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压缩机远程监控与故障诊断技术研究
昆山远方机电设备有限公司 2015/5/28 9:18:00
大中型关键设备的安全、稳定运行，对工业企业的正常生产、设备和职工人身的安全、社会的和谐稳定有非同寻常的重要意义。以提供生产动力（如：石化行业的工艺流程用）的压缩机为例，压缩机运行状态出现异常或发生突发故障，将导致生产线或生产设备停机，造成重大经济损失，严重的甚至造成爆炸，对企业的人员和设备造成严重破坏后果。因此，对关键设备运行状态的监控和故障诊断一直备受重视。在设备运行过程中对关键参数进行检测，在设备控制系统中嵌入状态监控与故障诊断模块，已成为国内外设备用户与制造厂家掌握装备应用状态，确保装备正常、可靠运行的共同举措。在经济全球化的今天，面对激烈的市场竞争，性能好、可靠性高、售后服务有保障的产品更受客户的青睐，关键设备和大中型设备所具有的保证设备安全稳定运行的状态监测和故障诊断技术已成为产品的核心技术之一，同时也成为装备制造企业、用户和相关科研院所当前研究热点和发展趋势。
基于GPRS的远程监控与故障诊断技术和系统是目前国内的研究热点。依托我国无线通讯技术的迅猛发展和无线网络的覆盖面与普及率，国内的研究与国外同步。对大型工程机械、数控机床、油田以及水电抄表等单一领域基于GPRS的远程状态监控与故障诊断系统已有研究报导。本研究通过控制嵌入式数据传输单元DTU的成本，注重监控诊断与技术服务平台上面向用户的状态监控与故障诊断系统的实用性，使压缩机远程监控服务中心成为企业数字化管理、品牌服务的窗口，研究的应用推广必将有广阔的市场前景和可观的经济价值，并具有良好的社会效益。
通过对压缩机远程监控与故障诊断技术研究，将基于无线通信技术的设备远程监控与压缩机故障诊断技术相结合，构建压缩机监控诊断与技术服务平台，利用移动通讯商提供的数据传输服务和自行开发的嵌入式数据传输单元（DTU）实现设备远程监控数据传输，将数据发送到压缩机监控诊断与技术服务平台的远程数据处理中心，在平台上对压缩机运行状态进行实时监控、预警和故障诊断，为厂家及用户提供设备远程监控和故障诊断服务。
压缩机远程监控诊断与服务平台的构成如图1所示，它由远程数据传输单元（DTU，Data Transmission Unit）、压缩机远程监控诊断与服务平台远程数据服务中心和面向用户的设备监控与故障诊断服务系统三大部分组成。其中，远程数据传输单元DTU由嵌入式CPU和无线通讯GPRS发送模块组成。DTU安装在所要监控的设备上，通过RS232/485口从设备控制器接收来自设备上各测点的工作状态监测数据。嵌入式CPU中先将数据作简单处理，以降低数据传输量。对于简单故障可进行现场处理排除（如监测参数超过阈值等）。然后将筛选后的数据打包，通过GPRS发送模块将数据发送到平台的远程数据服务中心，由压缩机远程监控诊断与服务平台针对特定用户的需求对设备运行状态进行实时监控、预警和诊断。厂家及用户可以通过Internet上网到平台上获取设备远程状态监控和故障诊断信息，下载设备运行的监控数据，以便于监控和售后服务。
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因此，本项目的主要研发内容包括远程数据传输单元DTU的设计、压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台的构建、面向用户的设备监控与故障诊断服务系统的研发三大部分。
嵌入式数据传输单元DTU是专为设备远程监控和故障诊断所开发的接口装置，其功能是实现数据采集、转换和预处理，并按设定的方式和规定的时间发送数据。DTU需要安装在设备上，通过RS232/485接口与设备控制器相连，因此在保证功能和装配要求的前提下必需力求降低成本。研发内容包括：① 合理选用嵌入式CPU和移动通讯芯片，兼顾成本、系统可扩充性和功能设置的可编程性的要求；② 硬件设计，主要是进行DTU与设备控制器（PLC、工控机或其它控制器）的硬件接口设计、系统设计、电源及辅助部分设计、系统时钟等硬件电路的设计开发；③软件设计，主要包括工作模式设定、定时数据采集、数据预处理、数据加密、数据压缩、异常告警、数据发送与接收、软故障自动恢复等功能模块的设计开发。
公司的企业网络为中国电信专线接入，由于其提供网站发布的IIS服务器放置在企业网里，因此申请了静态IP地址，以方便外部的DNS（Domain Name Server）域名解析服务，由于该监控系统方案设计技术上要求数据接收软件的所处的位置必须为获取静态IP地址的服务器，但是压缩机厂的网络结构为专线接入后先经过企业防火墙，然后统一进入企业的交换机，然后再向下分配到各服务器和子交换机，因此将监控中心服务器放在与其并列的位置上。其获取的IP地址为DHCP服务器分配的企业内部IP地址，需要在防火墙上作一条端口映射的指令。这时在发送终端上只需将数据发送到该端口即可，这时防火墙接收到数据后，即按照端口映射的设置，将数据转发到监控中心服务器。
