CN1275112C

CN1275112C - 开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统

Info

Publication number: CN1275112C
Application number: CN 200410018290
Authority: CN
Inventors: 李富才; 何正嘉
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: CN1570795A

Abstract

一种开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，用于设备在线状态监测与故障诊断领域。本发明设备运行信息采集子系统是整个系统的最前端部分，设备运行信息采集子系统通过其内部的信息采集计算机或工业控制计算机中的网卡与设备运行信息监测子系统相连接，设备运行信息监测子系统的监测是通过企业内部局域网实现的，它分为本地监测计算机和企业内部远程监测计算机，二者都是通过设置于本身的网卡借助局域网实现监测信息的网络共享与显示，本系统所有的功能实现终端均为挂接于网络的计算机，设备运行状态的故障预示、诊断子系统与其他两个系统的连接也是通过各节点计算机内部的网络端口实现的。

Description

开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统

技术领域

本发明涉及一种开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，具体是一种有线和无线技术相结合的开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统。用于设备在线状态监测与故障诊断领域。

背景技术

设备在线状态监测与故障诊断系统经历了单机式、集中式和分布式在线监测与故障诊断几个阶段。单机式监测诊断模式具有实时性好、可靠性高等优点，但该方式投资较大、各监测诊断系统之间信息难以共享，且不利于统一操作和维护。在信号传输距离许可的情况下，部分系统也采用了多套设备的集中式监测诊断方式。集中式监测诊断方式克服了单机式监测诊断模式的部分缺点，但如果测点太多时，由于采集监测系统负担过重而导致采集实时性差。如果需要增加测点，采集监测系统的软硬件都必须调整，所以该模式扩展性差。

目前国内外一般采用的在线监测与故障诊断系统的结构是：基于有线局域网，进而利用Internet进行监测信息的采集、共享与管理；诊断模式也主要是集中于运行过程报警及事后诊断(见[美]P.M.劳斯等，联合循环发电厂的监控，诊断和仿真----阿布度拉中心(Iberdrola’s Center for Monitoring，Diagnostic and Simulation(CMDS)of Combined-Cycle Power Plants)，《设备管理》(ASSET MANAGEMENT)，2003)。在设备运行过程中，重要的运行信息都需要监测，同时这些运行信息都要保存以备设备诊断、管理等使用。常用的设备状态监测与故障诊断系统的工作步骤是：1、利用传感器采集设备运行信息；2、运行信息的预处理；3、运行信息通过有线介质(如信号传输线、网线等)存储于监测工业控制计算机；4、工业控制计算机通过企业内部有限局域网(以及Internet)向需要这些信息的目的计算机广播；5、利用这些运行信息进行故障诊断。这些监测诊断系统基于Internet进行企业的远程接入，该模式目的是实现企业设备运行信息的集中。但由于企业管理模式各有特征，每个企业都有各自的管理体制和信息管理规则，而且各个企业基本已经建立了自己的设备监测诊断系统，因此这种集中式的监测诊断系统实现起来比较困难。同时，对已经建立起监测诊断系统的企业来说，这样的系统实现起来是一种重复投资。

发明内容

本发明的目的是针对以上系统的不足以及有线局域网本身的局限性，提出了一种有线和无线技术相结合的开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，使其充分发挥和有效共享各用户及功能节点的优势，形成开放式、互动的监测诊断网络系统，同时，作为早期故障预示的节点之一，将小波分析与传统基于Z变换滤波器相结合，利用传统和现代信号处理相结合的早期故障预示、诊断方法来进行故障预示和诊断。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：设备运行信息采集子系统、设备运行信息监测子系统和设备运行状态的故障预示、诊断子系统。设备运行信息子系统负责设备运行信息的采集并将采集到的信息通过有线和无线传输介质传输给设备运行信息监测子系统；设备运行信息监测子系统负责将设备运行信息子系统传输过来的设备运行信息进行预处理，并利用波形、频谱、趋势、小波包分频带能量等监测方法进行监测、有效数据存储；设备运行状态故障预示、诊断子系统主要负责将存储的设备运行信息进行信号分析和故障预示、诊断。

