基于以太网的大型旋转机械实时状态监测系统

作者：信息来源:电子市场 2007-5-31

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［摘要］该文研究和探讨了旋转机械振动监测和故障诊断系统的原理和对振动信号分析的方法，结合目前振动信号处理理论、先进的计算机硬件和软件技术以及当前流行的网络处理技术，提出了一套完善的解决方案。［关键词］振动信号检测。国外的状态监测系统，其软件不提供中文界面，用户使用起来很不方便，且提供软件的前提是必须...

　　［摘　要］　该文研究和探讨了旋转机械振动监测和故障诊断系统的原理和对振动信号分析的方法，结合目前振动信号处理理论、先进的计算机硬件和软件技术以及当前流行的网络处理技术，提出了一套完善的解决方案。
［关键词］　振动信号检测；实时控制；网络在线监测

1 概述
　　随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度进一步提高，旋转机械正朝着大型化、高速化、连续化、自动化的方向发展，生产设备之间的联系也越来越紧密，投资也越来越大。因此，严格保证类机械能在良好的状态下连续稳定地运行成为工业生产中一个很重要的方面。
　　外的状态监测系统，其软件不提供中文界面，用户使用起来很不方便，且提供软件的前提必须购买与之配套的硬件设备或者必须与特定硬件结合才能使用，这往往需花费几十万美元，而且由于仅提供软件的可执行程序以及部分手册而不是完整的源代码和全部软件文档，用户若想增加或修改某些功能将是十分困难甚至是不可能的。如何根据工业生产现场的实际需要开发出具体的状态监测系统，是当前要考虑的一个问题。下面以发电机组监测系统来介绍一下整个系统的概貌。
2　系统监测对象
　　该项目的监测对象是发电机组，机组是由汽轮机、发电机、励磁机3大部分组成（见图2—1）。

　　这3个部分的机组在运行过程中，它们的轴承会产生相关信号。发电机组的故障可分为电气故障和轴系机械故障两大类，在线监测系统的目标就是通过轴承产生的相关信号，监测发电机组转子轴承系统的运行状态和依据轴系振动特性分析，对常见的机械故障如不平衡、不对中、机械松动、油膜失稳等作出判断。
　　发电机组的励磁机、发电机与汽轮机3部分是同轴的，中间用联轴节相连接，无减速或增速装置。因此机组只须设置1个键相位（转速）测点，图2—1中p1测点，该键相位（转速）信号作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基准。
2．2　向位移信号1个（图中zw1测点）
　　该信号表示轴承在纵向的相对于支撑点的位移。
2．3　三跨转子6个轴承处轴径向振动位移信号12个
　　该信号可以分为振动信号和间隙电压信号，它们是分析发电机组转子振动状态的主要信号，每个轴承处安装1个测点，每个测点有相互垂直的X、Y两个径向振动位移传感器，共计12个（图2—1中z1x、z1y、z2x、z2y、z3x、z3y、z4x、z4y、z5x、z5y、z6x和z6y）。
2．4　差胀信号1个（图中未标出）
　　机组上已安装差胀信号监测传感器，信号可直接得到。
　　因此进入监测系统的信号共15个（12个径向轴振动，1个键相位，1个轴位移和1个差胀信号）。
3　系统总体结构方案
　　根据实际工程需要，系统应该具备以下性能：
（1）适用于工业现场的硬件结构和能与被监测机组同周期连续运行的高可靠性；（2）实时性；（3）符合生产实际需要的工程实用分析与诊断功能。基于以上的设计考虑，系统的总体结构见图3—1。

　　系统相对于以太网络是采用服务器／客户端模式开发，主要有如下两部分构成：（1）网络化在线数据采集器，负责实现服务器功能（主要通过该系统内部的通讯子模块实现）；（2）监测系统上位计算机，采用个PC，该部分实现客户端功能。
　　发电机组的12路径向轴振动信号、1路键相位信号、1路轴位移信号和1路差胀信号，分别从Bent－ly3300或7200现场监视仪表的缓冲输出端输入到网络化在线数据采集器（也可以直接从电涡流传感器的前置器输入），由该模块对信号进行调理、采样、存贮和通信；监测系统上位计算机负责系统组态、数设置、数据管理、分析诊断并提供友好的用户界面，该部分也就是用户终端。
　　网络化数据采集器是一个独立的系统，该系统采用了分布式结构，其内部结构如图3—2所示。它由相对独立的3个数据采集子模块和1个通讯子模块组成。

