摘 要：开发了一套网络化旋转机械振动监测系统。该系统基于网络TCP/IP协议，采用C/S网络结构。其除了具备传统的时域和频谱分析功能以外，还具备基于转子轴心轨迹的测试和分析功能，并以一、二和三阶正、反进动量作为特征量的监测、诊断方法。通过在某燃气厂使用1年多后发现，该系统运行稳定、可靠，具有工程实用价值。

关键词：远程故障诊断；旋转机械；TCP/IP；C/S网络结构

中图分类号：TP315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.113

旋转机械是各种类型机械设备中数量较多、应用非常广泛的一类机械，比如压缩机、汽轮机、燃气轮机、电机、风机和泵等。旋转机械是企业的关键设备，其运行状态会直接影响企业的生产过程，一旦出现重大故障，则会造成巨大的经济损失和灾难性后果。振动在设备故障中占有很大比例，是影响设备运行的重要因素之一。旋转机械状态监测和故障诊断技术是一种了解旋转设备在使用过程中的状态，尽早发现故障原因，并能预报故障发展趋势的技术，其能保证旋转设备可靠、有效的运行。

基于Internet和Intranet的远程故障诊断是近年来迅速发展起来的新技术，是设备诊断技术与通信技术、网络技术、计算机技术、控制技术相结合的产物。对于制造商而言，其为该产品提供了全球范围内的诊断和维修服务，大大降低了故障诊断、维修所需的费用；对于设备使用方而言，可及时得到诊断和维修，避免了因故障而引起的损失，从而可保证正常生产。因此，深入开展远程故障诊断系统的研究具有十分重要的实际应用意义和价值。

本文中开发的网络化旋转机械振动监测系统可将网络的优势充分应用到振动监测中，网络中的各个组成部分分工明确，可实现资源共享。现场监测机负责采集、整理数据，服务器负责控制各监测机并存储数据，远程监测机可使工程师在办公室对各机组进行监测和故障诊断，实现了专家经验、知识与实时数采系统的结合，从而更加方便开展异地实时诊断。

1 系统总体设计

在设计网络系统时，需要考虑的主要因素有安全性、资源占用率、稳定性和可移植性。网络化旋转机械振动监测的网络结构图如图1所示。

图1 网网络化旋转机械振动监测的网络结构图

现场监测机与服务器利用企业中的工业数采网连接，远程监测机与服务器利用企业网连接，均采用C/S（客户机/服务器）模式，两套网络的连接相互独立。工业数采网安全级别较高、网络稳定、与外界无直接的网络连接，服务器软、硬件配置均较好，只要配置合适的杀毒软件和防火墙就可保证整个系统的安全；网络系统的各个组成部分分工明确，可实现资源共享，保证了较高的资源占用率；各监测机与服务器每隔10 s检验一次与服务器的连接是否正常，如果网络出现故障，则每5 s连接一次服务器，直到网络连接恢复正常，从而确保了系统运行的稳定性；在具备大型旋转机械的企业中一般都装有工业数采网和企业网，即使没有安装，也可采用路由器或交换机组成这样的网络，系统网络的连接基于通用的TCP/IP协议，具有良好的可移植性。

网络中的各个软件模块划分如图2所示。其中，实心箭头为控制流，空心箭头为数据流，上方的方框为现场监测软件，中间的方框为服务器软件，最下方的为远程监测软件，其分别通过网络连接。

图2 系统的软件模块划分

1.1 现场监测软件

现场监测机使用工业计算机，安装有现场监测软件。其分为数据采集模块、数据池、主程序和网络传输模块。数据采集模块接收来自主程序的采集命令，并将采集到的数据传入数据池；数据池是程序专门开辟的存储空间，用来存放实时数据，供主程序和网络传输模块提取使用；主程序接收、处理、分析来自数据池的数据，并通过网络传输模块与服务器软件进行交互控制；网络传输模块与服务器软件进行网络通信，将监测数据传输到服务器，同时，从服务器接收现场监测机收集到的控制信息。现场监测软件可独立地分析测得的数据，并判断机组状态和诊断故障。

1.2 服务器软件

该系统使用专业服务器，安装有服务器软件。其分为网络传输模块、数据池和主程序。网络传输模块为网络传输的纽带，服务器通过其控制各现场监测软件、获取实时数据。数据池负责存放实时数据，供主程序和远程监测软件提取。主程序接收、处理、分析和自动存储来自数据池的数据，并控制现场的监测软件。服务器的硬盘空间较大，可存储海量数据，以供离线分析。

1.3 远程监测软件

远程监测机对计算机没有特殊要求，只需要在工程师的电脑上安装远程监测软件即可。其从服务器软件获取、分析、显示来自所有现场监测软件的实时振动数据。如果振动超过设定的标准值则会报警。软件有鉴定机组状态的功能，可打印智能诊断报表。工程师在办公室可通过该软件了解远处各台机组的运行状况，并指导现场工作人员。

