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

學位論文數據集 中圖分類號 t k l 學科分類號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 學位授予單位代碼 1 0 0 1 0 學位授予單位名稱北京化工大學 作者姓名徐水軍學號 2 0 0 8 0 0 0 6 7 8 獲學位專業(yè)名稱化工過程機械獲學位專業(yè)代碼 0 8 0 7 0 6 課題來源國家8 6 3 計劃研究方向動設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究 論文題目動設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷信號采集系統(tǒng)研發(fā)與應用 關鍵詞數據采集，整周期，重采樣，狀態(tài)監(jiān)測，沖擊次數，斷網保存 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 學位論文評閱及答辯委員會情況 姓名職稱 工作單位學科專長 指導教師高金吉教授北京化：【= 大學設備診斷與故障自愈工程 指導教師江志農研究員北京化工大學設備故障與遠程實時監(jiān)控 評閱人l何立東研究員北京化工大學動力機械 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動力機械 答辯委員1 楊國安教授北京化上人學動力機械 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 ：人學安全分析評價 答辯委員4干維民 副研究員北京化1 ：人學故障診斷 答辯委員5馬波副研究員北京化工大學故障診斷 注：一論文類型：1 基礎研究2 應用研究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。 三學科分類號在中華人民共和國國家標準( g b 廠r1 3 7 4 5 9 ) 學科分類與代碼中查詢。 四論文編號由單位代碼和年份及學號的后四位組成。 3刪0 堇堇弛刪8 腳1胂y 摘要 動設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷信號采集系統(tǒng)研發(fā)與應用 摘要 近年來狀態(tài)監(jiān)測技術在石化、電力行業(yè)得到快速推廣，大大提高了 設備的穩(wěn)定性，有效推進了狀態(tài)監(jiān)測維修技術的發(fā)展。信號采集處于狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的前端，其準確性與可靠性直接關系著整套系統(tǒng)的性能，因 此對信號采集技術的研究十分必要。 本課題論述了信號采集系統(tǒng)的整體框架、處理邏輯和現場應用，并 開發(fā)了支持旋轉機械、往復機械和風電機泵等動設備的信號采集系統(tǒng)。 信號采集系統(tǒng)采用面向對象技術，將系統(tǒng)功能進行合理的分類，對相似 功能模塊進行抽象，并通過w i n d o w s 事件機制實現了信號采集、數據 處理和數據發(fā)送三大線程的并行處理。 在總結前人研究成果的基礎上，本文對信號采集系統(tǒng)的一些關鍵技 術進行了深入研究，并取得了一定的進展。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；在信 號處理方面，系統(tǒng)支持日常數據和啟停車數據處理，拓展了虛擬通道處 理和相位補償技術；在數據發(fā)送方面，系統(tǒng)可以發(fā)送日常數據、啟停車 數據和系統(tǒng)運行狀態(tài)，并且允許斷網保存及斷網數據發(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力 發(fā)電場，實踐證明，信號采集系統(tǒng)具有較好的準確性與可靠性。 關鍵詞：信號采集，整周期重采樣，沖擊次數，狀態(tài)監(jiān)測，斷網保存 北京化工人學碩。 ：學位論文 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 人學碩1 ：學位論文 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 國內外狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術的發(fā)展2 1 3 遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結構3 1 4 論文的主要研究內容4 第二章信號采集系統(tǒng)總體設計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 信號調理卡8 2 2 3 數據采集卡1 0 2 2 4 數采器。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。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 北京化工人學碩上學位論文 3 3 3 3 3 1 1 2 2 2 7 1 技術方案 7 2 仿真實驗 虛擬采集 l 仿真信號 2 數據回放 2 3 2 5 2 8 2 8 2 9 第四章信號處理技術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 相位補償。