风机状态监测与故障诊断系统

1.需求分析

1.1客户需求：

客户现场一共有60台风机，设备运转过程中高速转动的风机轴承，如果存在转动惯量的不平衡，就会产生振动，带来危害，所以需要对每一台风机的健康状态进行监测，以达到实时了解风机关键部件的运行状态，对设备关键部件进行故障监测和故障诊断的目的，并为预先性维护提供依据。

根据现场应用环境需要监测的物理量有风机轴承座震动，温度以及风机的转速。

系统应满足以下需求：

1.能够实现对安装在风机轴承座水平，垂直面的压电传感器信号的采集，分辨率不低于16位，采样率不低于10KHz。

2.能够实现对安装在风机轴承座上的PT1000温度传感器信号的采集，分辨率不低于16位，采样不低于10Hz；

3.能够实现对安装在风机侧轴上的转速传感器数据的采集，转速范围0～600,000 RPM ，脉冲输出TTL 脉冲输出，高电平约为+5V，低电平约为 0V；

4.能够实现对电机输入电流的监测。

5.对采集到的的数据进行存储，分析，进行故障诊断，报警输出，状态显示，并导出报表。

1.2 系统组成。

风机状态监测与故障诊断系统由振动传感器，温度传感器，转速传感器、数据采集器、交换机、服务器，上位机、系统软件等构成。

图1 风机状态监测与故障诊断系统

2. 硬件方案

2.1硬件配置清单

表2 件配置清单

2.2 服务器

IPC-8362是一款支持14nm LGA1151 Intel® 8th Core ™ i7-8700的工业电脑。配置2组独立 SO-DIMM DDR4 2666/2400MHz内存，最大可扩展至 64GB。

硬盘：2.5 寸 480G SSD SATA 硬盘（默认）

显示接口：1 x VGA (up to 1920 x 1080@60Hz)外置 1 x DP++ (up to 4096 x 2304@60Hz)外置 1 x HDMI (up to 4096 x 2304@30Hz)外置 1 x Displayport (up to 4096 x 2304@60Hz) 内置

I/O 接口： 1 x KB/MS (1x6 pin) 外置 1 x RS-232(DB9) 外置 4 x USB 2.0 外置 4 x USB 3.1 外置 6 x SATA 6Gb/s (RAID 0/1/5/10 supported) 内置 2 x RS-232/422/485 (2x5pin, P=2.54) 内置 3 x RS-232 (2x5 pin, P=2.54)内置

音频：3 x Audio jacks (line-out, line-in, mic-in)

扩展接口：2 x PCIe x8 3 x PCIe x4 2x PCI slot 1 x M.2 A key (2230, PCIe x1 & USB 2.0)内置 1 x M.2 M Key (2280, PCIe x2 only)内置

数字 IO:8-bit digital I/O (2x5 pin)内置

以太网：LAN1 : Intel® I219LM PCIe controller with AMT 11.0 support 外置 LAN2: Intel® I211AT PCIe controller 外置

电源供电：内置 ATX 电源供电

操作系统：win10               

2.3 交换机 

FC708为一光八电以太网光纤收发器（亦称光电介质转换器），提供8个10/100M自适应的百兆电口和1个千兆光口，符合IEEE802.3、IEEE802.3 u、IEEE802.3z标准。支持两种类型的媒体网络连接：10Base-T、100Base-TX和1000Base-SX/LX。可将10Base-T、100Base-TX双绞线电信号同1000Base-SX/LX光信号进行相互转换。最大传输距离120KM，支持双纤多模、双纤单模和单纤单模光纤传输。8个电口支持自动适应10Mbps和100Mbps环境，便于网络的升级。

1个光口支持1000Base-SX/LX千兆光纤传输标准，可与其它支持1000Base-SX/LX千兆标准的厂家产品互通，内置高效交换核心，实现流量控制，减少广播包。支持电口全双工和半双工传输模式，能自动协商。支持双绞线口自动交叉，方便系统调试安装。MAC地址8K,缓存1M,最大包长1632B,背板带宽7.6G。超低功耗，低发热，能长时间稳定工作,支持双纤多模、双纤单模和单纤单模多种光纤口选择，扩展了用户的需求。整机铁壳壁挂式设计，有利设备安装、散热。

2.4 数据采集器

支持以太网传输方式；AD：单端16路差分8路  250K 16位  8K字FIFO 量程：±10V、±5V、±2.5V、0~10V、0~5V；DA：2路 12位 100K 8K字FIFO 量程：±10.8V、±10V、±5V、0~10.8V、0~10V、0~5V；8路DI、8路DO ；1路独立减法计数器.

