利用虚拟仪器热核设计的网络化旋转机械状态监测系统

    摘要：介绍了一个利用虚拟仪器技术的网络化旋转机械状态监测系统的设计，给出了系统的硬件结构和软件设计的思路。本系统符合工厂应用的要求，组态灵活。

    关键词：状态监测  虚拟仪器  网络

旋转机械如汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机等是电力、石油化工、冶金、机械、航空等工业领域的关键设备。状态监测技术可以及时发现设备的运行故障先兆，为生产和维修提供决策依据，是保证大型设备安全运行、防止恶性事故发生的有效手段之一。本文介绍的是一个基于网络的时在线状态监测系统，通过对旋转机械状态参数的实时采集和处理，形成反映旋转机械运行状态的各种特征参数和图谱，供用户进行故障诊断使用。

1 系统任务和目标

系统任务：以网络为基础，利用虚拟仪器技术构成一个企业监测网，实现由现场、车间到分厂再到总公司等全方位多机群的在线监测系统。

系统目标：

（1）能对设备的运行进行实时在线监测，提供故障诊断依据，监测参数为设备的转速、振动值、温度、压力、流量及开关量等。

（2）建立网络数据库，记录设备历史运行数据和升降速（启停车）数据等；判断报警状态和收集报警数据。

（3）利用数字信号处理技术，提供反映旋转机械运行状态的各种特征参数和图谱。

(4)在企业网内对设备的运行实现远程监控与分析。

（5）提供系统参数组态功能，根据现场具体情况定义相关系统参数，完成系统的重构，生成实用的通用软件，以满足不同用户的需要。

（6）实现虚拟仪器的网页发布。

2 系统结构

本系统采用虚拟仪器结构设计，图1为虚拟仪器系统结构示意图。

本系统设计为分布式多机并行处理系统，整个系统可以分为四级，如图2所示。工作站可以独立进行监控作业，亦可联网工作。在网络方式下，分析管理工作站可远离现场进行设备状态分析和系统管理。网页发布功能可使授权用户在网上任意点随时获得数据。

第一级为现场数据采集系统。它由传感器、信号预处理板、数据采集板构成。它是一个单片机应用系统，每一个数据采集卡采集多个测点的数据。振动量采集卡采用工业总线标准，以插卡的形式插入现场数据采集工作站（工控机）的扩展槽中，将数据以共享内存方式提供给数据采集工作上。它保证了高采样频率和高数据传递速率，实现了现场数据同步采集，工艺量等慢变量的数据通过串行总线RS232接口与数据采集工作站通讯。

第二级为数据采集工作站。每个工作站都是一个独立的监测系统，管理一台或几台设备；数据采集工作站能不间断地实时在线监测轴振动、轴位移、转速、温度、压力、流量等参数，能做到自动记录（产生升降速数据）、判断报警（产生报警事件表及黑匣子数据）、班（日）报表打印，同时还要响应用户从面板进行控制的要求；此外，可以方便做到联网运行，组成企业监测网络。

第三级为分析管理工作站及Web、数据库服务器。本系统的服务器从功能上来说，由数据库服务器、web服务器、管理服务器、分析诊断服务器组成。从数据流量分布均匀性出发，实际的硬件平台由一台服务器作为数据库服务器和web服务器，另一台作为管理服务器及分析诊断服务器。其中，数据库服务器中存放报警、升降速、短期、中期及长期数据库形成设备运行历史档案，供网上各用户对设备进行监视；Web服务器为INTERNET或INTRANET上的各用户查看设备运行参数提供数据访问接口；管理服务器用于完成监测网上的所有工作站及设备信息（如设备组态和各监测通道的设置参数等）的管理和显示及报警转接功能；分析诊断服务器对设备的各种运行数据提供各种分析诊断方法。在设备状态网监测中心的服务器上，系统提供给用户各种分析手段，对网上各种设备进行监测和故障诊断，同时服务上的网络数据库通过积累运行数据，摸索设备运行的状态规律，对设备的安全运行具有重要意义。

第四级为网上各个浏览器。系统设计网络速度为10M～100Mbps。在浏览器上通过INTERNET或INTRANET网查看各设备当前或历史运行情况，浏览器上数据运行速度受网络传输速度的影响。它可以使公司内INTRANET网上的每台微机通过IE或Netscape访问设备的监测分析结果（如各种波形、谱、报表等）。同时通过网关还可能实现数据在全球INTERNET上的共享（可预先设定权限），使有关管理人员不在厂区时也参随时了解厂内每台设备的每个监测点的运行情况。利用INTERNET上的资源，可以实现厂人设备远程诊断，与外部专家实行远程精确会诊，缩短排除故障的时间。当然，这些功能都是由Web服务器实现的。

3 系统软件设计

整个系统的软件分为三部分，主要为六大模块，分别运行于工作站、分析站和服务器上，采用LabView和VB编程。软件功能模块划分见图3。

3.1 数据库设计

本系统采用本地（ACCESS）和网络（SQL SERVER）两级数据库系统。数据库的定义采用ACCESS和SQLSERVER兼容的方式，且两组数据库的结构一样。这样，即使在离线状态下，数采工作站也可独立完成监测分析工作；在网络方式下，设备运行数据全站记录到网络数据库，由服务器对数采站、分析站和浏览器提供网络数据服务；在网络故障时，采集的数据暂时存在本地，待一个独立的线程检测到网络故障恢复后再将数据自动转移到服务器上。整个系统的数据库如表1所示。

表1 系统数据库表

3.2 后台主模块

后台主模块完成仪器驱动、数据采集和记录以及报警和升降速的处理工作。它被设计成多线程并行的事件响应式运行结构，程序一旦启动便连续工作。表2是它要处理的事件和响应表。

表2 事件及响应表

3.3 组态模块

组态模块便于用户根据具体应用环境设定工作站的功能，提高了系统的适应性和可扩展性。

系统定义组态：对工作站的工作环境、工作任务和自身性能的描述。

采集组态：定义采集工作站名、IP地址、采样方式、采样频率和采样通道。

数据库组态：定义测点配置参数、测点特征描述、信号数据结构等。

报表组态：提供报表格式选择，也可由用户自定义格式。

3.4 数据分析模块

数据分析模块提供强大的数字信号分析功能，包括时域分析、频域分析（幅值谱、功能谱、带窗函数选择、谱平均、坐标选择功能）、轴心轨迹、包络谱分析、倒频谱分析、升降速状态分析（三维瀑布图、Bode图、Nyquest图、轴心位置图、惰转曲线）、趋势分析（24小时趋势、周趋势、月趋势）、相关分析、二维全息谱等。它与通讯模块一起安装在网络范围内任意主机上，就使其成为分析站。根据需要，将其安装在数采工作站上则使其可以独立完成全站单机监测工作。

3.5 通讯模块

通讯模块实现数采工作站与分析站、数采工作站与服务器之间的数据通讯。通讯模块的功能包括：从数采站实时向网上发送设备报警数据；侦听到分析站或服务器的请求后，上传实时采集数据；上传工作站组态配置表，使服务器数据库中内容同步更新；校对各节点系统时钟。

本系统采用虚拟仪器结构设计，有很强的通用性和实用价值。系统结构的四个层次的实现方式，适应了企业中各用户的需要。软件清晰的模块化定义，使之可方便地用于设备现场监控和企业网络在线监控，且组态方便。本系统已在镇海炼化股分公司用于炼油新催化装置主风机、气压设备的状态监测，效果良好。