设备在线状态监测与闭环管理

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1、设备在线监测与闭环管理设备管理的要素很多，涉及到设备从生产、制造、投入运营至失效的整个过程，其中各类技术、管理手段的应用也非常广泛，对企业来说是一项重要的系统工程。本文主要阐述设备状态的概念、设备状态信息的获取方式、在线监测技术、故障诊断技术、闭环管理、设备评估寿命技术。1. 在线监测技术的发展2. 设备状态管理状态信息：反映和评价设备功能、精度与可靠性以及效率的直接与间接信息。状态信息包括原始状态信息与结果状态信息两大类。2.1 原始状态信息原始状态信息也就是设备的基本属性。风机：设备名称、设备代码、作用原理（离心式、轴流式等） 、工作介质、支撑形式、风机转速、风机叶片数、风机叶片固有频率、

2、叶片直径、带轮节圆直径、皮带长度等。电动机：设备名称、设备代码、电动机类别、功率、转速、转差率、极数、调速方式、联轴器型号等。2.2 中间信息通过传感器、仪器在运行中获取的动态数据经计算或处理后能表征状态的中间数据。如电流、电压、功率、频率等。表征状态的中间数据是指经计算或处理所得到的一引动对判断状态有帮助的信息，如特证频率、各类统计报警值等。2.3 结果状态状态判定的结果不具体指明状态的细节，而是用正常、注意、异常等来表示。常用报警灯的颜色来区分。2.4 状态信息获取2.4.1 设备基本属性信息设备基本属性信息包括设备的基本参数(代码信息、型号、功率、投入日期等) 、设备的设计性能参数( 性

3、能曲线、额定转速、额定功率等) 、设备各类部件型号规格( 轴承、齿轮等通用备件的型号或参数、用油品种等) 和设备的产能信息( 产品的规格风种、生产能力、产品质量要求等)等。2.4.2 设备运行过程中的物理量值和状态判断过程的中间信息主要包括两方面，安装尺寸等静态量的原始测量值及振动、湿度、应力、电流等动态量的原始测量值。般在设备设计书中对部分参数作出规定，作为投运时反映设备制造、安装过程是否到达设计要求的依据。2.4.3 设备运行中各类动态物理量对不同的设备类别而言，表征状态的动态物理量也有较多的选择。如机械设备有振动、噪声、转速、温度、应力、磨损、变形等；电气设备有电压，电流、介损、耐压等；

4、液压设备有清洁度、压力、流量、动态响应等。这些状态信息由各类设备维护、生产运行、专业检测人员等通过检查或测量获得。2.4.4 经分析处理后能表征状态的中间数据包括与故障判断相关的各类统计值、特征值、图谱等，主要由各类计算方法、数据处理仪器(装备) 对直接测量信息进行处理后获得，如运用振动诊断领域内的时域分析、领域分析、概率密度统计等产生的数值、谱图、曲线等，磨损分析的磨粒形貌，红外热成像的温度场分布图等。这些中间数据是故障判断的主要依据。3. 设备状态监测技术3.1 设备状态监测与故障诊断的概念设备状态监测是对运转中的设备整体或其零部件的技术状态进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣

5、化征兆，或对异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等，这种活动就称为状态监测。状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，以便事前采取针对性措施，控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备的有效利用率。设备诊断技术又称设备状态诊断技术，是一种通过监测设备的状态参数，发现设备异常情况，分析设备故障原因，并预测预报设备未来状态的一种技术。其基本功能是在不拆卸或基本不拆卸设备的情况下，掌控设备运行现状，定量地检测和评价设备的以下状态：设备所承受的应力；强度和性能；故障和劣化；预测设备的可靠性。在设备发生故障的情况下，对故障原因、故障部

6、位、危险程度进行评定，并确定正确的修复方法。3.2 设备监测诊断技术从技术流程来看，设备运行状态监测与诊断技术的进展分为信号采集、信号处理和故障诊断等几个阶段。3.2.1 信号采集技术数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。3.2.1.1 数据采集系统的功能数据采集系统有以下几方面的功能。1） 数据采集计算机按照预先选定的采样周期，对输

7、入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。2） 模拟信号处理模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时，中间没有间断。模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号，另一种是由仪器、变送器输出的 010mA 或 420mA 的电流信号。这些模拟信号经过采样和 AD(模数)转换输入计算机后，常常要进行数据的正确判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号非常使于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送个的信号幅值或相位发生畸变。因此

8、，有时还要对模拟信号做零漂修正、滤波等处理。3） 数字信号处理数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种；一种是并行方式传送，另一种是串行方式传送。数字信号对传送线路上的不完善性(畸变、噪声)不敏感，这是因为只需检测脉冲的有无来获取信息，至于信号的精确性(幅值、持续时间)不是太重要的。4） 开关信号处理开关信号主要来自各种开关器件，如按钮、行程开关和继电器触点等。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。3.2.1.2 典型的数据采集系统结构1）传感器针对电机及其他