设备运行信息采集子系统是整个系统的最前端部分，设备运行信息的采集最终由信息采集计算机(或者工业控制计算机)进行信息集中。设备运行信息采集子系统通过安装于信息采集计算机(或工业控制计算机)中的网卡与设备运行信息监测子系统相连接。设备运行信息的监测是通过企业内部局域网实现的，它可分为本地监测计算机和企业内部远程监测计算机，二者都是通过安装于本身的网卡借助局域网实现监测信息的网络共享与显示。由于本系统为一开放式的监测诊断网络，所有的功能实现终端均为挂接于网络(局域网或Internet)的计算机，设备运行状态的故障预示、诊断子系统于其他两个系统的连接也是通过各节点计算机内部的网络端口(网卡或Modem)实现的。

设备运行信息采集子系统由待监测设备、有线/无线传输介质传感器、无线交换机、信号预处理装置、A/D转换装置(例如各种A/D板)和工业控制计算机构成。有线/无线传输介质传感器安装于待监测设备的预置测点处。对于有线传输介质传感器，通过有线传输的模式(信号连接线)将设备运行信息传输给信号预处理装置；对于无线传输介质传感器，则是通过传感器本身自带的无线传输模块与无线交换机通过无线方式相连，然后通过无线交换机将采集到的设备运行信息传输给信号预处理装置。最后信号预处理装置将所接收的所有信号进行预处理后通过有线接口传输给A/D转换装置，A/D转换装置将所接收的模拟信号(设备运行信息)数字化后由工业控制计算机进行采集、监测。

设备运行信息监测子系统由有限局域网、无线局域网、无线交换机和监测用工业控制计算机组成。有线局域网和无线局域网通过无线交换机相连，监测用工业控制计算机通过有线或无线网卡与无线交换机相连，成为局域网的各用户节点，这样可以实现设备运行信息在局域网内部的共享和远程监测。

设备运行状态的故障预示、诊断子系统由Internet和企业内部的各分析诊断节点组成。这些节点依托于目前Internet网络，是Internet各网络用户(个人计算机或企业级服务器)。

以上三个子系统的信息传输介质都是有线和无线传输介质相结合。当用户企业已经建立了状态监测与故障诊断系统时，保留各用户(包括功能节点、企业及个人用户节点)现有的在线监测诊断系统结构不变，建立各监测、故障预示、故障诊断的功能节点，对于有线传输介质铺设比较困难的行业或者企业，选用无线局域网结构模式对原有系统进行扩展，使得各企业对希望监测的目标设备都可以进行信息的采集和数据共享，为企业对设备运行状况集中式管理打下基础。监测、故障预示和故障诊断的信息来源是由各用户现有在线监测与诊断系统所采集后经过处理的数据文件，这些数据文件必须为只含有振动数据的十进制数据文件或二进制数据文件。同时，用户需要对功能节点互动式输入相应的设备运行信息，以便进行状态监测和故障预示、故障诊断。

本发明的应用对象是大型旋转和往复机械设备系统，它们一般都是能源、石化、冶金以及电力等国民经济支柱产业中的关键设备，一旦发生故障，轻则降低生产效率，重则设备停机、生产停顿，有时甚至产生机毁人亡的恶性事故，造成灾难性的后果。

由于一组大型机械设备是一个系统，该系统自身具有一组或多组特征量，在信号处理领域称之为特征信号。当设备运行状态发生或者自身特征发生变化时，相应的设备运行特征信号或振动(工艺量)特征也将随之发生改变。因此，若对这些特征量进行监测和诊断，就可以得到机组设备的健康状况评价，从而提供对机组进行基于状态的维护。但是由于设备或者同一种设备的运行环境有很多种；同时，可以应用于设备状态监测和故障诊断的方法也各不相同，它们往往对某种故障特征较为敏感。针对以上原理，将传感器技术、计算机技术、网络技术应用于上述状态监测和故障诊断中，就可以实现远程监测与故障诊断。更进一步，对各种监测诊断方法进行优化、升华，可以得到更有效的方法，应用它们可以对设备故障的发生、发展以及恶化的规律进行全过程的监测，从而可以更加优化设备的利用，提高生产效率。另外，由于监测诊断方法上不唯一性，建立开放、互动式的监测诊断网络，可以最大限度的发挥各机构和个人的优势，提高对设备状态监测和故障预示、诊断的精度。

本发明设备运行信息采集子系统和信息监测子系统在有限传输介质不易到达(或者有线传输介质的安装受设备或者设备运行环境限制，例如煤气鼓风机组等易燃易爆等环境)处使用无线传输数据采集装置。