3 4 4 1 5 沖擊次數3 5 4 1 5 1 沖擊信號提取。3 6 4 1 5 2 門限自學習。3 7 4 1 5 3 沖擊次數計算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 力學原理4 l 4 1 6 2 系統(tǒng)實現4 3 4 2 啟停車信號處理4 4 4 2 1 設計思路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 第五章數據通訊及斷網保存技術4 9 5 1 通訊機制4 9 5 2 實時數據發(fā)送及斷網保存5 0 5 2 1 數據庫介紹5 0 5 2 2 數據庫結構。51 5 2 3 日常數據發(fā)送及斷網保存51 5 2 4 啟停車數據發(fā)送及斷網保存5 2 5 3 斷網數據發(fā)送5 3 v i 目錄 5 3 1 斷網同常數據發(fā)送5 4 5 3 2 斷網啟停車數據發(fā)送5 4 5 4 狀態(tài)發(fā)送5 5 第六章應用案例、總結與展望5 7 6 1 應用案例5 7 6 1 1 機組概述與測點布置5 7 6 1 2 葉片脫落5 8 6 2 總結6 0 6 3 展望6 0 參考文獻6 1 致謝6 3 研究成果及發(fā)表的學術論文6 5 作者簡介6 7 v i i 北京化t 人學碩一l j 學位論文 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 北京化工人學碩：l 學位論文 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，動設備的應用越來越廣，這些設備在石化、電力等 行業(yè)起著至關重要的作用，它們的高效、穩(wěn)定運行是企業(yè)最為關心的問題。然而 由于機組長期工作在高負荷條件下，如果故障未能及時發(fā)現和排除，將會導致設 備損壞，嚴重時會出現車間停產，甚至會造成災難性事故。 目前，我國的危險化學品生產安全形勢比較嚴峻，調研表明，危險化學品重 大生產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【l 】。據統(tǒng) 計，中國在1 9 7 7 年和1 9 8 7 年投產的6 7 個大化肥廠中，僅在這兩年內由于故障 停機損失的化肥產量，相當于一個大型化肥廠的全年產量，主要原因是對初期引 進裝置的技術管理水平不高，缺乏設備故障診斷知識和手段；2 0 世紀8 0 年代中國 發(fā)生兩起2 0 0 m w 汽輪發(fā)電機機組破壞性事故，其中一臺機組由于劇烈振動，轉子 斷成7 段，聯(lián)軸節(jié)飛出廠房，機組遭到徹底破壞【2 】。 當前我國風電行業(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，大唐左云項目的風機倒塌；2 0 1 0 年1 月2 4 日，東汽風機在華能寶龍山風場燒毀；2 0 1 0 年4 月2 日，蘇司蘭風機在 內蒙巴音錫勒風場著火；2 0 1 0 年7 月，丹東海洋紅風電場8 號風機齒輪箱異常； 2 0 1 0 年8 月，甘肅瓜州在建風機組發(fā)生倒塌。 因此，對動設備實施狀態(tài)監(jiān)測，研究故障機理，減少故障停機損失，避免機 毀人亡事故是非常必要的。 1 1 2 研究意義 為保證動設備的長期穩(wěn)定運行，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”的現象，甚至造成“維修性故障”的問題【3 】。 隨著機組復雜性地不斷增加，進行狀態(tài)監(jiān)測、診斷、維修與保障的要求也越來越 高，根據先兆，進行狀態(tài)監(jiān)測維修或預知性維修，保證機組的健康高效運行，防 止突發(fā)故障，提高產品質量，節(jié)約維修費用，避免設備事故 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場 物理信號轉換為模擬信號，再經過調理、采樣、量化、編碼等步驟轉化為數字信 號，并由計算機進行處理、存儲、發(fā)送【5 j 。信號采集的準確性、可靠性直接影響監(jiān) 北京化工人學碩：學位論文 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，并且有著廣闊的應用前景。 1 2 國內外狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術的發(fā)展 狀態(tài)監(jiān)測與診斷是一個多學科多行業(yè)交叉的研究方向，隨著信息技術、計算 機技術、人工智能、專家系統(tǒng)以及機械故障機理研究的深入和發(fā)展，新的技術不 斷地被移植、應用到狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷之中【6 】。機械故障診斷方法根據測試手段 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用方面都取得 了巨大的進展，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6 0 年代末，美國宇航局首先推出了機械故障診斷研究；2 0 世紀7 0 年代，國外學者將 狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術推廣到實用化階段；到了2 0 世紀8 0 年代中期，計算機的應 用使機械故障診斷技術得到迅猛發(fā)展，計算機輔助監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)逐漸走向 商業(yè)化階段；2 0 世紀9 0 年代中期以后，現代機械故障診斷技術與計算機網絡技術 實現了完美的融合，誕生了基于i n t e m e t 的遠程應用系統(tǒng)【8 - 9 1 。 