CN108534841A - 一种分布式网络化振动和温度数据采集系统 - Google Patents

一种分布式网络化振动和温度数据采集系统 Download PDF

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张鹏程
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Abstract

本发明公开了一种分布式网络化振动和温度数据采集系统，包括数服务器、至少一个传感器供电及数据转发基站组、多个振动与温度数据采集模块组；其中，所述传感器供电及数据转发基站组包括多个传感器供电及数据转发基站，每个传感器供电及数据转发基站对应一个振动与温度数据采集模块组；每个振动与温度数据采集模块组包括多个振动与温度数据采集模块。本发明具有如下优点：可以实现机械设备中分布较广的旋转零件的振动信号检测的高度覆盖，同时还可以监测各个振动与温度数据采集模块节点的实时工作环境温度信息；最终将所有数据上传到数据服务器，并对振动和温度数据进行实时监控与精准的故障诊断分析，实现了对机械系统整体及其内部各被测零部件的健康状态监测。

Description

一种分布式网络化振动和温度数据采集系统
技术领域
本发明涉及面向大型车间、机械或船舶中旋转机械设备的健康状况检测与监测技术领域，具体涉及一种分布式网络化振动和温度数据采集系统。
背景技术
在现代科学技术高速发展的今天，机械设备正朝着大型化、高速化、连续化、集中化和自动化方向发展，设备的组成和结构越来越复杂。各个子系统之间的联系也越来越紧密。一旦在运行过程中某个部分发生了故障，就会造成严重的损失，尤其是在航空航天、军事机械设备和建筑生产等领域，甚至会带来灾难性的后果。机械零部件、机械系统的健康状态监测和故障诊断就是为了适应科学技术高速发展的需要而形成和发展起来的。为了防患于未然，将设备可能产生的故障和可能造成的严重后果消灭于萌芽阶段。
大型机械设备内部拥有着数量众多的旋转机械部件，且分布在整个设备的各个位置。其中某些重要旋转零件发生故障将会立即导致整个机械设备无法正常运行，甚至会导致惨重的事故、造成严重经济损失。而有些小型或次要的旋转零部件在出现故障，无法正常工作时，可能不会立即影响到整个设备的正常运行，操作人员也不会发现设备的异常。如果未能及时发现故障零件并进行更换，会成为机械系统大面积故障，甚至全系统崩溃的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式网络化振动和温度数据采集系统，用于对航空航天、军事机械设备和建筑生产等领域的大、中型旋转机械系统进行健康监测，尤其是振动与温度信号监测。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种分布式网络化振动和温度数据采集系统，其特征在于，包括数据服务器、至少一个传感器供电及数据转发基站组、多个振动与温度数据采集模块组；其中，所述传感器供电及数据转发基站组包括多个传感器供电及数据转发基站，每个传感器供电及数据转发基站对应一个振动与温度数据采集模块组；每个振动与温度数据采集模块组包括多个振动与温度数据采集模块；所述振动与温度数据采集模块包括依次连接的振动传感器、滤波电路、放大电路、A/D转换电路、第一处理器；还包括与第一处理器连接的数字温度计；还包括与第一处理器连接的第一供电及网络通信接口；所述第一供电及网络通信接口包括第一PHY接口、第一网络变压器；所述传感器供电及数据转发基站包括网络接口、第二网络变压器、第二PHY接口、第二处理器、FPGA系统、至少一个第二供电及网络通信接口；第二供电及网络通信接口包括第三PHY接口、第三网络变压器；其中，第一供电及网络通信接口和第二供电及网络通信接口网络连接，网络接口和数据服务器网络连接。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括至少一个网络交换机；每个网络交换机对应一个传感器供电及数据转发基站组；所述网络接口和网络交换机网络连接，所述网络交换机和所述数据服务器网络连接。
在一种可能的实现方式中，所述第一处理器和/或第二处理器为微处理器或单片机MCU。
在一种可能的实现方式中，所述振动与温度数据采集模块还包括与第一供电及网络通信接口连接的电源转换电路。
在一种可能的实现方式中，所述传感器供电及数据转发基站还包括AC-DC电压转换电路、电源接口。
在一种可能的实现方式中，所述电源接口为220V交流电电源接口或24V直流电电源接口。
在一种可能的实现方式中，网络接口、第一供电及网络通信接口和第二供电及网络通信接口分别具有发送通道TX(TX+、TX-)和接收通道RX(RX+、RX-)。
在一种可能的实现方式中，数据服务器包括触摸屏，用于显示振动和温度数据实时监控与故障诊断分析结果，并接收用于控制传感器供电及数据转发基站与振动和温度数据采集模块工作状态的操作。
在一种可能的实现方式中，数据服务器还包括状态监控监测模块，用于监测传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块的状态；当传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块出现运行故障时，状态监控监测模块报警。
