旋转机械振动在线监测系统方案

 

1         方案依据

本方案依据用户所提供的 “振动监测系统技术要求”，围绕该要求进行方案设计。

2         测试内容

测试对象包括以下内容：在线监测设备的振动情况，每套设备有六个振动传感器，总共是四套设备，可以做成四套振动监控，也可以做成一套监控。

3         技术要点

振动监测系统所含技术要点或难点或技术关键主要是：

1． 传感器部分

振动监测系统主要涉及低频振动信号采集，对传感器的频响要求与灵敏度要求较高，如下：

 马达Motor转速为1400rpm,其余轴承转速均约160rpm，工作频率低；

 

2．测试系统部分

 可靠性：系统的可靠性是确定总体方案的主要依据；

 使用方便：操作程序明确，能用实时显示测量值及相应的测量数据曲线；

 抗干扰能力：系统的电性能稳定，抗干扰能力强，数据真实可靠；

 

4         系统方案

4.1         系统架构

振动监测系统核心硬件由计算机、数据采集系统-、数据分析软件组成。

每个振动监测采集系统均内置高性能嵌入式处理器、高速硬盘，以太网接口。通过以太网络连接到监控计算机上进行数据存储分析。

在采样过程中，各个采集系统采样的数据能实时发送传输到计算机中存储、处理、分析，并可动态实时切换通道显示振动波形、频谱等。

4.2         系统配置

对于振动测试系统，根据需要配置如下两个方案：

方案一  单系统配置清单，共4套

 

方案二  多系统配置清单，共1套

4.3         5971旋转机械运行状态在线监测系统

该系统已包含动态信号测试系统所需的信号调理器、直流电压放大器、低通滤波器、A/D转换器、嵌入式处理器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，而且提供了充分考虑用户方便操作本系统所需的控制软件及分析软件。

4.3.1 特点

4.3.1.1 系统的抗干扰设计

4.3.1系统信号地与被测地完全隔离,克服被测地的不确定对测试系统的影响。.1.1

4.3.1合理的接地和屏蔽，使现场的任何干扰信号均不能进入被测信号回路，因此系统需要具有极强的抗干扰能力；.1.2

4.3.1使用隔离电源,保证现场周边任何设备的起停机及改变工作状态造成的电网电压波动及浪涌等对本系统都不产生任何影响,确保系统的正常工作，避免误报警。.1.3

4.3.1系统的可靠性设计.2

4.3.1根据相关的国家技术标准设计、生产所有产品，并严格执行ISO9001质量管理体系，保证产品的高质量和可靠性；.2.1

4.3.1采用先进的工艺流程，大规模集成电路，全贴片工艺，体积小，功耗低，保证了可靠性；.2.2

4.3.1所有部件和整机根据国家标准,均经过多次高低温试验,保证设备出厂前筛选出器件的早期失效；.2.3

4.3.1所有设备出厂前均进行了应用于航天设备的随机振动筛选(10Hz～2kHz、2g的随机振动,三向每向二十分钟)，大大提高了系统的可靠性；.2.4

4.3.1数据采集器内嵌了与研祥工控合作定制的适合恶劣环境使用的工控机，专门用于动态信号的数据采集系统，舍弃不需要的功能,提高可靠性，还加快了处理速度；.2.5

4.3.1每通道均设置了一组DSP信号处理系统,强大的实时处理功能,保证监测信号一点不丢的进行处理, 设备的任何瞬间故障，特征信号都不会遗漏;采用硬件处理器(DSP),对于长时间连续工作的CPU,提高可靠性; .2.6

4.3.1数采与工控机之间的通讯,采用了最底层的PCI总线协议，数据传输更加稳定可靠；.2.7

4.3.1工控机的存储媒体,采用大容量硬盘，增强硬件的抗振性和长期连续工作的可靠性；.2.8

4.3.1工控机工作于LINUX操作环境，保证系统长期运行更加稳定、可靠，避免了受病毒入侵的风险；.2.9

4.3.1采集器与外部系统通讯中断时（如网线断开，网络阻塞等），系统可独立工作，等网络恢复时采集终端会自动与数据中心建立连接，数据重新上传到中心数据库中；其独立运行能力取决于采集器自身所带存储器的空间；.2.10

4.3.2产品图形：

 

 

4.3.3  5971旋转机械在线监测系统系统说明

4.3.3.1 采集器机箱：

5971为离散式数据采集器，内置专用PC104工控机，每个采集机箱最多32通道振动数采。通过采集箱扩展，数采通道、转速测量通道任选（本项目是否需要提供防爆机箱由用户确定）；