在眾多從事在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究的機構和企業(yè)中，b e n t l y 長期處于此領域 的前沿，在過去的5 0 多年里，b e n t l y 已成為了先進的機械保護和狀態(tài)監(jiān)測技術的 代名詞，并且已成為了先進、高質量機械監(jiān)測解決方案的專家，從而幫助客戶優(yōu) 化工廠安全性、最大程度保障設備無故障運行，最終有效地提高生產效率。 8 0 年代中后期以來，國內眾多研究機構也進行了相關探索和嘗試，在理論研 究和現場應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 場安裝到i n t e r n e t 網絡化監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案，可應用于防爆廠區(qū)，能滿足用戶監(jiān) 測、診斷、設備運行狀態(tài)管理和開展狀態(tài)維修的需求。 對于旋轉機械設備，b h 5 0 0 0 系統(tǒng)可以靈活可靠地監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，包括 歷史和實時兩種方式。實時監(jiān)測部分，可以在機器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)( 啟停車) 工況下 提供數據采集和監(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的各種圖譜比較、分析和診斷，幫助了解目前運行狀 態(tài)和設備歷史狀態(tài)，為精確判斷和診斷設備故障提供必要的依據；對于往復機械， 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，可以實現往復壓縮 機全方位、多參數監(jiān)測分析與診斷，保證設備能夠在透明的狀態(tài)下運行。 2 第一章緒論 1 3 遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結構 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)，對于關鍵機組，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、測試技術、通訊技術等綜合構 成，專業(yè)人員可獲取設備的實時以及歷史工況信息，包括機組頻譜相位信息，啟 停車分析，報表分析，專家系統(tǒng)等多種功能，且能長時間保存機組運行狀態(tài)。 在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展經歷了單機式和分布式遠程系統(tǒng)兩類。單機式系統(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據傳輸性，為了克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，出現 了當前比較流行的基于中間件技術的分布式系紺【1 卜乃j 。 圖1 - 1 遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結構 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)總體結構如圖1 1 所示。根據數據流向， 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)、中間件應用服務器系統(tǒng)、客 戶監(jiān)測與診斷系統(tǒng)【1 4 1 。此三個子系統(tǒng)完成了對現場機組的信號采集與處理、數據 保存與發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)測與診斷等功能，并且可以實現遠程協(xié)作和遠程會診，指導 現場生產和維修。 3 蘭 北京化_ t 大學碩 ：學位論文 1 4 論文的主要研究內容 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、數據發(fā)送和斷網保存，并完成了信號采集系統(tǒng)的開發(fā)、調試及優(yōu)化工作。 信號采集系統(tǒng)經過旋轉實驗臺和往復壓縮機實驗臺的測試與改進，成功推廣到石 化、煉化、海上石油鉆井平臺及風力發(fā)電機組的在線監(jiān)測與診斷應用中。本論文 主要研發(fā)的內容如下： 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，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；為了在各種轉速下有足夠的頻域分辨率分 析故障信號，采集模塊實現了采樣頻率隨轉速實時調整；為了實現不同測點擁有 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 數據處理 信號采集系統(tǒng)主要對現場信號進行預處理及特征值計算。