风机机组群的在线状态监测与控制系统(1).pdf

计算机与应用 化 工 自 动 化 及 仪 表 ， 2 0 0 1 ， 2 8 1 3 4 ～ 3 7 C on t l a n d hI 删朗 b i n Che mi c | 力 Ⅱ 风机机组群的在线状态监测与控制系统 王晓 萍 浙江大学 仪器科学 系． 杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 舟 绍 了风机机 组群 的在线状态监剥与控 制 系统 ， 论逮 了监控原理 ， 井详 细讨论 了系境的构成和硬件 、 牧件的设计方法 。 美t词 风机机 组； P L C模块 ； 薮 据采集模 块； 上位机 中圈分粪号 T 髓 ”文蘸标识码 B文章编 号 1 0 0 0 3 9 3 2 2 0 0 1 o 1 o M．4 4 1 前言 风机机组是化工、 冶金等企业某些生产过程 的关键设备之一 ， 在生产 中曾发生因滚动轴承严 重损坏 、 电机抱轴而被迫停车检修的情况 ， 影响了 正常生产 ， 造成 了很大的经济损失 。因此建立风 机机组在线状态监测与控制 系统 ， 实 时地进行轴 承状态数据的监测 、 报警判断、 联锁判断 ， 有效地 防止滚动轴承故障的发 生， 确保 风机机组长周期 安全、 可靠、 有效地运 行， 具有重大的经济效益 和 现实意义 。为此我们 研制 了 C MC ． 2型风机机组 群在线监测与控制系统。 2 监控原 理 滚动轴承的故障形式较多， 主要有 由于滚动 体在滚道上反复承 受不均匀载荷 引起的疲劳剥 落 ； 由于滚动体与滚道之间的相对 运行及外界污 物的侵入 、 润滑不 良、 装配不正确等引起的磨 损、 损伤 ； 由于滚动面、 滑动面粗糙 ， 抱轴等引起的烧 伤等。滚动轴承的这些故障均会使轴承的振动增 大 ， 有的故障 如烧伤 还会使轴承温度急剧升高。 因此 用振 动检 测法 和温度 检测 法 可 以有效地 监 测 滚动轴承的运行状态， 及时发现轴承的故障 。 C MC ． 2 监控系统的监控对象是九台大型风机 机组 ， 监控信号是每台机组 的 4个振动加速度信 号、 3个温度信号、 1个压力信号 和 1 个联锁开关 控制信号。风机机组的构成与测点分布见图 1 。 电机两端 、 风机两靖 的振动测 点分 别检 测4 收 稿 日 期 2 0 O O一0 7 0 9 信息处理系统 ， 它的意义在于可 以通过分工协作 ， 更加便捷地完成实验室工作以提高实验效率。 参 考 文 蕾 [ 1 ] 撒 软公 司著 ， 希望图书埘 作室译 ． M i c r mo f t I n t t m n e t l Ⅱ 瑚 ∞ S e r v e r 4 o E M]北京 北京 希望 电子出版杜 ． 1 9 9 9 1 2 - 1 3 [ 2 j M a r kMl 伸 著 ， 邱 忡滔 ， 等译M 删 wh - d 0 慨 N T s 一4 第 6版 [ M]北京 电子工业 出版杜 ． 1 9 9 9 g l 0 ． [ 3 ] B 且 盯 T G e z b e r 著 ． 马宗奎， 张育红 ． 等译 ． 口 g Mi e ms o E x ． c } 岫 s 甘5 5 [ M] ． 北京 电子工业出版社， 1 9 9 8 ． 8 [ 4 郑震宇 ， 局立 ． 赵震 ． 许 骁鸣． Wi n d a平台上 过程监 控 软件 的设计[ J ]工业控{ 刨计算机 ． 1 9 9 9 ， 1 2 6 4 2 A Re mo t eMo n i t o r a n d C o n t r o l S y s t e m o fC a t a l y t i c o nt h eI n l e r D e t L I H a o ， H AO P i n g - j i a o ， L I S h i - v u 1 ． D e p a r t m e n t ． 