　　通讯子模块有2个主要功能：数据的存储和通讯。当前数据、报警数据、启停车数据和趋势数据都保存在该模块中，为上位机的数据请求提供服务，从这个角度看，它是一个以太网络服务器设备。通讯子模块通过RS－485从数据采集子模块通过轮询的方式获得数据，同时自己也是一个以太网服务器，为以太网上的上位计算机发出的数据请求提供数据服务，从这个角度看，它也是一个网络交换设备。该模块采用一个PC104嵌入式系统。
　　3个网络化在线数据采集模块，分别对发电机组、汽轮机组和励磁机组单独采样，从而实现采集模块化、功能分散化，保证系统运行的可靠性。3个子模块的构建基本上是一样的。是各自独立的系统，用于采集电涡流传感器监测发电机组的相关数据（包括转速、振动数据、轴位移数据）。1个采集模块采集2个测点，每个测点有2路振动信号、2路间隙电压信号、1路键相位信号和1路轴位移信号。
4　系统模块设计
4．1　通讯模块
　　从通讯子模块在系统中的功能来看，通讯程序必须具备3个功能：
　　（1）能作为一个服务器，为以太网上的客户端提供数据通信服务；
（2）能通过RS－485与采集子模块交流数据；
（3）能定时查询采集子模块。
　　根据Linux操作系统的特点，可以考虑用一个线程专用于定时查询采集子模块，用一个线程实现监听RS－232接口的服务器，再用一个线程负责实现监听以太网接口的服务器程序，负责监听以太网接口的服务器采用多线程并发服务器，而监听RS－232接口的服务器采用单线程服务器。
　　运行在采集模块上的程序里多个线程的相互关系见图4—1。

　　其中主线程A负责创建线程B和线程C，在成功创建完成以后，开始监听以太网上数据请求信号。如果有数据请求，就创建子线程Ai，由Ai子线程响应该请求，发送回相应的数据；当数据请求数比较多，主线程A就创建多个子线程A1～An，进行并发响应。这就是所谓的多线程并发服务器。当子线程发送完数据，完成功能以后，就结束该线程，释放资源。所以整个系统平时一般就只有A、B、C线程在运行。
　　线程B创建后，就监听RS－232接口，如果有数据请求，就直接用该线程响应，发送回相应的数据。由于RS－232的特点，在这个连接上，是不可能出现多个数据请求的。
　　线程C创建后，负责通过RS－485轮询3个采集模块，轮询方式见后文论述。
4．2　轮询线程
轮询线程就是上文说的线程C。
　　监测对象即转子的运行状态随时都有可能变化，变化后的信息就存储在采集子模块中，但如果不能够及时提取这些信息，由于采集模块的存储和功能有限，就会丢失有用的信息。这样，就需要通讯模块具备定时采集这些信息的功能，该功能由轮询线程完成。轮询线程对采集模块的轮询间隔是1min。轮询线程采集的信息包括：
A．1min快速趋势数据；
　　B．目前采集子模块的状态（启停状态、报警状态等）；
　　C．采集报警和启停事件的数据，按照规定的格式保存；
　　D．计算出小时、天、年的趋势数据，并按照规定的格式保存；
　　E．记录当前状态数据；
4．3　以太网和RS－232服务器线程
　　以太网服务器线程就是上文说的线程B，而RS－232服务器线程就是上文所说线程Ai。
　　在实时数据的采集中，要求通讯子模块提供一个服务器的功能，通过该功能，在以太网有数据请求的时候，服务器就创建一个相应的线程，所创建的线程会发送数据请求命令到相应的采集子模块，然后接收相应的数据，再把该数据通过以太网分组返还给客户端。通过这种分组交换的数据传送方式，可以比较简单的认为通过服务器在客户端和采集子模块的信号采集通道之间建立一个虚通路，通过该通路，数据和命令就可以实时的传送了。
　　以太网服务器程序的主线程与响应子线程的关系和流程见图4—2。

　　RS－232服务器程序的结构和以太网的功能基本一样，只是在实现上，它不是通过创建子线程，而是通过调用子程序的方式实现。图略。
5　结束语
　　整个系统采用基于网络的分布式结构的计算机监测与诊断系统。通过该方式构建的系统组态灵活，可靠性高，实时性好。上位计算机即使不工作也不影响对发电机组振动信号的实时采集和对机组运行状态的在线监测，这样就避免了人为的漏采数据现象。上位计算机分析与诊断软件采用在美国NI（NATIONALINSTRUMENTS）公司“虚拟仪器”的LabVIEW平台上编程开发，既可使研制的系统保持先进性，又为以后的功能扩充和发展创造条件。下位机采用基于PC104平台的嵌入式实时系统，满足了系统对实时采用处理和分析的要求。整个系统的优点已在实际应用中得到了证明。

［参考文献］
［1］　程佩青．数字信号处理教程（第二版）［M］．清华大学出版社，2001．
［2］　沈兰荪．数据采集技术［M］．中国科技大学出版社，1990．
［3］　Douglas E．Comer，David L．Stevens．用TCP／IP进行网际互联［M］．电子工业出版社，2001．

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