4.3.3.2 转速采集卡

5971的转速卡可以配接:多种传感器类型,如电涡流转速传感器、磁敏转速传感器、光电转速传感器等，采集器为转速传感器提供供电电源。

4.3.3.3 振动采集卡                                       

5971振动采集卡允许接入多种测振传感器，如电涡流位移传感器、磁电速度传感器、ICP加速度传感器等等，采集卡为传感器提供相应的供电电源。每张采集卡2个通道，每个通道独立同步工作，互不干扰。

4.3.3.4 每通道独立的16位A/D转换器用于动态振动信号的采样，保证所有通道并行同步工作；

4.3.3.5 每台采集器内均采用嵌入式工控机处理系统，用于参数设置,采样控制, 报警判断及动态数据和特征值的网络通讯。当突发事件发生时,连续实时海量记录事发前后的被测信号；

4.3.3.6 每通道设置独立的DSP实时处理系统，实时对所有数据连续（不丢点）采集、FFT分析等处理，根据对被测信号处理结果的识别，判断设备的运行状态。控制每通道设置的大容量高速数据缓冲存储器,存贮突发事件发生前设备的运行状态参数;

4.3.3.7 DSP实时处理系统计算的振动特征值包括：

4.3.3.7.1 整周期采样（有键相）时，特征量包括：通频带振幅、间隙电压（电涡流位移传感器输出）、1倍频幅值/相位、2倍频幅值/相位、0.5倍频幅值/相位、N倍频幅值/相位、转速、剩余量、歪度、峭度、波形因子、波峰因子等。

4.3.3.7.2 非整周期采样（无键相）时，特征量包括通频带振幅，4个自定义频段能量，间隙电压（电涡流位移传感器的输出），歪度、峭度、波形因子、波峰因子等。

4.3.3.8 最新高性能FPGA芯片，全数字锁相倍频设计，不间断精确稳定完成整周期采集；

4.3.3.9 本地数据处理与本地数据存储功能

4.3.3.10 当由于服务器或网络发生故障时，历史数据不能够正常保存到服务器的数据库中，5971采集器可以将历史数据保存在本机存储器内，当网络恢复正常后，即将存储器内的的历史数据上传给中心服务器；

4.3.3.11 本机可以保留大量的监测数据，可完整保留多次起停机及长达二个月的历史数据，克服因网络中断造成的监测数据丢失的弊病；

4.3.3.12 系统自启动功能:系统具备自动恢复、自动启动功能，遇有意外断电，网络中断等情况，供电和网络恢复正常后，系统能自动启动进入运行状态，并恢复到断电和断网前的状态，实现无人值守，保证系统长时间连续可靠运行；

4.3.3.13 系统通讯方式：根据不同客户现场网络环境,确定工控机与数据服务器的通讯接口环境,主要包括以太网、光纤、无线网卡、以及本机内存储数据通过电脑有选择的导出等。

5         远程监测与故障分析软件功能

5.1 两种软件构架：远程在线监测与故障诊断软件是基于B/S,C/S构架的组合软件，可以根据自身监测的特点选择其中一种构架，也可综合使用；

5.2 集在线监测与离线巡检于一体：远程在线监测与故障诊断软件是一个在线监测与设备点检设备的故障诊断管理的综合软件。进入该系统，不仅可以管理在线监测系统的关键设备，还可以应用于采用点检的设备运行状态的监测，即该软件平台不仅保存在线监测系统的数据，还可以保存离线监测系统的数据(如5901的数据)。

5.3 系统管理功能

5.3.1设备档案管理:系统可管理用户由报修到维修再到确认维修完成的整个流程。兼具设备档案管理、设备维修管理等功能。

5.3.2 用户权限管理：能够对不同的用户赋予不同的操作权限，所有登陆用户的操作全程监控；

5.3.2 数据库管理:包含日常数据管理、报警数据管理、巡检数据管理以及数据查询和输出等。

5.4 数据库类型：该系统基本数据库为SQL Server或ORACLE，可以根据客户要求选择不同数据库，可以为其它类型的数据库提供数据接口。

5.5 数据存储

5.5.1定时触发保存：在机组正常运行状态下，每隔一段设定的时间保存一组动态数据，数据量可调，时间间隔可任意设定；

5.5.2事件触发保存：机组振动超标时，保存该机组所有测点报警前后的大量动态数据。数据量大小允许设置；

5.5.3日记数据库：自动保存各监测点或巡检测点的日常数据及波形、频谱等，时间间隔用户任意设定。

5.5.4历史数据库：每天一条记录，自动定时保存各监测点24小时监测数据的统计值及其动态数据，并统计历史趋势。

5.5.5报警数据库：所有监测点中任意一个测点超限报警，即触发了报警事件。监测系统在报警的同时，利用计算机海量的存储空间，自动连续保存各监测点的监测值、原始时域波形、频谱，供事后分析用。

