摘? 要： 介紹了一個利用虛擬儀器技術的網絡化旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計，給出了系統(tǒng)的硬件結構和軟件設計的思路。本系統(tǒng)符合工廠應用的要求，組態(tài)靈活。
關鍵詞： 狀態(tài)監(jiān)測? 虛擬儀器? 網絡
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旋轉機械如汽輪機、燃氣輪機、水輪機、發(fā)電機等是電力、石油化工、冶金、機械、航空等工業(yè)領域的關鍵設備。狀態(tài)監(jiān)測技術可以及時發(fā)現設備的運行故障先兆，為生產和維修提供決策依據，是保證大型設備安全運行、防止惡性事故發(fā)生的有效手段之一。本文介紹的是一個基于網絡的實時在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對旋轉機械狀態(tài)參數的實時采集和處理，形成反映旋轉機械運行狀態(tài)的各種特征參數和圖譜，供用戶進行故障診斷使用。
1 系統(tǒng)任務和目標
系統(tǒng)任務：以網絡為基礎，利用虛擬儀器技術構成一個企業(yè)監(jiān)測網，實現由現場、車間到分廠再到總公司等全方位多機群的在線監(jiān)測系統(tǒng)。
系統(tǒng)目標：
(1)能對設備的運行進行實時在線監(jiān)測，提供故障診斷依據，監(jiān)測參數為設備的轉速、振動值、溫度、壓力、流量及開關量等。
(2)建立網絡數據庫，記錄設備歷史運行數據和升降速(啟停車)數據等;判斷報警狀態(tài)和收集報警數據。
(3)利用數字信號處理技術，提供反映旋轉機械運行狀態(tài)的各種特征參數和圖譜。
(4)在企業(yè)網內對設備的運行實現遠程監(jiān)控與分析。
(5)提供系統(tǒng)參數組態(tài)功能，根據現場具體情況定義相關系統(tǒng)參數，完成系統(tǒng)的重構，生成實用的通用軟件，以滿足不同用戶的需要。
(6)實現虛擬儀器的網頁發(fā)布。
2 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)采用虛擬儀器結構設計，圖1為虛擬儀器系統(tǒng)結構示意圖。
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本系統(tǒng)設計為分布式多機并行處理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以分為四級，如圖2所示。工作站可以獨立進行監(jiān)控作業(yè)，亦可聯網工作。在網絡方式下，分析管理工作站可遠離現場進行設備狀態(tài)分析和系統(tǒng)管理。網頁發(fā)布功能可使授權用戶在網上任意點隨時獲得數據。
第一級為現場數據采集系統(tǒng)。它由傳感器、信號預處理板、數據采集板構成。它是一個單片機應用系統(tǒng)，每一個數據采集卡采集多個測點的數據。振動量采集卡采用工業(yè)總線標準，以插卡的形式插入現場數據采集工作站(工控機)的擴展槽中，將數據以共享內存方式提供給數據采集工作站。它保證了高采樣頻率和高數據傳遞速度，實現了現場數據同步采集。工藝量等慢變量的數據通過串行總線RS232接口與數據采集工作站通訊。
第二級為數據采集工作站。每個工作站都是一個獨立的監(jiān)測系統(tǒng)，管理一臺或幾臺設備；數據采集工作站能不間斷地實時在線監(jiān)測軸振動、軸位移、轉速、溫度、壓力、流量等參數，能做到自動記錄(根據記錄配置選擇多種記錄策略)、判斷升降速狀態(tài)(產生升降速數據)、判斷報警(產生報警事件表及黑匣子數據)、班(日)報表打印，同時還要響應用戶從面板進行控制的要求;此外，可以方便做到聯網運行，組成企業(yè)監(jiān)測網絡。
第三級為分析管理工作站及Web、數據庫服務器。本系統(tǒng)的服務器從功能上來說，由數據庫服務器、web服務器、管理服務器、分析診斷服務器組成。從數據流量分布均勻性出發(fā)，實際的硬件平臺由一臺服務器作為數據庫服務器和web服務器，另一臺作為管理服務器及分析診斷服務器。其中，數據庫服務器中存放報警、升降速、短期、中期及長期數據庫形成設備運行歷史檔案，供網上各用戶對設備進行監(jiān)視;Web服務器為INTERNET或INTRANET上的各用戶查看設備運行參數提供數據訪問接口;管理服務器用于完成監(jiān)測網上的所有工作站及設備信息(如設備組態(tài)和各監(jiān)測通道的設置參數等)的管理和顯示及報警轉接功能;分析診斷服務器對設備的各種運行數據提供各種分析診斷方法。在設備狀態(tài)網監(jiān)測中心的服務器上，系統(tǒng)提供給用戶各種分析手段，對網上各種設備進行監(jiān)測和故障診斷，同時服務器上的網絡數據庫通過積累運行數據，摸索設備運行的狀態(tài)規(guī)律，對設備的安全運行具有重要意義。
