基于TCP/IP的旋轉機械振動監測系統

張立利++金路++廖明夫

摘 要：開發了一套網絡化旋轉機械振動監測系統。該系統基于網絡TCP/IP協議，采用C/S網絡結構。其除了具備傳統的時域和頻譜分析功能以外，還具備基于轉子軸心軌跡的測試和分析功能，并以一、二和三階正、反進動量作為特征量的監測、診斷方法。通過在某燃氣廠使用1年多后發現，該系統運行穩定、可靠，具有工程實用價值。

關鍵詞：遠程故障診斷；旋轉機械；TCP/IP；C/S網絡結構

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.113

旋轉機械是各種類型機械設備中數量較多、應用非常廣泛的一類機械，比如壓縮機、汽輪機、燃氣輪機、電機、風機和泵等。旋轉機械是企業的關鍵設備，其運行狀態會直接影響企業的生產過程，一旦出現重大故障，則會造成巨大的經濟損失和災難性后果。振動在設備故障中占有很大比例，是影響設備運行的重要因素之一。旋轉機械狀態監測和故障診斷技術是一種了解旋轉設備在使用過程中的狀態，盡早發現故障原因，并能預報故障發展趨勢的技術，其能保證旋轉設備可靠、有效的運行。

基于Internet和Intranet的遠程故障診斷是近年來迅速發展起來的新技術，是設備診斷技術與通信技術、網絡技術、計算機技術、控制技術相結合的產物。對于制造商而言，其為該產品提供了全球范圍內的診斷和維修服務，大大降低了故障診斷、維修所需的費用；對于設備使用方而言，可及時得到診斷和維修，避免了因故障而引起的損失，從而可保證正常生產。因此，深入開展遠程故障診斷系統的研究具有十分重要的實際應用意義和價值。

本文中開發的網絡化旋轉機械振動監測系統可將網絡的優勢充分應用到振動監測中，網絡中的各個組成部分分工明確，可實現資源共享。現場監測機負責采集、整理數據，服務器負責控制各監測機并存儲數據，遠程監測機可使工程師在辦公室對各機組進行監測和故障診斷，實現了專家經驗、知識與實時數采系統的結合，從而更加方便開展異地實時診斷。

1 系統總體設計

在設計網絡系統時，需要考慮的主要因素有安全性、資源占用率、穩定性和可移植性。網絡化旋轉機械振動監測的網絡結構圖如圖1所示。

圖1 網網絡化旋轉機械振動監測的網絡結構圖

現場監測機與服務器利用企業中的工業數采網連接，遠程監測機與服務器利用企業網連接，均采用C/S（客戶機/服務器）模式，兩套網絡的連接相互獨立。工業數采網安全級別較高、網絡穩定、與外界無直接的網絡連接，服務器軟、硬件配置均較好，只要配置合適的殺毒軟件和防火墻就可保證整個系統的安全；網絡系統的各個組成部分分工明確，可實現資源共享，保證了較高的資源占用率；各監測機與服務器每隔10 s檢驗一次與服務器的連接是否正常，如果網絡出現故障，則每5 s連接一次服務器，直到網絡連接恢復正常，從而確保了系統運行的穩定性；在具備大型旋轉機械的企業中一般都裝有工業數采網和企業網，即使沒有安裝，也可采用路由器或交換機組成這樣的網絡，系統網絡的連接基于通用的TCP/IP協議，具有良好的可移植性。

網絡中的各個軟件模塊劃分如圖2所示。其中，實心箭頭為控制流，空心箭頭為數據流，上方的方框為現場監測軟件，中間的方框為服務器軟件，最下方的為遠程監測軟件，其分別通過網絡連接。

圖2 系統的軟件模塊劃分

1.1 現場監測軟件

現場監測機使用工業計算機，安裝有現場監測軟件。其分為數據采集模塊、數據池、主程序和網絡傳輸模塊。數據采集模塊接收來自主程序的采集命令，并將采集到的數據傳入數據池；數據池是程序專門開辟的存儲空間，用來存放實時數據，供主程序和網絡傳輸模塊提取使用；主程序接收、處理、分析來自數據池的數據，并通過網絡傳輸模塊與服務器軟件進行交互控制；網絡傳輸模塊與服務器軟件進行網絡通信，將監測數據傳輸到服務器，同時，從服務器接收現場監測機收集到的控制信息。現場監測軟件可獨立地分析測得的數據，并判斷機組狀態和診斷故障。

1.2 服務器軟件

該系統使用專業服務器，安裝有服務器軟件。其分為網絡傳輸模塊、數據池和主程序。網絡傳輸模塊為網絡傳輸的紐帶，服務器通過其控制各現場監測軟件、獲取實時數據。數據池負責存放實時數據，供主程序和遠程監測軟件提取。主程序接收、處理、分析和自動存儲來自數據池的數據，并控制現場的監測軟件。服務器的硬盤空間較大，可存儲海量數據，以供離線分析。

1.3 遠程監測軟件

遠程監測機對計算機沒有特殊要求，只需要在工程師的電腦上安裝遠程監測軟件即可。其從服務器軟件獲取、分析、顯示來自所有現場監測軟件的實時振動數據。如果振動超過設定的標準值則會報警。軟件有鑒定機組狀態的功能，可打印智能診斷報表。工程師在辦公室可通過該軟件了解遠處各臺機組的運行狀況，并指導現場工作人員。

