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壓縮機遠程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)研究
昆山遠方機電設(shè)備有限公司 2015/5/28 9:18:00
大中型關(guān)鍵設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，對工業(yè)企業(yè)的正常生產(chǎn)、設(shè)備和職工人身的安全、社會的和諧穩(wěn)定有非同尋常的重要意義。以提供生產(chǎn)動力（如：石化行業(yè)的工藝流程用）的壓縮機為例，壓縮機運行狀態(tài)出現(xiàn)異?；虬l(fā)生突發(fā)故障，將導(dǎo)致生產(chǎn)線或生產(chǎn)設(shè)備停機，造成重大經(jīng)濟損失，嚴重的甚至造成爆炸，對企業(yè)的人員和設(shè)備造成嚴重破壞后果。因此，對關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控和故障診斷一直備受重視。在設(shè)備運行過程中對關(guān)鍵參數(shù)進行檢測，在設(shè)備控制系統(tǒng)中嵌入狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷模塊，已成為國內(nèi)外設(shè)備用戶與制造廠家掌握裝備應(yīng)用狀態(tài)，確保裝備正常、可靠運行的共同舉措。在經(jīng)濟全球化的今天，面對激烈的市場競爭，性能好、可靠性高、售后服務(wù)有保障的產(chǎn)品更受客戶的青睞，關(guān)鍵設(shè)備和大中型設(shè)備所具有的保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)已成為產(chǎn)品的核心技術(shù)之一，同時也成為裝備制造企業(yè)、用戶和相關(guān)科研院所當前研究熱點和發(fā)展趨勢。
基于GPRS的遠程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)和系統(tǒng)是目前國內(nèi)的研究熱點。依托我國無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展和無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面與普及率，國內(nèi)的研究與國外同步。對大型工程機械、數(shù)控機床、油田以及水電抄表等單一領(lǐng)域基于GPRS的遠程狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)已有研究報導(dǎo)。本研究通過控制嵌入式數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的成本，注重監(jiān)控診斷與技術(shù)服務(wù)平臺上面向用戶的狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)的實用性，使壓縮機遠程監(jiān)控服務(wù)中心成為企業(yè)數(shù)字化管理、品牌服務(wù)的窗口，研究的應(yīng)用推廣必將有廣闊的市場前景和可觀的經(jīng)濟價值，并具有良好的社會效益。
通過對壓縮機遠程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)研究，將基于無線通信技術(shù)的設(shè)備遠程監(jiān)控與壓縮機故障診斷技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建壓縮機監(jiān)控診斷與技術(shù)服務(wù)平臺，利用移動通訊商提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和自行開發(fā)的嵌入式數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送到壓縮機監(jiān)控診斷與技術(shù)服務(wù)平臺的遠程數(shù)據(jù)處理中心，在平臺上對壓縮機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、預(yù)警和故障診斷，為廠家及用戶提供設(shè)備遠程監(jiān)控和故障診斷服務(wù)。
壓縮機遠程監(jiān)控診斷與服務(wù)平臺的構(gòu)成如圖1所示，它由遠程數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU，Data Transmission Unit）、壓縮機遠程監(jiān)控診斷與服務(wù)平臺遠程數(shù)據(jù)服務(wù)中心和面向用戶的設(shè)備監(jiān)控與故障診斷服務(wù)系統(tǒng)三大部分組成。其中，遠程數(shù)據(jù)傳輸單元DTU由嵌入式CPU和無線通訊GPRS發(fā)送模塊組成。DTU安裝在所要監(jiān)控的設(shè)備上，通過RS232/485口從設(shè)備控制器接收來自設(shè)備上各測點的工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。嵌入式CPU中先將數(shù)據(jù)作簡單處理，以降低數(shù)據(jù)傳輸量。對于簡單故障可進行現(xiàn)場處理排除（如監(jiān)測參數(shù)超過閾值等）。然后將篩選后的數(shù)據(jù)打包，通過GPRS發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺的遠程數(shù)據(jù)服務(wù)中心，由壓縮機遠程監(jiān)控診斷與服務(wù)平臺針對特定用戶的需求對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、預(yù)警和診斷。廠家及用戶可以通過Internet上網(wǎng)到平臺上獲取設(shè)備遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷信息，下載設(shè)備運行的監(jiān)控數(shù)據(jù)，以便于監(jiān)控和售后服務(wù)。