第四級為網上各個瀏覽器。系統(tǒng)設計網絡速度為10M~100Mbps。在瀏覽器上通過INTERNET或INTRANET網查看各設備當前或歷史運行情況，瀏覽器上數據運行速度受網絡傳輸速度的影響。它可以使公司內INTRANET網上的每臺微機通過IE或Netscape訪問各設備的監(jiān)測分析結果(如各種波形、譜、報表等)。同時通過網關還可以實現數據在全球INTERNET上的共享(可預先設定權限)，使有關管理人員不在廠區(qū)時也能隨時了解廠內每臺設備的每個監(jiān)測點的運行情況。利用INTERNET上的資源，可以實現廠內設備遠程診斷，與外部專家實行遠程精確會診，縮短排除故障的時間。當然，這些功能都是由Web服務器實現的。
3 系統(tǒng)軟件設計
整個系統(tǒng)的軟件分為三部分，主要為六大模塊，分別運行于工作站、分析站和服務器上，采用LabView和VB編程。軟件功能模塊劃分見圖3。
3.1 數據庫設計
本系統(tǒng)采用本地(ACCESS)和網絡(SQL SERVER)兩級數據庫系統(tǒng)。數據庫的定義采用ACCESS和SQL SERVER兼容的方式，且兩級數據庫的結構一樣。這樣，即使在離線狀態(tài)下，數采工作站也可獨立完成監(jiān)測分析工作;在網絡方式下，設備運行數據全部記錄到網絡數據庫，由服務器對數采站、分析站和瀏覽器提供網絡數據服務;在網絡故障時，采集的數據暫時存在本地，待一個獨立的線程檢測到網絡故障恢復后再將數據自動轉移到服務器上。整個系統(tǒng)的數據庫如表1所示。
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3.2 后臺主模塊
后臺主模塊完成儀器驅動、數據采集和記錄以及報警和升降速的處理工作。它被設計成多線程并行的事件響應式運行結構，程序一旦啟動便連續(xù)工作。表2是它要處理的事件和響應表。
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3.3 組態(tài)模塊
組態(tài)模塊便于用戶根據具體應用環(huán)境設定工作站的功能，提高了系統(tǒng)的適應性和可擴展性。
系統(tǒng)定義組態(tài)： 對工作站的工作環(huán)境、工作任務和自身性能的描述。
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。
數據庫組態(tài)：定義測點配置參數、測點特征描述、信號數據結構等。
報表組態(tài)：提供報表格式選擇，也可由用戶自定義格式。
3.4 數據分析模塊??
數據分析模塊提供強大的數字信號分析功能，包括時域分析、頻域分析(幅值譜、功率譜、帶窗函數選擇、譜平均、坐標選擇功能)、軸心軌跡、包絡譜分析、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、惰轉曲線)、趨勢分析(24小時趨勢、周趨勢、月趨勢)、相關分析、二維全息譜等。它與通訊模塊一起安裝在網絡范圍內任意主機上，就使其成為分析站。根據需要，將其安裝在數采工作站上則使其可以獨立完成全部單機監(jiān)測工作。
3.5 通訊模塊
通訊模塊實現數采工作站與分析站、數采工作站與服務器之間的數據通訊。通訊模塊的功能包括：從數采站實時向網上發(fā)送設備報警數據;偵聽到分析站或服務器的請求后，上傳實時采集數據;上傳工作站組態(tài)配置表，使服務器數據庫中內容同步更新;校對各節(jié)點系統(tǒng)時鐘。
本系統(tǒng)采用虛擬儀器結構設計，有很強的通用性和實用價值。系統(tǒng)結構的四個層次的實現方式，適應了企業(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備現場監(jiān)控和企業(yè)網絡在線監(jiān)控，且組態(tài)方便。本系統(tǒng)已在鎮(zhèn)海煉化股份公司用于煉油新催化裝置主風機、氣壓設備的狀態(tài)監(jiān)測，效果良好。
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參考文獻
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