本发明具有如下优点：可以实现机械系统中分布较广的旋转零件的振动信号检测的高度覆盖，同时还可以监测各个振动与温度数据采集模块节点的实时工作环境温度信息；最终将所有数据上传到数据服务器，并对振动和温度数据进行实时监控与精准的故障诊断分析，实现了综合管理；因为数据服务器、网络交换机、传感器供电及数据转发基站和振动与温度数据采集模块各级之间均属于一对多关系，所以一个数据服务器可以监控足够多的振动与温度数据采集模块节点，达到了资源利用最大化、系统结构最简化、旋转零件健康监测覆盖最高化的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的分布式网络化振动和温度数据采集系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的振动与温度数据采集模块的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的传感器供电及数据转发基站的结构示意图。
图4为图2所示的振动与温度数据采集模块的第一供电及网络通信接口的结构示意图。
图5为图3所示的传感器供电及数据转发基站的第二供电及网络通信接口的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
若想有效地进行旋转机械设备的健康状态监测及故障诊断，就要对机械设备中的每一个旋转零件的振动及温度信号进行实时检测，检测旋转零件数量做到高度覆盖。信号检测的同时也要将采集到的信号上传到服务器进行数据处理与分析。采集和传输是两个必不可少的环节，因此一种分布式网络化振动和温度数据采集系统在此条件下将会展现其特有的优势。
接下来，结合图1、图2、图3、图4和图5对本发明实施例提供的分布式网络化振动和温度数据采集系统进行具体介绍。
本发明实施例提供的分布式网络化振动和温度数据采集系统包括数据服务器3、多个网络交换机4、多个传感器供电及数据转发基站组、多个振动与温度数据采集模块组。每个传感器供电及数据转发基站组包括多个传感器供电及数据转发基站2。每个振动与温度数据采集模块组包括振动与温度数据采集模块1。
数据服务器3与网络交换机4网络连接。每个网络交换机与一个传感器供电及数据转发基站组中的传感器供电及数据转发基站2网络连接。每个传感器供电及数据转发基站2与一个振动与温度数据采集模块组中的振动与温度数据采集模块1连接。
如图2所示，在振动与温度数据采集模块1的内部，振动传感器11、滤波电路12、放大电路13、A/D转换电路14、第一处理器15依次连接，用于实现振动信号的实时采集与存储功能。滤波电路12可以在强噪声环境下降有用的微弱振动信号提取出来，在经过放大电路13将信号的幅值放到到合适值后供A/D转换电路14进行信号采用读取。
在振动与温度数据采集模块1的内部还设置有数字温度计16，数字温度计16和第一处理器15连接，用于进行温度信号采集与存储。
在振动与温度数据采集模块1的内部还设置有第一供电及网络通信接口17。第一供电及网络通信接口17和第一处理器15连接。
如图4所示，第一供电及网络通信接口17包括第一物理接口收发器171(第一PHY接口171)、第一网络变压器172。
第一供电及网络通信接口17有两对差分信号线，分别为发送通道TX(TX+、TX-)和接收通道RX(RX+、RX-)。第一供电及网络通信接口可用于10Mbps/100Mbps兼容网络的通信。第一供电及网络通信接口17还具有用于连接电源正极的接口(电源正)和用于连接电源负极的接口(电源负)。
在振动与温度数据采集模块1的内部还设置有电源转换电路18。电源转换电路18可以为DC-DC电源转换电路，也可以为LDO稳压电路。用于将传感器供电及数据转发基站通过第一供电及网络通信接口提供的电源电压转换成振动与温度数据采集模块1内部各部分电路所需的合适电压，从而保障模块稳定工作。
第一处理器15具体可以为微处理器或单片机MCU。
多个振动与温度数据采集模块1分布在机械设备中的各个旋转零件上，可以全面检测机械设备的健康状况，不错过对任何一个大、中、小旋转零件的检测。
如图3所示，传感器供电及数据转发基站2包括网络接口21、第二网络变压器22、第二PHY接口23、第二处理器24、FPGA系统25、、至少一个第二供电及网络通信接口27。
如图5所示，第二供电及网络通信接口27包括第三PHY接口271、第三网络变压器272。
第二处理器24具体可以为微处理器或单片机MCU。
第一供电及网络通信接口17和第二供电及网络通信接口27网络连接，网络接口21和网络交换机4网络连接。
传感器供电及数据转发基站2还包括AC-DC电压转换电路28、电源接口26。所述电源接口26可以为220V交流电电源接口，也可以为24V直流电电源接口。
AC-DC电压转换电路28用于将220V交流电转换成所需规格的直流电，从而为传感器供电及数据转发基站2内部的部件提供安全工作电压。
第二供电及网络通信接口27和FPGA系统25连接。
通过FPGA系统25来对各个振动与温度数据采集模块1节点传来的数据进行快速处理与存储。第二供电及网络通信接口27用于为振动与温度数据采集模块1提供电能，还用于实现传感器供电及数据转发基站2和振动与温度数据采集模块1之间的通信。FPGA系统25、第二处理器24、第二PHY接口23、第二网络变压器22、网络接口21依次连接。第二处理器24的功能是通过网线将经过处理后的振动与温度数据传送到网络交换机4，在通过网络交换机上传到数据服务器3。
如图5所示，第二供电及网络通信接口27有两对差分信号线，分别为发送通道TX(TX+、TX-)和接收通道RX(RX+、RX-)。第二供电及网络通信接口27可用于10Mbps/100Mbps兼容网络的通信。第二供电及网络通信接口27还具有用于连接电源正极的接口(电源正)和用于连接电源负极的接口(电源负)。