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因此，本項目的主要研發(fā)內(nèi)容包括遠程數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的設(shè)計、壓縮機遠程監(jiān)控診斷服務(wù)中心的軟件平臺的構(gòu)建、面向用戶的設(shè)備監(jiān)控與故障診斷服務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)三大部分。
嵌入式數(shù)據(jù)傳輸單元DTU是專為設(shè)備遠程監(jiān)控和故障診斷所開發(fā)的接口裝置，其功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，并按設(shè)定的方式和規(guī)定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)。DTU需要安裝在設(shè)備上，通過RS232/485接口與設(shè)備控制器相連，因此在保證功能和裝配要求的前提下必需力求降低成本。研發(fā)內(nèi)容包括：① 合理選用嵌入式CPU和移動通訊芯片，兼顧成本、系統(tǒng)可擴充性和功能設(shè)置的可編程性的要求；② 硬件設(shè)計，主要是進行DTU與設(shè)備控制器（PLC、工控機或其它控制器）的硬件接口設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、電源及輔助部分設(shè)計、系統(tǒng)時鐘等硬件電路的設(shè)計開發(fā)；③軟件設(shè)計，主要包括工作模式設(shè)定、定時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、異常告警、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、軟故障自動恢復(fù)等功能模塊的設(shè)計開發(fā)。
公司的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)為中國電信專線接入，由于其提供網(wǎng)站發(fā)布的IIS服務(wù)器放置在企業(yè)網(wǎng)里，因此申請了靜態(tài)IP地址，以方便外部的DNS（Domain Name Server）域名解析服務(wù)，由于該監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計技術(shù)上要求數(shù)據(jù)接收軟件的所處的位置必須為獲取靜態(tài)IP地址的服務(wù)器，但是壓縮機廠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為專線接入后先經(jīng)過企業(yè)防火墻，然后統(tǒng)一進入企業(yè)的交換機，然后再向下分配到各服務(wù)器和子交換機，因此將監(jiān)控中心服務(wù)器放在與其并列的位置上。其獲取的IP地址為DHCP服務(wù)器分配的企業(yè)內(nèi)部IP地址，需要在防火墻上作一條端口映射的指令。這時在發(fā)送終端上只需將數(shù)據(jù)發(fā)送到該端口即可，這時防火墻接收到數(shù)據(jù)后，即按照端口映射的設(shè)置，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心服務(wù)器。
從遠程數(shù)據(jù)采集終端DTU傳來的數(shù)據(jù)通過各個網(wǎng)關(guān)和路由，傳送到壓縮機遠程監(jiān)控診斷與服務(wù)中心進行顯示、分析和處理，從而實現(xiàn)對遠程壓縮機設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并對故障進行預(yù)警和診斷。
壓縮機遠程監(jiān)控診斷服務(wù)中心的軟件平臺構(gòu)建工作包括數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計、遠程監(jiān)控模塊的設(shè)計、信號分析模塊設(shè)計三大部分內(nèi)容，貫穿這三大模塊的是后臺數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、實現(xiàn)及管理?；竟δ苣K包括：數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、信號分析、報警記錄查詢、報表輸出、故障診斷、系統(tǒng)管理等，服務(wù)器采用多線程并發(fā)處理機制，可以同時接受多個用戶的訪問。服務(wù)器端系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖所示。
數(shù)據(jù)采集模塊主要負責(zé)從GPRS模塊中接收監(jiān)控數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的分類、入庫及管理操作，為整個系統(tǒng)的后續(xù)工作提供原始數(shù)據(jù)資料。服務(wù)器端在軟件實現(xiàn)上采用TCP/IP協(xié)議，通過Windows Sockets建立虛擬的通訊邏輯信道，用以接收數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。在GPRS模塊與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器間傳送的數(shù)據(jù)采用IP包的形式，所以在傳送前傳送方與接收方要事先確定好數(shù)據(jù)格式及加密手段，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后首先要進行解碼處理再存儲入庫。