2 監測系統的構成和特點

監測系統由硬件部分和軟件部分組成。監測系統的硬件部分除了服務器和遠程監測機外，還有傳感器、信號調理器、采集卡和現場監測機；軟件部分由現場監測軟件、服務器軟件和辦公室監測軟件組成。

2.1 系統硬件部分

圖3為現場監測機組的數據采集和傳輸流程。

圖3 監測系統結構圖

傳感器可測量振動信號，如果有需要，也可使用溫度、壓力、流量或軸位移傳感器測量。轉速傳感器可測量轉速，該信號經過信號調理器后成為TTL電平信號，可用其上升沿作為信號的采集觸發源，從而保證整周期采集，避免頻率泄露。

信號調理器是自行研制的設備，其作用是將測試信號與數據采集卡相匹配，起到放大、濾波、調理轉速信號、為傳感器供電等作用，其放置在現場監測機旁邊，通過特殊接口與插在現場監測機中的采集卡連接。采集卡的主要作用是根據軟件設定的采樣頻率進行數據采集，并將傳感器測得的模擬電壓信號轉換成計算機可處理的數字信號，即A/D轉換。

2.2 系統軟件部分

系統軟件主要根據運行過程中的振動信號來監測機器的運行狀況，并根據振動信號的變化來診斷機器中的故障。以“面向故障特征，濃縮機器特征信息”為設計思想，將機器轉子運動的正進動和反進動量（一、二和三階正、反進動量和進動比）作為故障特征量引入監測系統。

一、二和三階正、反進動量是能確切反映轉子主要振動故障的信息——不僅反映振動的幅值信息，還能反映振動的相位信息；并可作為監測特征量，配合傳統的時域、頻譜分析，從而幫助工作人員更準確地判斷轉子故障類型區，為工程師提供可靠的故障診斷依據。

該系統可幫助工程師診斷機器中可能出現的故障包括轉子不平衡、轉軸裂紋、轉靜碰摩、轉子熱彎曲、葉片掉快、支承不對中、轉子失穩、油膜渦動、油膜振蕩和喘振。

3 系統的監測功能

系統的監測功能分為穩態分析、暫態分析和趨勢分析。這些監測功能分布于現場監測軟件、服務器軟件和辦公室監測軟件中。

3.1 穩態分析

該系統可實時顯示用于分析機組運行狀態和診斷故障的各種圖譜，比如時域波形、頻譜分析、相關分析、功率譜線、軸心軌跡、軸心進動、全息分析和倒譜分析等，并可對多組數據進行三維頻譜分析；可測量轉速、振動量（或其他物理量，根據傳感器類型確定），并在軟件主界面中顯示。此外，還可顯示峰峰值、有效值、一階量、二階量和三階量等重要參數，從而保證工程師可隨時查看機組的運行狀況。

如果振動值超過設定的報警門限，則會報警，同時，還可顯示信號突變的測點位置。報警后，系統將自動保存報警前4 s的數據和報警后10 s的數據，以方便故障分析。

該系統能動態刪除未報警的數據文件，以減小冗余數據量；保留一星期以內的所有數據文件；每日定時按照軟件給定的時間間隔保留7 d前的一部分數據文件，刪除多余文件；每年的1月1日將上一年的全部數據剪切出來，并新建文件夾備份文件，避免文件積累過多，進而導致無法打開文件夾。

3.2 暫態分析

暫態分析主要起采集和分析啟、停機信息的作用。分析圖譜主要有增（減）速Bode圖、增（減）速軸心進動圖、增（減）速諧波分析圖和增減（速）過程圖等。在過渡狀態下，振動信號中包含著豐富的機器狀態信息。過渡狀態的所有信息都可儲存，各種曲線和數值可隨時打印存檔。

3.3 趨勢分析

趨勢分析主要分析振動總量趨勢、軸心進動趨勢和諧波振動趨勢，可實時顯示振動趨勢信息，也可在離線情況下通過選擇時間段查看對應的各種振動趨勢。通過查看趨勢圖譜，可了解機器過去和現在運行狀況的變化趨勢，便于分析故障和確定發生故障的時間。

4 系統監測實例

該系統在某燃氣廠對其1#機組和4#機組中成功運行1年多，結果表明，該系統能完成預定的各項功能，即現場數據的采集、處理、傳輸，服務器的數據接收和傳輸，系統管理和系統控制，遠程監測機的異地實時監測，滿足了企業對監測系統的需求。

5 結束語

本文開發的基于TCP/IP網絡技術的旋轉機械振動監測系統具有數據采集、穩態分析、暫態分析、趨勢分析和網絡傳輸功能，已成功運用于某燃氣廠的生產實踐中，具有良好的工程實用價值。

參考文獻

[1]鄭月珍.旋轉機械振動監測和分析[J].燃氣輪機發電技術，2010，12（01）：196-202.

[2]李方澤，劉頤清，王正.工程振動測試與分析[M].北京：高等教育出版社，1992.

〔編輯：張思楠〕