网络接口21有两对差分信号线，分别为发送通道TX(TX+、TX-)和接收通道RX(RX+、RX-)。网络接口21可用于10Mbps/100Mbps兼容网络的通信。
网络交换机4是为数据服务器3提供更多的传感器供电及数据转发基站2数据传输网络接口，实现数据服务器3与传感器供电及数据转发基站2之间的一对多监控功能。
数据服务器3包括触摸屏，用于显示振动和温度数据实时监控与故障诊断分析结果，并接收用于控制传感器供电及数据转发基站振动和温度数据采集模块工作状态的操作。
数据服务器3不但可以接收多个网络交换机2节点上传的数据信息，显示界面来对振动与温度数据采集模块1进行实时监控与故障振动分析，还可以通过操作界面来控制界面来控制传感器供电及数据转发基站2与振动和温度数据采集模块1的工作状态。
数据服务器3还包括状态监控监测模块，用于监测传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块的状态；当传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块出现运行故障时，状态监控监测模块报警。
从而使得数据服务器3具有对所连接的各模块、各基站进行运行状态健康监测功能，真个系统中的任何一个环节出现运行故障，数据服务器3可以精准、及时地报警。
数据服务器3与网络交换机4，网络交换机4与传感器供电及数据转发基站2，传感器供电及数据转发基站2和振动与温度数据采集模块1，三部分的两者之间均属于一对多关系。
本实施例提供的分布式网络化振动和温度数据采集系统具有如下优点：可以实现机械系统中分布较广的旋转零件的振动信号检测的高度覆盖，同时还可以监测各个振动与温度数据采集模块节点的实时工作环境温度信息；最终将所有数据上传到数据服务器，并对振动和温度数据进行实时监控与精准的故障诊断分析，实现了综合管理；因为数据服务器、网络交换机、传感器供电及数据转发基站和振动与温度数据采集模块各级之间均属于一对多关系，所以一个数据服务器可以监控足够多的振动与温度数据采集模块节点，达到了资源利用最大化、系统结构最简化、旋转零件健康监测覆盖最高化的目的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种分布式网络化振动和温度数据采集系统，其特征在于，包括数据服务器、至少一个传感器供电及数据转发基站组、多个振动与温度数据采集模块组；
其中，所述传感器供电及数据转发基站组包括多个传感器供电及数据转发基站，每个传感器供电及数据转发基站对应一个振动与温度数据采集模块组；每个振动与温度数据采集模块组包括多个振动与温度数据采集模块；
所述振动与温度数据采集模块包括依次连接的振动传感器、滤波电路、放大电路、A/D转换电路、第一处理器；还包括与第一处理器连接的数字温度计；还包括与第一处理器连接的第一供电及网络通信接口；所述第一供电及网络通信接口包括第一PHY接口、第一网络变压器；
所述传感器供电及数据转发基站包括网络接口、第二网络变压器、第二PHY接口、第二处理器、FPGA系统、至少一个第二供电及网络通信接口；第二供电及网络通信接口包括第三PHY接口、第三网络变压器；
其中，第一供电及网络通信接口和第二供电及网络通信接口网络连接，网络接口和数据服务器网络连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个网络交换机；
每个网络交换机对应一个传感器供电及数据转发基站组；
所述网络接口和网络交换机网络连接，所述网络交换机和所述数据服务器网络连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一处理器和/或第二处理器为微处理器或单片机MCU。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振动与温度数据采集模块还包括与第一供电及网络通信接口连接的电源转换电路。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器供电及数据转发基站还包括AC-DC电压转换电路、电源接口。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电源接口为220V交流电电源接口或24V直流电电源接口。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，网络接口、第一供电及网络通信接口和第二供电及网络通信接口分别具有发送通道TX(TX+、TX-)和接收通道RX(RX+、RX-)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，数据服务器包括触摸屏，用于显示振动和温度数据实时监控与故障诊断分析结果，并接收用于控制传感器供电及数据转发基站与振动和温度数据采集模块工作状态的操作。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，数据服务器还包括状态监控监测模块，用于监测传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块的状态；
当传感器供电及数据转发基站振动和/或温度数据采集模块出现运行故障时，状态监控监测模块报警。
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