5.5.6 典型故障案例库：典型故障处理验证后，允许将报警数据库内相关的动静态数据保存到案例库中，并编辑相关技术文本和图片一并保存。

5．6 历史数据存储规则

5.6.1数据库服务器数据存储规则

日常动态数据及相应的特征参数保存：一天内，数据保留定时（如每隔10分钟保存一组动态数据，时间间隔可设置）保存的所有数据；一天以后，保留前一天每隔半小时（时间间隔可设置）的数据；一周后只保留前一周每隔4个小时（时间间隔可设置）数据；一个月后只保留每天（时间间隔可设置）一组数据；一年后只保留每周一组数据。从正常历史数据中删除冗余数据，合理保留部分历史数据。

报警数据：所有特征参数和报警数据全部保留，允许用户有选择的清理。

5.6.2 5971本机内数据存储规则

   当网络不通或无网络时，数据保存到本机硬盘内，日常动态数据和特征参数保存参照数据库服务器数据存储。由于本机硬盘容量有限，因此当出现报警时，保存大量报警动态数据及对应的其他参数，硬盘容量不足时，系统自动清理日常动态数据，优先保存报警数据。

5.7 系统报警规则

5.7.1实时监测报警：对设备实时监测，当设备运行状态恶化时，监测系统能够及时无遗漏的报警；

5.7.2二级报警：正常状态为绿色或蓝色、超标时为黄色，达到危险值，变为红色。

5.7.3 突变报警：数据未达到通常报警线时，但发生短时间内的突变，系统会自动判断报警并保存突变前后动态数据以及该时段的工艺参数值。突变报警由根据历史数据自学习后，系统自动确定，允许人为修改。

5.7.4 缓变报警：数据未达到报警线，但一段时间内，监测数据变化趋势较大，达到一定报警戒线，系统自动报警并保存报警前后动态数据和对应的工艺参数值。缓变报警线也是由系统根据历史数据变化趋势，通过自学习确定的，允许人为参与修改。

5.7.5保存报警数据：报警同时，连续不间断采集报警前后一段时间的动态数据，并上传数据库服务器保存，为故障分析提供依据。

5.8 起停机监测功能

5.8.1系统设置转速 波动范围，当监测转速变化超过波动范围时，系统自动启动进入起停机监测状态；

5.8.2起停机监测状态下，数据根据转速变化和时间变化连续保存大量的动态数据和静态工艺量参数;

5.8.3当转速低于设定的最低转速时，系统自动识别为停机状态;

5.9 浏览功能

5.9.1远程浏览与诊断：诊断中心服务器通过诊断中心WEB服务器接入Internet互联网，互联网上任何的计算机都可以通过身份验证访问中心服务器。

5.9.2本地局域网浏览：系统数据服务器在接入企业局域网络后，局域网上任何一台授权的计算机都可以通过IE 浏览器查询设备的运行状态，无需安装专用软件。

5.9.3 远程诊断中心服务器来了解设备运行情况，各级设备管理人员，无需赶赴现场，在办公室甚至在家中，就可通过局域网或Internet，了解到机组运行的各种信息。不同地域多位诊断专家通过上网登陆数据库服务器，实现远程专家会诊断。

5.10 分析功能及各种图谱

5.10.1设备监测图

利用被监测设备的照片、CAD示意图片，在图中实时显示各个测点的位置和振值。

  

图3 电机设备监测界面

5.10.2棒图显示 

棒图实时显示被测点振值大小以及设置的报警值和危险值，显示机组的运行状态。

 

图4 棒图窗口

棒图一次最多可以显示16个测点的振动数值，可以同时显示振动的通频、1倍频、2倍频幅值和相位、间隙电压、温度、电气参数等；

棒图报警为二级报警，当监测值健康时棒图为绿色，当监测值超过报警值时棒图变为黄色，当被监测值超过危险值时棒图变为红色并闪动；正常、报警和危险颜色可调。两级箭头表示超标报警线和危险报警线。