每个企业用户进行关键设备的运行状态监测和简单的故障诊断，只要通过企业内部有线和无线局域网即可实现。如果由于存在自身功能或诊断方法上的限制，可以将集中的运行数据整理为“纯”的数据文件(二进制或者十进制)，然后登陆各专业故障预示、诊断节点，实现设备早期故障的预示和故障诊断。其中设备运行的其它信息和运行环境，则需要企业用户互动式的与节点服务器进行交流，从而得到早期故障预示或诊断结果。

本发明中所述的早期故障有两方面含义，其一是指处于早期阶段的故障、弱故障或潜在的故障；其二是从物理意义上讲，某一故障是另一故障的早期阶段。

与以往监测诊断和现在正在研究的监测诊断系统相比，本发明三个子系统中分别加入了无线传输技术，即通过无线传感器和无线接收适配器来实现无线信息的传输；同时，与以往系统相比，本系统定义了早期故障预示技术。本发明的优势在于：

1)针对目前状态监测与故障诊断网络系统的局限性，利用正在迅速发展并应用于工业实践的无线局域网技术引入在线监测与故障诊断网络系统，突破了有线介质使用中的局限性，从而可以最大限度地发挥监测诊断系统的作用。

2)针对目前状态监测于故障诊断中数据采集的局限性，利用无线传输技术，更大程度地扩大监测系统的应用范围，将以前无法监测的设备纳入到在线监测与故障诊断的范围。

3)目前各状态监测与故障诊断系统之间一般具有相对独立性，这对诊断技术的发展和作用的发挥有很大的限制作用。本发明充分发挥各研究机构的优势，将基于Internet的监测诊断系统依据Internet的建立模式，发展成一个没有中心服务器的、开放式的监测诊断网络系统，这样不仅可以充分调动各企业的积极性，减低系统规划成本，还可以最大限度的使用各种监测诊断方法。

附图说明

图1本发明系统总体结构框图

图2本发明数据采集子系统和状态监测子系统相结合的结构示意图

图3本发明基于Internet的开放式状态监测与故障预示、诊断结构图

图4本发明应用实施例结构示意图

图5无线数据采集子系统实施实例图

图6系统中各用户计算机与网络的连接方式图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：设备运行信息采集子系统、设备运行信息监测子系统和设备运行状态的故障预示、诊断子系统，设备运行信息采集子系统是整个系统的最前端部分，设备运行信息采集子系统通过其内部的信息采集计算机或工业控制计算机中的网卡与设备运行信息监测子系统相连接，设备运行信息监测子系统的监测是通过企业内部局域网实现的，它可分为本地监测计算机和企业内部远程监测计算机，二者都是通过设置于本身的网卡借助局域网实现监测信息的网络共享与显示，本系统所有的功能实现终端均为挂接于网络的计算机，设备运行状态的故障预示、诊断子系统与其他两个系统的连接也是通过各节点计算机内部的网络端口实现的。

设备运行信息子系统负责设备运行信息的采集并将采集到的信息通过有线和无线传输介质传输给设备运行信息监测子系统；设备运行信息监测子系统负责将设备运行信息子系统传输过来的设备运行信息进行预处理，并利用波形、频谱、趋势、小波包分频带能量等监测方法进行监测、有效数据存储；设备运行状态故障预示、诊断子系统主要负责将存储的设备运行信息进行信号分析和故障预示、诊断。

如图2所示，设备运行信息采集子系统由待监测设备、有线/无线传输介质传感器、无线交换机、信号预处理装置、A/D转换装置和工业控制计算机构成。有线/无线传输介质传感器设置于待监测设备的预置测点处，对于有线传输介质传感器，通过信号连接线与信号预处理装置连接；对于无线传输介质传感器，则是通过传感器本身自带的无线传输模块与无线交换机通过无线方式相连，然后通过无线交换机将采集到的设备运行信息传输给信号预处理装置。信号预处理装置通过有线接口与A/D转换装置连接，A/D转换装置与工业控制计算机连接。

设备运行信息监测子系统由有限局域网、无线局域网、无线交换机和监测用工业控制计算机组成。有线局域网和无线局域网通过无线交换机相连，监测用工业控制计算机通过有线或无线网卡与无线交换机相连，成为局域网的各用户节点。