2.5 信号调理模块

  S1102D可把PT1000热电阻传感器信号调理成0-5V电压信号。 内含智能线性化 ， 具有长线补偿功能， 具有断线检测功能，可使用二线制和三线制接法 ， 三端口隔离，DIN T 型导轨安装。输出负载电阻：电压型：≥10KΩ 电流型：0～500Ω ，输入阻抗：100Ω（MAX） ； 激励方式：恒流 ；断线指示：红灯亮，输出为量程中间值 ； 隔 离：输入、输出及电源三端口相互隔离 ； 响应频率：10Hz ； 绝缘强度：1500V DC/1 分钟 ； 电源电压：10～30V/5V DC + 10% ； 功 耗：1.2W(电压输出型) 1.7W(电流输出型) ； 精 度：0.2%。

S1107可把转速传感器频率信号调理成0-5V电压信号。输出负载电阻：电压型：≥10KΩ 电流型：0～500Ω ， 隔 离：输入、输出及电源三端口相互隔离 ； 响应频率：10Hz ； 绝缘强度：1000V DC/1 分钟 ； 电源电压：24V DC + 10% ；  精 度：0.2%。

S1106I 可把0-200A AC电流信号调理成0-5V。输入负载：0.5VA（MAX），输出负载电阻：电压型：≥10KΩ 电流型：0～500Ω ，输入信号频率：40-60Hz 隔 离：输入、输出及电源三端口相互隔离 ； 响应频率：10Hz ； 电源电压：24V DC + 10% ；精 度：0.2%。

3. 人机交互界面

上位机软件包括主界面、传感器配置界面、振动分析界面、实时曲线界面测试曲线界面等。

  3.1界面登录：打开快捷方式会弹出登陆界面，如下图所示。

在“权限选择”处选择操作级别(管理员和实验员)，输入相应密码，点击“登录”，进 入主控制界面。 管理员拥有所有的操作权限，操作员只具备部分权限。 如需修改密码，则点击“修改密码”按钮，进入修改密码界面：

输入正确的旧密码，然后输入新密码，再次输入新密码，最后点击“修改密码”。若旧 密码正确，且两次输入的新密码一致，则提示修改成功，界面仍在密码修改界面，点击 “退出”即可退回到登录界面。若修改失败，系统会提示密码错误或者两次输入新密码 不一致，此时可以继续修改密码，也可以点击“退出”，放弃修改。

 3.2 成功登录后，系统进入控制主界面，如下图所示

进入控制主界面后，请按实际数据信息正确输入风机信息包括：位置、名称、 规格型号、编号等以便于后续振动分析、数据记录。

“导入信息”用于在已存储产品信息的情况下导入相应的数据。 “手动记录”用于手动记录当前试验数据。“自动记录”用于根据已设置好时间间隔自动记录当前试验数据，点击“停止记录”则停止当前记录存储。 “清空列表”用于清除当前数据记录表格数据； 主界面的所记录的数据将可在测试曲线界面中调用显示；

3.3 实时数据

通过点击相应按钮，可以将界面切换到实时数据界面，如图所示

选择想要查看的数据通道号，通道选择好后点击“确认选择”用于相应曲线的筛选观察。可通过操作 对曲线进行拖动、放大、缩小、定位等。

3.4 振动分析

点击相应按钮按钮可以进入振动分析界面。

振动分析界面包括：高速采集、数据分析、数据报表、曲线显示、表格显示等区域。 在进行数据分析前需正确设置产品信息及各通道信息。 振动采集流程大致如下：高速采集--数据分析--数据报表。

3.2 数据存储

采集到的数据，分析后的波形及频谱数据，以及报警数据根据不同的分类并行存储于数据库中，方便用户查阅或抽取对应时间段数据进行手动分析。

3.3 报警处理

具备阈值比较和报警源之间逻辑运算的能力，根据计算结果进行相应的报警处理，如报警显示、记录报警前后的时域波形等。

3.4 数据报表

通过该模块，可将历史数据按不同类型归类筛选后进行导出，导出的文件格式为Excel。

3.5 数据导入导出  

通过该模块，可将服务器内存储的各种监测数据进行下载备份，也可以将以前备份的数据重新导入系统。

3.6 趋势分析

显示历史数据，分析监测部位振动噪声的走势和发展趋势，为预先性维护提供依据。

3.7 数据分析

该模块提供了部分手工的信号分析工具，可在系统中对历史数据进行进一步分析。系统提供的分析工具主要包括自相关、互相关、离散域、FFT、自谱/互谱分析、积分、阶次分析、阶次跟踪、轴心轨迹、瀑布图等。

3.8 故障诊断

根据监测数据，对旋转机械的故障进行分析诊断。旋转机械的故障类型主要包括不平衡、不对中、轴弯曲、轴承外圈故障、轴承内圈故障、轴承保持架故障、轴承滚子故障、叶轮叶片故障等。