5.10.3 趋势分析

各特征参数和工艺参数随时间的变化过程。振动（通频值、倍频值）趋势、转速趋势、工艺量（温度、电压、电流、压力等）趋势、相关趋势（特征参数之间的趋势变化）；

 

图5 趋势图

5.10.4 时域分析

包括通频时域波形、倍频时域波形，波形图上实时显示对应测点的通频值、1倍频幅值/相位、转速值、对应时间、0.5倍频和N倍频幅值等特征参数；电气测点显示波形同时，波形图上显示其对应的功率因数、功率及其他相关特征参数。图形上标示了测点位置、当前时间、转速、传感器安装角度、键相位置等信息。

图6 时间波形图

5.10.5频谱分析：与时域波形同步的实时频谱，包括幅值谱、对数谱、相位谱等；切换横坐标刻度，还可以显示阶次谱。

 

图7 时间波形及其频谱图

5.10.6三维谱分析

5.10.6.1 三维时间谱图：单测点振动、电气等动态数据的频谱随时间的变化。

图8 三维时间谱图

5.10.6.2 三维转速谱阵（起停机分析）：电机起停机过程，或电机转速变化超标时，显示振动、电气等动态数据的频谱随转速的变化，同时显示对应的时间。    

5.10.7轴心分析：在线监测的两个互相垂直的传感器，可以做轴心轨迹、二维全息、全息谱分析。

图 10 轴心轨迹图

5.10.8起停机分析：根据用户设置的额定转速、最高转速、最低转速和转速波动范围等参数，系统可以从正常监测自动切换到起停机监测状态，连续保存起停机状态的动态数据和工艺参数，绘制振动等动态数据的极坐标图、波德图；工艺参数随转速的趋势图；转速随时间变化的趋势图；

图11 起停机过程的波德图

5.10.9后期分析模块：短时FFT时频分析、倒频谱分析、包络分析等后期分析软件模块，为轴承早期故障分析提供分析手段。

5.10.10电机故障特征频率计算模块：提供电机故障特征频率计算模块，输入电机相应参数，得到电机的相应参数。

图12 电机特征频率计算

5.10.11轴承特征频率计算模块：提供轴承库模块，该模块内显示数万种轴承型号的归一化特征频率，输入转速值，即可计算轴承对应的特征频率，为轴承故障诊断提供直接的判断依据。

图13 轴承特征频率计算

5.10.12软件光标类型：

5.10.12.1 谐光标：频谱图上，移动谐光标的1阶频率位置，图形上显示对应该频率的10个倍频的频率和幅值，显示在图形窗口光标数值列表中。  

5.10.12.2 边频光标：用户定义频段，指定主频后，系统计算该频段内对应的所有边频频率和对应幅值。

5.10.12.3 双光标：图形上，用户定义指定两个光标的位置，显示光标对应频率、幅值、频率差、幅值差。

5.10.12.4 其他光标类型：单光标、峰值搜索光标、峰值列表光标等。

5.11 故障案例库

监测系统报警后，确认的典型故障数据，可以另存到典型故障案例库内；通过学习典型故障案例以及常见故障的图谱，现场操作人员能够迅速提高水平，掌握常见设备的故障诊断技术，从而提高企业的设备管理水平。

5.12 轴承库

为了方便轴承的故障诊断，监测软件内嵌上万种轴承型号及其参数，只要输入轴承的型号就可以查看到该轴承的各种特征频率。

图14 轴承库

5.13 远程网络传输技术:

5.13.1基于B/S网络架构：任何上网的客户端不需要另外安装专门的诊断分析软件就可以浏览各种图谱数据。

5.13.2网络安全技术:数据传输过程中，需要身份认证、数据加密等保密措施。服务器数据进行握手前，需要进行身份认证，认证合法后，数据加密传输，加密方法采用国际标准的加密方法。

 

6      技术指标

 

7         典型应用案例：

7.1         中石化石油工程西南有限公司四川钻井公司深层井架钻探设备无线在线监测系统：在砂浆泵、钻探机传动装置的轴承上安装振动传感器，在井架层安装5971采集箱，通过中国联通的GPRS网络将采集的数据传输到公司主控机房的中心服务器，实现了24小时不间断在线监测。

7.2         中海油海洋钻井平台无线在线振动监测系统：被监测平台为无人值守平台，既要求通过无线传输方式将监测数据实时发送到中心机房，又要求采集系统能实现远程控制、远程修改和远程开关机功能。本项目采用5971在线监测系统，租用中国移动的GPRS无线传输网络组成了无线控制采集、无线数据传输、无线实时显示的整个无线传输监测系统。