2 o fR e s e a r c hI n s t L t e o fP e t r o l ㈣， B e lti n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n aI 2 ． S c h o o l o fC h e m i c a l 嘈 of z HⅫ n U n i r s i t y ， z n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a A b s t r a c t T h e r e m o t e mon i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m o f c a t a l c c r a c k i n g i s a l I i n t e m e t i n f o r m a ti o n p r o c e s s i n g s y s t e m． i n c l u d i n g i n d u s t r i a l c o n t r o 1 ． I t i n t e g r a t e s d a t a a c q u i s i tio n， d a t a p r o c e s s i n g， a d mi n i s t r a tio n， a n d r e mo t e 8 C C e S S wi t h m． mo t e mo n i t o r a n d c o n t r o 1 ． Th e t h e s i s d i s c u s s e s i t s c o n fig u r a t i o n， i t s f u n c t i o n a nd i ts i mp l e me n t i n g t e c h ni q u e． Ke y wo r d s c a t a l y t i c c r a c ki n g； p r o c e s s mo n i t o r a n d c o n t r o l ； i n t e r n e t ； ret l lo t e mo n i t o r a n d c o n t r o l 维普资讯 第 1期 王晓萍 ． 风机机组群的在线状态监测与控制系统 。 3 5 ’ 个轴 承座外壳的振 动加速度 ， 采用 的是美国 E N T E K公 司生产 的 M3 2 7 A 0 1型 内置式加速度传感 器 ； 3个温度测点检测轴承外圈的温度 ， 采用性能 稳定 、 安装方便 的半导体 型 A D 5 9 0传感 器测量； 1 个 压 力 测点 检 测 风机 的出 口压 力 ， 采 用 Y Y B型 扩散 硅压 力变送 器 测量 ， 由 于 电机 或 风 机 轴 承 的 损坏将影响整个 机组 的正 常工作， 使风机出 口压 力变低， 因此将 出 口压力作为一个检测参数。当 发生联锁时， 系统将输出联 锁开关控制 信号 自动 切断 风机 电源 。 囝 1 风机机组与测点分布囝 挂 固 振动测点 ； ⑤⑦ 温度测 点 ； ⑧压力 点 根据实时可靠 的监测 数据， 以及不 同时段 内 的趋势数据 ， 可以有效地判断风机机组 的状态 ， 及 时作出预警、 报警和联锁跳 闸等 响应。同时通过 对振动加速度波形 数据和各种频谱 如细化分析、 包络谱分析、 P C B谱 分析等 分析 ， 可提取各种故 障特征信息， 进行故障原因的分析与判断。 3系统 构成 与功 能 C M C ． 2型风机机组群在线状态监控 系统的结 构组成如图 2所示 。 该系统由 P L C模块、 振动数据采集模块及上 位计算机三部分组成。P L C模块完成各机组振动 速度有效值、 温度 、 压力信 号的连续实 时采集 ； 实 现与上位计算机 的通信 ； 进行监测数据 的联锁判 断， 输出联锁开关的控制信号 ， 使故障机组 自动停 车。振动数据采集模块完成各机组振动加速度波 形数据的采集 ； 进行波形数据的存储和实现与上 位计算机 的通信。上位计算 机完成数据通信、 数 据分析 、 数据管理等任务 ， 其主要功能有 系统参 数设置 ， 人机对 话； 与 P L C模块 和振动数据 采集 模块进行通信 ； 实时显示各机组测量结果 ， 振动时 域波形和频谱图 ； 进行历史 数据和报警数据的存 储与处理 ； 进行趋势分析和各种频谱分析 ； 根据需 要打印各种报表等。 图 2 风机机组在线监控 系统结构图 4 P L C模块 设计 4 ． 1 P L C模块硬件结构 本系统 P L C模 块 由 日本三菱公 司的 X 2系 列 的五个功 能模块 组 成 ， 如 图 3所示 。 