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是壓縮機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心，所以選擇一種高效的邏輯手段及完整的數(shù)據(jù)模型非常重要。在進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計之前首先要明確設(shè)計對象、設(shè)計目標及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用E-R法則設(shè)計關(guān)系圖的方法設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫關(guān)系。采用Microsoft SQL Server 2000作為該數(shù)據(jù)模型的管理軟件，在SQL中用表跟關(guān)系圖的設(shè)計來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。
壓縮機的熱力性能故障，如排氣量不足、壓力不正常、溫度異常等，比機械性能故障發(fā)生的更為頻繁，這也是壓縮機的故障診斷與旋轉(zhuǎn)機械相比所特有的一面。參數(shù)法對于診斷壓縮機的熱力性能故障較為有效。參數(shù)法是通過測定機器的各項性能參數(shù)值，將這些數(shù)據(jù)進行處理，然后同基準參數(shù)參考數(shù)值相比較，得出分析結(jié)果（如偏高、偏低、過高、過低），從而可以診斷出機器在整體性能方面或零部件性能方面存在的故障，并進一步分析判斷其故障部位和預(yù)測故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。
本系統(tǒng)選擇參數(shù)法作為壓縮機熱力性能故障的診斷方法，因此其診斷信號的采樣位置就要依據(jù)參數(shù)法所需的參數(shù)來進行選擇。診斷壓縮機熱力性能故障的方法有排氣量異常理論；級間壓力、氣量、溫度異常理論；排氣溫度異常理論三種，分別涉及不同的采樣參數(shù)。
遠程監(jiān)控模塊的設(shè)計目標是要開發(fā)一個基于Internet的開放式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過動態(tài)網(wǎng)頁對數(shù)據(jù)庫的訪問來實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的動態(tài)信息交互。這一部分是真正可以被用戶直觀感受和使用的部分，因此要求具有可視化的界面、便捷的使用方法和高效的數(shù)據(jù)傳輸效率。
作為一個遠程監(jiān)控平臺，其根本目的是要為設(shè)備的故障診斷及前期預(yù)警提供依據(jù)，因此要以設(shè)備的故障診斷為目的來確定監(jiān)控信號的采樣位置及信號分析方法。不同類型的設(shè)備需要采取不同的監(jiān)控與故障診斷方法，不同的企業(yè)用戶對設(shè)備監(jiān)控與故障診斷的功能需求亦不相同。壓縮機遠程監(jiān)控診斷與服務(wù)平臺需要針對不同的客戶、不同的設(shè)備監(jiān)控診斷需求提供個性化的服務(wù)。要通過對所要監(jiān)控設(shè)備的故障現(xiàn)象的深入了解與分析，尋求對故障現(xiàn)象的合理分類方法，作為最終建立故障診斷專家知識庫的基礎(chǔ)。
壓縮機的常見故障可以分為兩大類。一類是流體性質(zhì)的，屬于機器熱力性能故障，主要表現(xiàn)為機器工作時排氣量不足，排氣壓力異常、溫度異常及級間壓力、溫度異常等；另一類是機械性質(zhì)的，屬于機械性能故障，主要表現(xiàn)為機器運行時異常的響聲、振動和過熱等。
壓縮機的故障診斷過程是一個十分復(fù)雜的映射關(guān)系，它的故障現(xiàn)象、產(chǎn)生原因多種多樣，部位各不相同；同一故障可由不同的部件引起，同一部件又可以引起不同的故障；同一故障可采用多種診斷方法，同一診斷方法又可以適用于不同的故障。要有效的進行故障診斷就要根據(jù)不同故障的特點，采用不同的故障診斷方法，選擇合適的信號采集位置。
壓縮機的機械性能故障主要表現(xiàn)為異常的響聲、振動及過熱等，可能的產(chǎn)生原因有：轉(zhuǎn)子不平衡，半速渦動及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子不對中、共振、部件松動、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)缺陷與裂紋、軸承缺陷等。振聲法對于診斷壓縮機的機械性能故障較為有效。振聲法就是通過對機器外部的振動信號、噪聲信號的測量分析來監(jiān)測其內(nèi)部的狀態(tài)變化，并在此基礎(chǔ)上診斷故障原因、部位、程度、性質(zhì)和發(fā)展趨勢的方法。通常情況下故障都能夠反映在振動信號譜圖的相應(yīng)頻率分量上，即都有其特殊的故障征兆。這些征兆有1/3倍頻、1/2倍頻、工頻、2倍頻、3倍頻等，因此可以通過采樣不同監(jiān)測位置的振動信號的方法來進行壓縮機機械性能故障的分析和診斷。振動信號的分析方法十分繁多，包括了時域、頻域和時-頻域信號分析方法，但實際上都是由為數(shù)不多的幾種基本方法，如統(tǒng)計分析、FFT分析及時序建模等方法經(jīng)適當?shù)慕M合變換而來。本項目設(shè)計開發(fā)了功率譜分析、相關(guān)分析、能量分析、包絡(luò)譜分析、數(shù)據(jù)回放等常用的壓縮機故障診斷分析子模塊，利用振動信號進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，同時兼有溫度和壓力信號的實時監(jiān)測和越限報警的功能。