如图3所示，设备运行状态的故障预示、诊断子系统由Internet网络和企业内部的各分析诊断节点组成。这些节点依托于Internet网络，是Internet各网络用户，即个人计算机或企业级服务器。

本发明系统应用实例的总体结构图，如图4所示，有线与无线相结合的开放式远程监测与故障预示、诊断系统的数据采集装置为有线传输介质传感器和无线传输介质传感器。传统系统中有线传输介质的数据采集过程已经非常完善，各有线传感器采集信号后直接与计算机相连实现信息的采集。对于无线传输的情况，本实例中采用美国Pointsix公司生产的无线传感器(目前主要包括无线温度、湿度传感器等)，采集的信息由无线接收适配器(美国Pointsix公司无线接收适配器)传送给计算机，如图5所示。信号采集后通过有线或无线介质送给监测计算机，监测计算机通过有线(或无线)网卡与交换机连接将监测信息送给同样与交换机相连接的企业级服务器。企业级服务器通过ISDN等宽带网络接口与Internet连接，将设备运行信息传送给各专业诊断服务器，以供设备运行信息的状态监测与早期故障预示和故障诊断。系统中各用户计算机与网络的连接方式，如图6所示，主要包括有线接收适配器(采用IBM 10/100网卡)、无线接收适配器(采用Pointsix无线接收适配器)、Modem以及其他网络适配器(由各用户节点自己选定)。该系统突破了有线介质使用中的局限性，从而可以最大限度地发挥监测诊断系统的作用，充分调动各企业的积极性，减低系统规划成本，还可以最大限度的使用各种监测诊断方法。系统的工作是完全开放式的，拥有登陆权限的任何用户可以将设备运行信息上传，即可实现设备的状态监测、早期故障预示和故障诊断。

Claims

1、一种开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，包括：设备运行信息采集子系统、设备运行信息监测子系统和设备运行状态的故障预示、诊断子系统，其特征在于，设备运行信息采集子系统是整个系统的最前端部分，设备运行信息采集子系统通过其内部的信息采集计算机或工业控制计算机中的网卡与设备运行信息监测子系统相连接，设备运行信息监测子系统的监测是通过企业内部局域网实现的，它分为本地监测计算机和企业内部远程监测计算机，二者都是通过设置于本身的网卡借助局域网实现监测信息的网络共享与显示，本系统所有的功能实现终端均为挂接于网络的计算机，设备运行状态的故障预示、诊断子系统与其他两个系统的连接也是通过各节点计算机内部的网络端口实现的，其中设备运行信息子系统负责设备运行信息的采集并将采集到的信息通过有线和无线传输介质传输给设备运行信息监测子系统，设备运行信息监测子系统负责将设备运行信息子系统传输过来的设备运行信息进行预处理，并利用波形、频谱、趋势、小波包分频带能量等监测方法进行监测、有效数据存储，设备运行状态故障预示、诊断子系统主要负责将存储的设备运行信息进行信号分析和故障预示、诊断。

2、根据权利要求1所述的开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，其特征是，设备运行信息采集子系统由待监测设备、有线/无线传输介质传感器、无线接收适配器、交换机、信号预处理装置、A/D转换装置和工业控制计算机构成，有线/无线传输介质传感器设置于待监测设备的预置测点处，对于有线传输介质传感器，通过信号连接线与信号预处理装置连接；对于无线传输介质传感器，则是通过传感器本身自带的无线传输模块与无线交换机通过无线方式相连，然后通过无线交换机与信号预处理装置连接，信号预处理装置通过有线接口与A/D转换装置连接，A/D转换装置与工业控制计算机连接。

3、根据权利要求1所述的开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，其特征是，设备运行信息监测子系统由有限局域网、无线局域网、无线和有线接收适配器、交换机和监测用工业控制计算机组成，有线局域网和无线局域网通过无线交换机相连，监测用工业控制计算机通过有线或无线网卡与无线交换机相连，成为局域网的各用户节点。

4、根据权利要求1所述的开放式在线监测与早期故障预示和诊断系统，其特征是，设备运行状态的故障预示、诊断子系统由Internet网络和企业内部的各分析诊断节点组成，企业内部的各分析诊断节点依托于Internet网络，是Internet各网络用户，即个人计算机或企业级服务器。