P L C基本 单元包 括中央处理器 C P U 、 存 储 器 R A M 2 k步 、 时钟以及扩展 I ／ O接口， 其 I ／ O点 数为 1 2 t 1 2 ， 输出形 式为继 电器输 出， 本 系统利用 其中 9个输 出作 为九个机组 的联 锁跳 闸控制信 号 。二个 A I D扩展模块完成对每个机组 4路振动 速度信号、 3路温度信号、 1 路压力信号的数据采 集 。晶体管输出模块有 l 6个输出， 系统 中用来控 制机组信号的切 换。通信模块 完成 P L C与 上位 计算机的信息交换。 4 ． 2 P L C模 块 软件设 计 P L C的监控程序包括系统监控程序和用户监 控程序 两部分 。系统监控程序 由制造 商提供 ， 它 包括管理程序 运行管理、 生成用 户元件 、 内部 自 检 、 用户指令解释程序、 标准程 序模块等。用户 维普资讯 3 6 化工自 动化及仪表 第 2 8 卷 监控程序是用户编制的针对具体监控任务要执行 的程序。 图 3 p L C模块结构原理图 P L C以扫描方式运行监控程序 。典型的扫描 过程如图 4所示。图中除用 户程序是用户编写 的 监控程序外， 其余四部分均为 P L C的系统监控程 序。在 内部处理阶段 ， P L C检查 C P U模块内部 的 硬件是否正常 ， 将监控定时器复位 ， 以及完成一些 别的内部工作。在通讯服务阶段 ， P L C与别的带 微处理 器的智 能装 置通 讯。在输 入处 理 阶段 ， P L C把所有外部 输入信号的通断状态读人到它的 输入映蒙 寄存器 中。在用户程 序执 行阶段 ， P L C 逐条解释和执行用户程 序， 将运算结果写入元件 映象寄存 器相应的单元 。在输 出处理 阶段 ， P L C 将输出映象寄存器的状态传送到输 出锁存器 ， 经 输出隔离和功率放 大后 ， 驱动外部负载。用 户监 控程序流程如图 5所示。 图 4 P L C扫插方式 图 5 用 户程序 流程 5 振动数 据采 集模 块设计 5 ． I 硬件设计 振动数据采 集模块的硬件结构如 图 6所示。 为实现对振动加速度的高速采集和快速信号处理 ， 采用 了美国 D a l l a s S e m i c o n d u c 公司的 8 0 C 3 2 0高 速 C P U， 鲫C 3 2 0单片机与 MC S 5 1系列单片机软件 完全兼容 ， 但处 理速度 却是 M C S 5 1单 片机的六 倍 。另外 ，它还具有低功耗 H C MO S工艺 ， 内部 集成 Wa t c h d o g和低电源电压检测等功能。该模 块 以 8 0 c 3 2 0单 片 机 为 核 心 ， 扩 展 6 4 k 一 片 2 7 C 5 1 2 程 序存 储 器 和 6 4 0 k数 据存 储 器 5片 6 2 8 1 2 8 ， 且用 M A X 2 0 2 将 8 0 C 3 2 0串行 口电平转换 为标准 R S 2 3 2电平， 以便 同上位机 串行通信。该 模 块 前 向通 道 扩 展 1片 1 2位 A ／ D 转 换 器 MA X I 2 0 ， 转换 时间为 2 。 进 行风机机组振动信 ．u s 号的模数转换。每个机组 4路振动传感器输出信 号经信号处理 电路后 ， 输入到各 自的采样保持电 路。信号 采样 时， 用 8 0 C 3 2 0的 P 1 ． 0口线控 制 4 个采样保持器同时进行信 号保持 ， 然后通过模拟 开关切换 ， 分别由 A ／ D转 换 4个通道的数据 。待 4个通道信号全部转换完毕 ， 再控制 4个采样保 持器进入信号跟踪状态 ， 以便进行下一个采样时 刻信号的采样。在进行一 次波形数据采集之前 ， 先进行一次预采样 此 时令程控增益 为 1 ， 根据 预采样结果进行程控增益 的调整 ， 以保证波形数 据的采样精度 。 5 ． 2 采 集模块 软件 设计 振动数据 采集模块 的监控 主程序 如图 7所 示。采样模块上 电后 ， 主程序首先对各种 I ／ 0口、 标志等进行初始化设置 ， 然后进入各机组各通道 振动加速度波形数据的采集。每个机组采集完毕 等待 2 s ， 以便与上位机进行数据通信 。 维普资讯 第 1 期 王 晓萍 ． 