从远程数据采集终端DTU传来的数据通过各个网关和路由，传送到压缩机远程监控诊断与服务中心进行显示、分析和处理，从而实现对远程压缩机设备的运行状态进行实时监控，并对故障进行预警和诊断。
压缩机远程监控诊断服务中心的软件平台构建工作包括数据采集模块设计、远程监控模块的设计、信号分析模块设计三大部分内容，贯穿这三大模块的是后台数据库的设计、实现及管理。基本功能模块包括：数据采集、状态监测、信号分析、报警记录查询、报表输出、故障诊断、系统管理等，服务器采用多线程并发处理机制，可以同时接受多个用户的访问。服务器端系统功能结构框图所示。
数据采集模块主要负责从GPRS模块中接收监控数据，并进行数据的分类、入库及管理操作，为整个系统的后续工作提供原始数据资料。服务器端在软件实现上采用TCP/IP协议，通过Windows Sockets建立虚拟的通讯逻辑信道，用以接收数据并存储在数据库服务器上。在GPRS模块与数据库服务器间传送的数据采用IP包的形式，所以在传送前传送方与接收方要事先确定好数据格式及加密手段，数据库服务器在接收到数据后首先要进行解码处理再存储入库。
数据库系统是压缩机远程监控系统的核心，所以选择一种高效的逻辑手段及完整的数据模型非常重要。在进行数据库设计之前首先要明确设计对象、设计目标及数据结构，利用E-R法则设计关系图的方法设计系统的数据库关系。采用Microsoft SQL Server 2000作为该数据模型的管理软件，在SQL中用表跟关系图的设计来实现对数据的管理。
压缩机的热力性能故障，如排气量不足、压力不正常、温度异常等，比机械性能故障发生的更为频繁，这也是压缩机的故障诊断与旋转机械相比所特有的一面。参数法对于诊断压缩机的热力性能故障较为有效。参数法是通过测定机器的各项性能参数值，将这些数据进行处理，然后同基准参数参考数值相比较，得出分析结果（如偏高、偏低、过高、过低），从而可以诊断出机器在整体性能方面或零部件性能方面存在的故障，并进一步分析判断其故障部位和预测故障发展趋势的技术。
本系统选择参数法作为压缩机热力性能故障的诊断方法，因此其诊断信号的采样位置就要依据参数法所需的参数来进行选择。诊断压缩机热力性能故障的方法有排气量异常理论；级间压力、气量、温度异常理论；排气温度异常理论三种，分别涉及不同的采样参数。
远程监控模块的设计目标是要开发一个基于Internet的开放式远程监控系统，通过动态网页对数据库的访问来实现系统与用户之间的动态信息交互。这一部分是真正可以被用户直观感受和使用的部分，因此要求具有可视化的界面、便捷的使用方法和高效的数据传输效率。
作为一个远程监控平台，其根本目的是要为设备的故障诊断及前期预警提供依据，因此要以设备的故障诊断为目的来确定监控信号的采样位置及信号分析方法。不同类型的设备需要采取不同的监控与故障诊断方法，不同的企业用户对设备监控与故障诊断的功能需求亦不相同。压缩机远程监控诊断与服务平台需要针对不同的客户、不同的设备监控诊断需求提供个性化的服务。要通过对所要监控设备的故障现象的深入了解与分析，寻求对故障现象的合理分类方法，作为最终建立故障诊断专家知识库的基础。
压缩机的常见故障可以分为两大类。一类是流体性质的，属于机器热力性能故障，主要表现为机器工作时排气量不足，排气压力异常、温度异常及级间压力、温度异常等；另一类是机械性质的，属于机械性能故障，主要表现为机器运行时异常的响声、振动和过热等。
压缩机的故障诊断过程是一个十分复杂的映射关系，它的故障现象、产生原因多种多样，部位各不相同；同一故障可由不同的部件引起，同一部件又可以引起不同的故障；同一故障可采用多种诊断方法，同一诊断方法又可以适用于不同的故障。要有效的进行故障诊断就要根据不同故障的特点，采用不同的故障诊断方法，选择合适的信号采集位置。
压缩机的机械性能故障主要表现为异常的响声、振动及过热等，可能的产生原因有：转子不平衡，半速涡动及油膜振荡、转子不对中、共振、部件松动、转子与定子摩擦、转子结构缺陷与裂纹、轴承缺陷等。振声法对于诊断压缩机的机械性能故障较为有效。振声法就是通过对机器外部的振动信号、噪声信号的测量分析来监测其内部的状态变化，并在此基础上诊断故障原因、部位、程度、性质和发展趋势的方法。通常情况下故障都能够反映在振动信号谱图的相应频率分量上，即都有其特殊的故障征兆。这些征兆有1/3倍频、1/2倍频、工频、2倍频、3倍频等，因此可以通过采样不同监测位置的振动信号的方法来进行压缩机机械性能故障的分析和诊断。振动信号的分析方法十分繁多，包括了时域、频域和时-频域信号分析方法，但实际上都是由为数不多的几种基本方法，如统计分析、FFT分析及时序建模等方法经适当的组合变换而来。本项目设计开发了功率谱分析、相关分析、能量分析、包络谱分析、数据回放等常用的压缩机故障诊断分析子模块，利用振动信号进行状态监测和故障诊断，同时兼有温度和压力信号的实时监测和越限报警的功能。