利用虛擬儀器熱核設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

http://2s4d.com/article/201612/332859.htm

旋轉(zhuǎn)機械如汽輪機、燃?xì)廨啓C、水輪機、發(fā)電機等是電力、石油化工、冶金、機械、航空等工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運行故障先兆，為生產(chǎn)和維修提供決策依據(jù)，是保證大型設(shè)備安全運行、防止惡性事故發(fā)生的有效手段之一。本文介紹的是一個基于網(wǎng)絡(luò)的時在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)參數(shù)的實時采集和處理，形成反映旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)的各種特征參數(shù)和圖譜，供用戶進行故障診斷使用。

1 系統(tǒng)任務(wù)和目標(biāo)

系統(tǒng)任務(wù)：以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)成一個企業(yè)監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)由現(xiàn)場、車間到分廠再到總公司等全方位多機群的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)目標(biāo)：

（1）能對設(shè)備的運行進行實時在線監(jiān)測，提供故障診斷依據(jù)，監(jiān)測參數(shù)為設(shè)備的轉(zhuǎn)速、振動值、溫度、壓力、流量及開關(guān)量等。

（2）建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，記錄設(shè)備歷史運行數(shù)據(jù)和升降速（啟停車）數(shù)據(jù)等；判斷報警狀態(tài)和收集報警數(shù)據(jù)。

（3）利用數(shù)字信號處理技術(shù)，提供反映旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)的各種特征參數(shù)和圖譜。

(4)在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)對設(shè)備的運行實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析。

（5）提供系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)功能，根據(jù)現(xiàn)場具體情況定義相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，完成系統(tǒng)的重構(gòu)，生成實用的通用軟件，以滿足不同用戶的需要。

（6）實現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)頁發(fā)布。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用虛擬儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖1為虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

本系統(tǒng)設(shè)計為分布式多機并行處理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以分為四級，如圖2所示。工作站可以獨立進行監(jiān)控作業(yè)，亦可聯(lián)網(wǎng)工作。在網(wǎng)絡(luò)方式下，分析管理工作站可遠(yuǎn)離現(xiàn)場進行設(shè)備狀態(tài)分析和系統(tǒng)管理。網(wǎng)頁發(fā)布功能可使授權(quán)用戶在網(wǎng)上任意點隨時獲得數(shù)據(jù)。

第一級為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它由傳感器、信號預(yù)處理板、數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成。它是一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)，每一個數(shù)據(jù)采集卡采集多個測點的數(shù)據(jù)。振動量采集卡采用工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，以插卡的形式插入現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站（工控機）的擴展槽中，將數(shù)據(jù)以共享內(nèi)存方式提供給數(shù)據(jù)采集工作上。它保證了高采樣頻率和高數(shù)據(jù)傳遞速率，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步采集，工藝量等慢變量的數(shù)據(jù)通過串行總線RS232接口與數(shù)據(jù)采集工作站通訊。

第二級為數(shù)據(jù)采集工作站。每個工作站都是一個獨立的監(jiān)測系統(tǒng)，管理一臺或幾臺設(shè)備；數(shù)據(jù)采集工作站能不間斷地實時在線監(jiān)測軸振動、軸位移、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等參數(shù)，能做到自動記錄（產(chǎn)生升降速數(shù)據(jù)）、判斷報警（產(chǎn)生報警事件表及黑匣子數(shù)據(jù)）、班（日）報表打印，同時還要響應(yīng)用戶從面板進行控制的要求；此外，可以方便做到聯(lián)網(wǎng)運行，組成企業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

第三級為分析管理工作站及Web、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本系統(tǒng)的服務(wù)器從功能上來說，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、web服務(wù)器、管理服務(wù)器、分析診斷服務(wù)器組成。從數(shù)據(jù)流量分布均勻性出發(fā)，實際的硬件平臺由一臺服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和web服務(wù)器，另一臺作為管理服務(wù)器及分析診斷服務(wù)器。其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存放報警、升降速、短期、中期及長期數(shù)據(jù)庫形成設(shè)備運行歷史檔案，供網(wǎng)上各用戶對設(shè)備進行監(jiān)視；Web服務(wù)器為INTERNET或INTRANET上的各用戶查看設(shè)備運行參數(shù)提供數(shù)據(jù)訪問接口；管理服務(wù)器用于完成監(jiān)測網(wǎng)上的所有工作站及設(shè)備信息（如設(shè)備組態(tài)和各監(jiān)測通道的設(shè)置參數(shù)等）的管理和顯示及報警轉(zhuǎn)接功能；分析診斷服務(wù)器對設(shè)備的各種運行數(shù)據(jù)提供各種分析診斷方法。在設(shè)備狀態(tài)網(wǎng)監(jiān)測中心的服務(wù)器上，系統(tǒng)提供給用戶各種分析手段，對網(wǎng)上各種設(shè)備進行監(jiān)測和故障診斷，同時服務(wù)上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫通過積累運行數(shù)據(jù)，摸索設(shè)備運行的狀態(tài)規(guī)律，對設(shè)備的安全運行具有重要意義。