9、各种电气设备的数据采集系统的采集量有电量和各种非电量不同大小的电参量往往通过各种变送器转变成合适的电气量，各种非电量如温度、压力、振动、转速等，要通过传感器转换成电信号。2）模拟多路开关数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样的场合，为简化电路，降低成本，一般采用一个公共的 AD 转换器，分时对各路模拟量依次进行模数转换。可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与 AD 转换器间的通道，实现分时转换的目的。3）程控放大器在数据采集系统中，来自传感器的模拟信号大小各异，有的量非常微弱，有的量较大；有时同一被采集量在不同时候，其大小相差很大。如电机起动电流与空载电流相差非常大。程控放

10、大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用 AD 转换器的满量程分辨率。例如，很多传感器的输出信号是毫伏数量级，而 AD转换器的满量程输入电压多数是 25v，5v 或 10v，而 AD 转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。为了能充分利用 AD 转换器的分辨率，要把模拟输入信号放大到与 AD 转换器满量程电压相应的电平值。4） 采样保持器 AD 转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望AD 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样保持器来实现。采样保持电路的作用是在某规定的时间内接收输入电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样开始时为止，采

11、样保持电路一般用电容来保持。5） A/D 转换因为计算机的 CPU 只能处理数字信号，所以需把模拟信号转换成数字信号，实现这“转换”功能的器件是 AD 转换器。AD 转换器是数据采集系统的重要环节。由于使用要求和转换精度不同，AD 转换器的种类很多，它们的性能也各异，但从使用角度来看，各类 AD 转换器都有一些相同功能的外部端子，如模拟信号输入端，数字量并行输出端，启动转换的外部控制信号端子，转换完毕，转换器发出的转换结束信号的端子等。6） 微机接口电路用来传送数据采集系统运行所需的数据、状态及控制信号。在一般的数据采集系统中，该电路主要用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传送

12、到计算机的总线。 伪同步多通道数据采集系统这种系统结构的特点是：多个通道加了采样保持放大器，可使输入信号实现同时采样，并对各通道信号进行瞬时比较，消除了分时采样带来的时间歪斜误差。经采样后仍由多路模拟开关进行分时选通和转换。由于同时采样的各通道采样保持时间内的变化量各不相同，仍然非完全同步，故称为伪同步。 同步多通道收集结构 这种系统结构的特点是各路信号都有自己的 AD 转换器，采样完全与实际、自然时间同步，消除了分时采集的歪斜误差，且实现了同步转换，各通道转换值完全瞬时对应。这种结构可以大大提高速度，转换后的数字信号都有独立的锁存器，信息不会丢失或漂移，但经济代价巨大。 集散型数据采集系统集

13、散型数据采集系统的结构如下图所示。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。 数据采集站(又称数据采集终端) 位于生产设备附近可以独立完成数据采集和预处理任务，还可以将数据以数字信号的形式传送给上位机。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。上位机用来将各个数据采集站传送来的数据，集中显示在显示器上或用打印机打印成各种报表，或以文件形式储存在磁盘上。此外还可以将系统的控制参数发送给各个数据采集站，以调整数据采集站的工作状态。上位机一般为通用计算机(或工控机)，配置有打印机和绘图机。集散型数据采集系统的主要特点：1)系统的适应能力强 无论是大

14、规模的系统，还是中小规模的系统应，因为可以通过选用适当数量的数据采集站来构成相应规模的系统。2)系统的可靠性高 由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，若某个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其他部分造成任何影响。3)系统的实时响应性好 由于系统中各个数据采集站之间是真正“并行“工作的，所以系统的实时响应性较好。这一点对于大型、高速、动态数据采集系统来说，则是一个很突出的优点。4)对系统硬件的要求不高，由于集散型数据采集系统采用了多机并行的处理方式，所以每一个单片机完成十分有限的数据采集和处理任务。因此，它对硬件的要求不高。可以用低档的硬件组成高性能的系统，这是微型计

15、算机数据采集系统方案所不可比拟的。3.2.1.3 模拟信号的数字化处理1) 信号的预处理对信号预处理的目的是把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的难度。信号预处理包括以下几种仪器或设备。a. 调解器在测试技术中，有许多情况需要对信号进行调制。例如被测物理量经传感器变换以后为低频缓变的微弱信号时，需要采用交流放大，这时需要调幅；电容、电感式等传感器都采用了调频电路，这时是将被测物理量转换为频率的变化；对于需要远距离传输的信号，也需要先进行调制处理。因此，在对上述信号进行 AD转换、数据采集之前，需要先进行解调处理，以得到信号的原貌。b. 放大器将输入信号的幅值调整到 A/D 转换器动态范

16、围相适应的大小。c. 滤波器滤除干扰噪声或进行频谱分析。一般分为低通、高通、带通和带阻滤波器。a) 低通 b)高通 c)带通 d)带阻2）采样采样过程是将时间连续的信号变成时间不连续的数字信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔分合一次，一个连续信号通过这个开关，就形成一系列的脉冲信号，称为采样信号：采样过程如图 522 所示：图 采样过程a) 被采样信号 b)采样开关 c)采样信号采样频率确定量化和编码3）频率混淆和消除措施根据采样定理，采样频率必须大于两倍信号所包含的最高频率（） ，如果采样频率取得过小，使 时，将会发生max2f max/2f中的高频成分（ ）被叠加到低频成分（ ）上()xt /2af/2af去的现象，这种现象称为频率混淆。图 频率混淆现象4） 数据采集系统的控制结构原理3.2.1.4 数据采集系统的主要构件1）模拟多路转换器2）检测信号的放