為了解決因數據采 集卡循環(huán)采樣產生的相位誤差，系統(tǒng)對測點的相位特征值進行補償；為了提高經 濟性指標，系統(tǒng)預處理模塊添加虛擬通道技術，使單個傳感器實現多種功能；為 了完整記錄旋轉機械啟停車過程，系統(tǒng)專門設置啟停車處理模塊，設置啟停車隊 列。 3 數據發(fā)送 發(fā)送的數據按時間可以分為實時數據和歷史數據，按數據類型可以分為日常 數據和啟停車數據。為了便于排除數據采集系統(tǒng)自身異常，數據發(fā)送模塊不僅要 將所有測點的波形和特征值發(fā)送至上層服務器，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 斷網保存 數據發(fā)送時，會存在網絡不暢的情況，信號采集系統(tǒng)運用斷網保存技術保障 現場數據能夠完整的發(fā)送至上層中間件服務器。 4 第二章數據采集系統(tǒng)的總體設計 第二章信號采集系統(tǒng)總體設計 信號采集作為一門多學科交叉的綜合應用技術，是監(jiān)測與診斷技術的重要組 成部分。隨著監(jiān)測與診斷系統(tǒng)應用的不斷擴大，信號采集技術也得到飛速發(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合，實現 信號的自動化采集、處理和發(fā)送。信號采集系統(tǒng)可分為：現場信號、傳感器、二 次儀表、信號調理電路、數據采集設備、驅動軟件和應用程序，信號采集系統(tǒng)總 體結構如圖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 數葫采集扣、u s b 數搬聚餐kv1 0 4 數搦震褒# 窩上圓 圈圉國 圉 國 圈圈圈 圖 圈 圖2 - 1 信號采集系統(tǒng)總體結構 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 北京化工人學碩士學位論文 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，主程序包括信號采集、信號處理和數據 發(fā)送三大線程，并通過w i n d o w s 事件機制使三大主線程并行執(zhí)行【1 1 7 1 。信號采集系 統(tǒng)啟動時需要讀取設備信息、測點信息、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)設計了配置助手，配置助手從設備組態(tài)軟件生成的數據庫中 同步設備信息和測點信息，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 數據采集模塊可以進行實際采集和虛擬采集功能，虛擬采集包括數據回放和 信號仿真；數據處理模塊可以進行多種測點類型的處理，包括徑向振動測點、軸 向振動測點、動態(tài)壓力測點、活塞桿載荷測點、缸體振動測點、撞擊次數測點和 溫度測點，且根據設備類型自動調節(jié)測點的處理算法；數據發(fā)送模塊可并行發(fā)送 實時數據、啟停車數據、斷網保存數據和軟件運行狀態(tài)。 從信號采集系統(tǒng)的上述功能來看，各個模塊界限清晰，適合使用面向對象技 術對系統(tǒng)進行合理的分解。面向對象是從現實世界中客觀存在的事物出發(fā)來構造 軟件系統(tǒng)，并在系統(tǒng)構造中盡可能運用人類的自然思維方式來思考問題，認識 6 第二章數據采集系統(tǒng)的總體設計 問題，并根據事物本質，把它們抽象為系統(tǒng)中的對象，作為系統(tǒng)的基本構成單 位【1 7 19 1 。通過面向對象技術將相似功能抽象為類，提高系統(tǒng)的可維護性。 信號采集系統(tǒng)定義了設備類( c p l a n t ) ，其對象g 用于存放設備的機組信_plant 息、測點信息和各類數據，它作為公用數據區(qū)與其它的各個對象進行數據交互， 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備 信息、測點信息、采集信息、通訊信息，進而對gp l a n t 對象做初始化處理；數據 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 實現實際采集、數據回放或信號仿 真的功能；數據處理類( 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 專門負責對從數據 采集卡獲取的原始數據做預處理和特征值計算；啟停車處理類( c s u d j u d g e ) 的 對象g j u d g e 負責啟停車過程判斷、數據緩存和數據存入隊列處理；數據通信類 ( c d a t a c o m m ) 的對象g，專門負責向中間件發(fā)送實時數據、啟停車數據_pcomm 和軟件運行狀態(tài)，另一個對象g負責發(fā)送斷網時保存的日常數據_plostnetcomm 和啟停車數據。除此之外，還有程序窗口對象，負責顯示數據采集軟件信息、設 備信息、測點信息、采樣信息、特征值、信號原始波形、預處理后的波形及頻譜 等等。這樣，如果需要添加新需求，只需變更相應功能模塊即可，維護成本低， 系統(tǒng)擴展方便。 信號采集系統(tǒng)的工作時序是這樣的：主進程啟動時，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