智能壓縮；(3)將壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；(4)從壓縮數(shù)據(jù)中提取特征值幅值和相位；(5)通過FFT反變換，將特征值信息重新轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)。

通過這種壓縮算法，一般情況能夠?qū)崿F(xiàn)10～50倍的數(shù)據(jù)壓縮比，這時波形的失真幾乎可以忽略不計。這樣每個數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)量只有十幾k/s，中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)量也壓縮到200～300k/s，完全可以滿足實(shí)際要求。

3.數(shù)據(jù)存儲機(jī)制設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲機(jī)制是在線監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。歷史數(shù)據(jù)的存儲是數(shù)據(jù)存儲機(jī)制的重要環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)的監(jiān)測方式中，歷史數(shù)據(jù)的存儲方式一般是基于時間的，即以時間為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，一般采用的方法有兩種，其一是采用時間平均存儲法，即將固定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，再存入數(shù)據(jù)庫的方式，這種方法往往將時間按照天、小時和分鐘進(jìn)行劃分；另一種方法是時間瞬時存儲法，就是將系統(tǒng)特定設(shè)置的時刻數(shù)據(jù)直接存入歷史數(shù)據(jù)庫。

第一種方法雖然有效的降低了歷史數(shù)據(jù)的存儲空間，但往往由于采樣時間點(diǎn)過長而過濾了機(jī)組運(yùn)行時的故障點(diǎn)，從而失去了故障分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，第二種方法則由于數(shù)據(jù)存儲量過大，無法連續(xù)保存長時間的機(jī)組數(shù)據(jù)。

本課題提出了基于事件的歷史數(shù)據(jù)存儲方式。簡單地說，就是通過對機(jī)組運(yùn)行情況的智能判斷，改變數(shù)據(jù)存儲的密度。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行正常時，其振動數(shù)據(jù)往往是連續(xù)而穩(wěn)定的，在這種情況下，數(shù)據(jù)的存儲采用了很低的密度，比如5min存儲一次，而當(dāng)機(jī)組的振動出現(xiàn)波動或異常情況時，存儲時間間隔將隨著事件的不同而加大采用頻次。

基于事件的存儲方式要求系統(tǒng)能夠根據(jù)事件的變化來激活存儲模式的改變，讓系統(tǒng)既減少數(shù)據(jù)存儲量又保障數(shù)據(jù)真實(shí)反映機(jī)組的運(yùn)行情況。采用這種存儲模式既能夠通過門限值的變化捕獲到異?，F(xiàn)象的發(fā)生，同時改變數(shù)據(jù)采用的頻度和模式，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組信息的全過程完整記錄。

當(dāng)機(jī)組振動值超過比較門限而啟動存儲驅(qū)動機(jī)制后，系統(tǒng)將開始存儲機(jī)組的異常數(shù)據(jù)記錄?；谑录拇鎯C(jī)制能夠有效增強(qiáng)在線監(jiān)測系統(tǒng)捕獲機(jī)組微小運(yùn)行變化的能力。

當(dāng)機(jī)組處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時，基于事件的歷史數(shù)據(jù)庫不會存儲機(jī)組的任何運(yùn)行信息。因此，考慮引入基于瞬時時間的歷史數(shù)據(jù)庫存儲方式能夠很好的解決這個問題。將基于瞬時時間的歷史數(shù)據(jù)存儲方式與基于事件的歷史數(shù)據(jù)結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)全面記錄機(jī)組的完整運(yùn)行過程信息。

綜上所述，在線監(jiān)測系統(tǒng)采用這種方案進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲方案的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)高保真的工況歷史數(shù)據(jù)記錄；(2)不丟失任何有用信息；(3)存儲量大大減小。

數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 利用數(shù)據(jù)庫存儲實(shí)時數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)圖

由于實(shí)時數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)都能夠作為獨(dú)立的表或表中的列單獨(dú)存儲在數(shù)據(jù)庫中，而再度讀取數(shù)據(jù)庫時可單獨(dú)讀取數(shù)據(jù)庫表格中的任意項，這樣就減少了客戶端數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。所以可以更好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測的目的。

三、系統(tǒng)應(yīng)用及效果

經(jīng)對大型機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計與優(yōu)化，較好的實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲的矛盾，在國內(nèi)某石化公司應(yīng)用后，取得了較好的應(yīng)用效果。

[1]郭 健 忠,蔣 全 勝 ,胡 友 民。 基 于 Internet/intranet在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測界面設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2003,6(2):69-70.

[2]姚寶恒,楊霞菊,佟德純.基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)[J].振動與沖擊，2002，21(3):52-55.

[3]馮建新,王光興,張大波.基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報,2002,23(7):61-62.

[4]李舜酩.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)檢測與故障診斷方法的研究[D].西安：西安交通大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院,1998,12～13.

[5]安紅艷,蔡正國.提高設(shè)備診斷水平的途徑和方法研究[J],石油化工設(shè)備枝術(shù),1996,17(4):60-62.

[6]余佳兵.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中信號采集與分析關(guān)鍵技術(shù)的研究,博士學(xué)位論文,華中科技大學(xué),1996.

[7]張優(yōu)云,謝友柏.狀態(tài)監(jiān)測故障診斷與現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)[J].中國機(jī)械工程,1997,(05).

TH 17

B

1671-0711（2016）06-0040-02