第四級為網(wǎng)上各個瀏覽器。系統(tǒng)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)速度為10M～100Mbps。在瀏覽器上通過INTERNET或INTRANET網(wǎng)查看各設(shè)備當(dāng)前或歷史運行情況，瀏覽器上數(shù)據(jù)運行速度受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響。它可以使公司內(nèi)INTRANET網(wǎng)上的每臺微機通過IE或Netscape訪問設(shè)備的監(jiān)測分析結(jié)果（如各種波形、譜、報表等）。同時通過網(wǎng)關(guān)還可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)在全球INTERNET上的共享（可預(yù)先設(shè)定權(quán)限），使有關(guān)管理人員不在廠區(qū)時也參隨時了解廠內(nèi)每臺設(shè)備的每個監(jiān)測點的運行情況。利用INTERNET上的資源，可以實現(xiàn)廠人設(shè)備遠(yuǎn)程診斷，與外部專家實行遠(yuǎn)程精確會診，縮短排除故障的時間。當(dāng)然，這些功能都是由Web服務(wù)器實現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件分為三部分，主要為六大模塊，分別運行于工作站、分析站和服務(wù)器上，采用LabView和VB編程。軟件功能模塊劃分見圖3。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)采用本地（ACCESS）和網(wǎng)絡(luò)（SQL SERVER）兩級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫的定義采用ACCESS和SQLSERVER兼容的方式，且兩組數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)一樣。這樣，即使在離線狀態(tài)下，數(shù)采工作站也可獨立完成監(jiān)測分析工作；在網(wǎng)絡(luò)方式下，設(shè)備運行數(shù)據(jù)全站記錄到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，由服務(wù)器對數(shù)采站、分析站和瀏覽器提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)；在網(wǎng)絡(luò)故障時，采集的數(shù)據(jù)暫時存在本地，待一個獨立的線程檢測到網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)后再將數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)移到服務(wù)器上。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表

3.2 后臺主模塊

后臺主模塊完成儀器驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集和記錄以及報警和升降速的處理工作。它被設(shè)計成多線程并行的事件響應(yīng)式運行結(jié)構(gòu)，程序一旦啟動便連續(xù)工作。表2是它要處理的事件和響應(yīng)表。

表2 事件及響應(yīng)表

3.3 組態(tài)模塊

組態(tài)模塊便于用戶根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境設(shè)定工作站的功能，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴展性。

系統(tǒng)定義組態(tài)：對工作站的工作環(huán)境、工作任務(wù)和自身性能的描述。

采集組態(tài)：定義采集工作站名、IP地址、采樣方式、采樣頻率和采樣通道。

數(shù)據(jù)庫組態(tài)：定義測點配置參數(shù)、測點特征描述、信號數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

報表組態(tài)：提供報表格式選擇，也可由用戶自定義格式。

3.4 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊提供強大的數(shù)字信號分析功能，包括時域分析、頻域分析（幅值譜、功能譜、帶窗函數(shù)選擇、譜平均、坐標(biāo)選擇功能）、軸心軌跡、包絡(luò)譜分析、倒頻譜分析、升降速狀態(tài)分析（三維瀑布圖、Bode圖、Nyquest圖、軸心位置圖、惰轉(zhuǎn)曲線）、趨勢分析（24小時趨勢、周趨勢、月趨勢）、相關(guān)分析、二維全息譜等。它與通訊模塊一起安裝在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)任意主機上，就使其成為分析站。根據(jù)需要，將其安裝在數(shù)采工作站上則使其可以獨立完成全站單機監(jiān)測工作。

3.5 通訊模塊

通訊模塊實現(xiàn)數(shù)采工作站與分析站、數(shù)采工作站與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊。通訊模塊的功能包括：從數(shù)采站實時向網(wǎng)上發(fā)送設(shè)備報警數(shù)據(jù)；偵聽到分析站或服務(wù)器的請求后，上傳實時采集數(shù)據(jù)；上傳工作站組態(tài)配置表，使服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容同步更新；校對各節(jié)點系統(tǒng)時鐘。

本系統(tǒng)采用虛擬儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計，有很強的通用性和實用價值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的四個層次的實現(xiàn)方式，適應(yīng)了企業(yè)中各用戶的需要。軟件清晰的模塊化定義，使之可方便地用于設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)控，且組態(tài)方便。本系統(tǒng)已在鎮(zhèn)海煉化股分公司用于煉油新催化裝置主風(fēng)機、氣壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，效果良好。