风机机组群的在线状态监测与控制系统 3 7 目 6 振 动数据采集摸旌硬件结构 图 7 振 动数据采集模块 的监控主程序框 图 6 结束语 重大机器设备的状态监测技术 已是企业现代 化管理的重要组成部分。机器状态的在线监测与 故障诊断是保 证机器设备 长周期安全运行 ， 提高 企业生产率 的重要手段。C MC - 2风机机组群在线 监测与控制系统， 结台我国工业 企业实际 ， 在技术 的先进性、 功能 的工程实用性等方面具 有十分 明 显的特点。在两年多的实际使用中已发挥了重要 作用 ， 其监测数据为设备 的维护、 检修、 更换提供 了技术依据 ， 有效地防止了一些破坏性轴承故障。 A i r P mm p Un i t On l i n e S t a t e M o mmr i n g r 啦 m WANG Xi a o - p i ng O C t ． I n s t rum e n t S c ． n c e ， z J U n i v e r s i t y ， 姐 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e o n l i n e s l atemo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m o fCMC． 2 a i r p u mp u n i ti si n t r o d u c e d． T h emo n i t o rin gpr i n e i p l e， s y s t e m s t me t l l r e， d e s i g n me t h o d o f h a r d wa r e a n d s o f twa r e a r e d i s c u s s e d d e tai l e d l y． I t h a s v e r y c l e a r c h a r a c t e r i s t i c s a t the a s p e c L o f a d v ant a g e a n d p m j o c t p r a c ti c a b i l I t y ． T h e p r a c t i c e叩p n c ati o n s h o w s tha t t h e mo i t o , i n S d a t a h as p r o v i d e d the t e c h n o l o g y b asi s f o r d e v i ce ma i n t e n a n c e， o v e r h a u l ， a nd r e p l a c i n g ， a n d h a s e ff e c t i v e l y p r e v e m t e d s o l l l e d e s t r u c t i v e n e s s b e a r i n g t r o u b l e s ． Ke y wo r d s sir p u mp u n i t ； PL C mo du l e； d ata a c q u i sit i o n mo d u l e； h o s t c o mp u t e r 简讯 De s 、 现 场 总线 、 调节 阀学 习班 ” 将在成 都 举办 为了配音科技人 员的继续工程最 育， 成都有机硅研 克中心与 率林 栗目定 于 2 0 0 1 年 9月 中旬在成都 丸寨沟 联合举 办一期 栗散 系统 D c s 、 现场总线、 调节 闰学习班 。许乖 内容 为 集散 系统原理 、 构成 、 设 计选型 及应 用实例 ； 现 场总线 和 现 场总线控制 系统 F C S 调 节阀计算 、 选型及应用。最材选用 集散 系统原理 与应 用 、 调节阀计算 、 选型、 应用 。特邀 成都有机硅研 究中心 罗秋 生高工、 率林集 目总经理明麝 东高工、 刘伟最搜 、 李大荣 高工主讲 。学习班为期 1 2走， 学 费 台 资抖 1 0 8 0元／ 人 。要 求参 加的单位请 与尊澄 宇联 系， 电话 0 9 3 1 ． 7 5 8 4 3 5 8 。或与重庆青木 关青北 下街 1 3号率掉睿 司李 继 民联 系 ， 电话 0 2 3 ． 6 5 6 0 3 9 6 2， 邮 编 4 01 3 3 4。 维普资讯