2 监测系统的构成和特点

监测系统由硬件部分和软件部分组成。监测系统的硬件部分除了服务器和远程监测机外，还有传感器、信号调理器、采集卡和现场监测机；软件部分由现场监测软件、服务器软件和办公室监测软件组成。

2.1 系统硬件部分

图3为现场监测机组的数据采集和传输流程。

图3 监测系统结构图

传感器可测量振动信号，如果有需要，也可使用温度、压力、流量或轴位移传感器测量。转速传感器可测量转速，该信号经过信号调理器后成为TTL电平信号，可用其上升沿作为信号的采集触发源，从而保证整周期采集，避免频率泄露。

信号调理器是自行研制的设备，其作用是将测试信号与数据采集卡相匹配，起到放大、滤波、调理转速信号、为传感器供电等作用，其放置在现场监测机旁边，通过特殊接口与插在现场监测机中的采集卡连接。采集卡的主要作用是根据软件设定的采样频率进行数据采集，并将传感器测得的模拟电压信号转换成计算机可处理的数字信号，即A/D转换。

2.2 系统软件部分

系统软件主要根据运行过程中的振动信号来监测机器的运行状况，并根据振动信号的变化来诊断机器中的故障。以“面向故障特征，浓缩机器特征信息”为设计思想，将机器转子运动的正进动和反进动量（一、二和三阶正、反进动量和进动比）作为故障特征量引入监测系统。

一、二和三阶正、反进动量是能确切反映转子主要振动故障的信息——不仅反映振动的幅值信息，还能反映振动的相位信息；并可作为监测特征量，配合传统的时域、频谱分析，从而帮助工作人员更准确地判断转子故障类型区，为工程师提供可靠的故障诊断依据。

该系统可帮助工程师诊断机器中可能出现的故障包括转子不平衡、转轴裂纹、转静碰摩、转子热弯曲、叶片掉快、支承不对中、转子失稳、油膜涡动、油膜振荡和喘振。

3 系统的监测功能

系统的监测功能分为稳态分析、暂态分析和趋势分析。这些监测功能分布于现场监测软件、服务器软件和办公室监测软件中。

3.1 稳态分析

该系统可实时显示用于分析机组运行状态和诊断故障的各种图谱，比如时域波形、频谱分析、相关分析、功率谱线、轴心轨迹、轴心进动、全息分析和倒谱分析等，并可对多组数据进行三维频谱分析；可测量转速、振动量（或其他物理量，根据传感器类型确定），并在软件主界面中显示。此外，还可显示峰峰值、有效值、一阶量、二阶量和三阶量等重要参数，从而保证工程师可随时查看机组的运行状况。

如果振动值超过设定的报警门限，则会报警，同时，还可显示信号突变的测点位置。报警后，系统将自动保存报警前4 s的数据和报警后10 s的数据，以方便故障分析。

该系统能动态删除未报警的数据文件，以减小冗余数据量；保留一星期以内的所有数据文件；每日定时按照软件给定的时间间隔保留7 d前的一部分数据文件，删除多余文件；每年的1月1日将上一年的全部数据剪切出来，并新建文件夹备份文件，避免文件积累过多，进而导致无法打开文件夹。

3.2 暂态分析

暂态分析主要起采集和分析启、停机信息的作用。分析图谱主要有增（减）速Bode图、增（减）速轴心进动图、增（减）速谐波分析图和增减（速）过程图等。在过渡状态下，振动信号中包含着丰富的机器状态信息。过渡状态的所有信息都可储存，各种曲线和数值可随时打印存档。

3.3 趋势分析

趋势分析主要分析振动总量趋势、轴心进动趋势和谐波振动趋势，可实时显示振动趋势信息，也可在离线情况下通过选择时间段查看对应的各种振动趋势。通过查看趋势图谱，可了解机器过去和现在运行状况的变化趋势，便于分析故障和确定发生故障的时间。

4 系统监测实例

该系统在某燃气厂对其1#机组和4#机组中成功运行1年多，结果表明，该系统能完成预定的各项功能，即现场数据的采集、处理、传输，服务器的数据接收和传输，系统管理和系统控制，远程监测机的异地实时监测，满足了企业对监测系统的需求。

5 结束语

本文开发的基于TCP/IP网络技术的旋转机械振动监测系统具有数据采集、稳态分析、暂态分析、趋势分析和网络传输功能，已成功运用于某燃气厂的生产实践中，具有良好的工程实用价值。

参考文献

[1]郑月珍.旋转机械振动监测和分析[J].燃气轮机发电技术，2010，12（01）：196-202.

[2]李方泽，刘颐清，王正.工程振动测试与分析[M].北京：高等教育出版社，1992.

〔编辑：张思楠〕