利用虛擬儀器熱核設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

http://butianyuan.cn/article/201612/332859.htm

旋轉(zhuǎn)機(jī)械如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等是電力、石油化工、冶金、機(jī)械、航空等工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)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(yùn)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(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和處理，形成反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的各種特征參數(shù)和圖譜，供用戶進(jìn)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(gè)企業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)場(chǎng)、車間到分廠再到總公司等全方位多機(jī)群的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)目標(biāo)：

（1）能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提供故障診斷依據(jù)，監(jiān)測(cè)參數(shù)為設(shè)備的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)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(kù)，記錄設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和升降速（啟停車）數(shù)據(jù)等；判斷報(bào)警狀態(tài)和收集報(bào)警數(shù)據(jù)。

（3）利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提供反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)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(duì)設(shè)備的運(yùn)行實(shí)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(chǎng)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(shí)用的通用軟件，以滿足不同用戶的需要。

（6）實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)頁(yè)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(jì)，圖1為虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式多機(jī)并行處理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以分為四級(jí)，如圖2所示。工作站可以獨(dú)立進(jìn)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(chǎng)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)分析和系統(tǒng)管理。網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能可使授權(quán)用戶在網(wǎng)上任意點(diǎn)隨時(shí)獲得數(shù)據(jù)。

第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它由傳感器、信號(hào)預(yù)處理板、數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成。它是一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡采集多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。振動(dòng)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作站（工控機(jī)）的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)同步采集，工藝量等慢變量的數(shù)據(jù)通過(guò)串行總線RS232接口與數(shù)據(jù)采集工作站通訊。

第二級(jí)為數(shù)據(jù)采集工作站。每個(gè)工作站都是一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，管理一臺(tái)或幾臺(tái)設(shè)備；數(shù)據(jù)采集工作站能不間斷地實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)軸振動(dòng)、軸位移、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等參數(shù)，能做到自動(dòng)記錄（產(chǎn)生升降速數(shù)據(jù)）、判斷報(bào)警（產(chǎn)生報(bào)警事件表及黑匣子數(shù)據(jù)）、班（日）報(bào)表打印，同時(shí)還要響應(yīng)用戶從面板進(jìn)行控制的要求；此外，可以方便做到聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，組成企業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

第三級(jí)為分析管理工作站及Web、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。本系統(tǒng)的服務(wù)器從功能上來(lái)說(shuō)，由數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)際的硬件平臺(tái)由一臺(tái)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和web服務(wù)器，另一臺(tái)作為管理服務(wù)器及分析診斷服務(wù)器。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存放報(bào)警、升降速、短期、中期及長(zhǎng)期數(shù)據(jù)庫(kù)形成設(shè)備運(yùn)行歷史檔案，供網(wǎng)上各用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視；Web服務(wù)器為INTERNET或INTRANET上的各用戶查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù)提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口；管理服務(wù)器用于完成監(jiān)測(cè)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(cè)通道的設(shè)置參數(shù)等）的管理和顯示及報(bào)警轉(zhuǎn)接功能；分析診斷服務(wù)器對(duì)設(shè)備的各種運(yùn)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(cè)中心的服務(wù)器上，系統(tǒng)提供給用戶各種分析手段，對(duì)網(wǎng)上各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷，同時(shí)服務(wù)上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，摸索設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)規(guī)律，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

第四級(jí)為網(wǎng)上各個(gè)瀏覽器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)速度為10M～100Mbps。在瀏覽器上通過(guò)INTERNET或INTRANET網(wǎng)查看各設(shè)備當(dāng)前或歷史運(yùn)行情況，瀏覽器上數(shù)據(jù)運(yùn)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(tái)微機(jī)通過(guò)IE或Netscape訪問(wèn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果（如各種波形、譜、報(bào)表等）。同時(shí)通過(guò)網(wǎng)關(guān)還可能實(shí)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(shí)也參隨時(shí)了解廠內(nèi)每臺(tái)設(shè)備的每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行情況。利用INTERNET上的資源，可以實(shí)現(xiàn)廠人設(shè)備遠(yuǎn)程診斷，與外部專家實(shí)行遠(yuǎn)程精確會(huì)診，縮短排除故障的時(shí)間。當(dāng)然，這些功能都是由Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為三部分，主要為六大模塊，分別運(yùn)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(jiàn)圖3。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用本地（ACCESS）和網(wǎng)絡(luò)（SQL SERVER）兩級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)的定義采用ACCESS和SQLSERVER兼容的方式，且兩組數(shù)據(jù)庫(kù)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(dú)立完成監(jiān)測(cè)分析工作；在網(wǎng)絡(luò)方式下，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)全站記錄到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，由服務(wù)器對(duì)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(shí)，采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)存在本地，待一個(gè)獨(dú)立的線程檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)后再將數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到服務(wù)器上。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表

3.2 后臺(tái)主模塊

后臺(tái)主模塊完成儀器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和記錄以及報(bào)警和升降速的處理工作。它被設(shè)計(jì)成多線程并行的事件響應(yīng)式運(yùn)行結(jié)構(gòu)，程序一旦啟動(dòng)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(kuò)展性。

系統(tǒng)定義組態(tài)：對(duì)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(kù)組態(tài)：定義測(cè)點(diǎn)配置參數(shù)、測(cè)點(diǎn)特征描述、信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

報(bào)表組態(tài)：提供報(bào)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(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)分析功能，包括時(shí)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(shì)分析（24小時(shí)趨勢(shì)、周趨勢(shì)、月趨勢(shì)）、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(jī)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(dú)立完成全站單機(jī)監(jiān)測(cè)工作。

3.5 通訊模塊

通訊模塊實(shí)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(shí)時(shí)向網(wǎng)上發(fā)送設(shè)備報(bào)警數(shù)據(jù)；偵聽(tīng)到分析站或服務(wù)器的請(qǐng)求后，上傳實(shí)時(shí)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(kù)中內(nèi)容同步更新；校對(duì)各節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)鐘。

本系統(tǒng)采用虛擬儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的四個(gè)層次的實(shí)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(chǎng)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(jī)、氣壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，效果良好。