大型機械設備在線監測系統設計與應用

馬芙蓉馬 斌

（1.蘭州石化職業技術學院；2.蘭州石化公司研究院，甘肅 蘭州 730060）

大型機械設備在線監測系統設計與應用

馬芙蓉1馬 斌2

（1.蘭州石化職業技術學院；2.蘭州石化公司研究院，甘肅 蘭州 730060）

針對現有的在線監測系統由于網絡傳輸及存儲方式的限制，普遍采用數據壓縮的方式進行，提出基于事件的存儲與監測機制的監測系統設計方案，并在某石化企業應用，取得了較好的應用效果。

在線監測；數據采集；機械設備

石油化工行業中大型機械設備是企業生產和運行的核心設備，隨著現代工業的發展，機械設備的自動化水平越來越高，設備維修的難度越來越大，對運行設備特別是關鍵設備進行狀態監測與故障診斷是實現設備的遠程監測和企業技術發展的必然方向。

一、現狀與需求

自20世紀80年代后期，我國大型機械設備的狀態監測逐步引入國外的離線及在線狀態監測系統，與此同時國內也逐漸出現自主研發的在線監測系統。但由于硬件可靠性差，軟件功能相對滯后，可利用率較低，關鍵時刻往往捕捉不到故障信息。此外由于系統設計階段沒有充分考慮實時監測數據的存儲與傳輸機制，造成原有在線監測系統出現實時數據傳輸滯后及存儲量巨大等問題，嚴重影響了在線監測系統發揮應有的作用。為了解決上述問題，從網絡架構、硬件設計、數據壓縮算法、數據存儲模式及數據庫技術等方面對系統進行了重新設計和優化。

二、系統核心設計

1.系統總體架構設計

系統的整體設計本著簡潔易用的設計原則，利用Java語言在網絡應用和跨平臺方面的先天優勢，將系統軟件整體劃分為3個部分進行設計，首先是系統的數據采集部分，這部分軟件安裝并應用在數據采集器中；其次是應用程序服務器與數據庫服務器，這部分軟件安裝應用在應用服務器中；最后是客戶端部分，依靠用戶端電腦的瀏覽器運行，軟件總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

設備運行的實時信號通過現場傳感器傳送到數據采集器，數據采集器中的數據采集程序將數據分成實時數據和歷史數據分別發送至實時數據庫和歷史數據庫。實時數據是供客戶端實時監測使用，而歷史數據是為了長期存儲。設備故障數據及啟停車運行數據，檢維修前后的數據等關鍵數據均需作為歷史數據保存至數據庫中。同時設備正常運轉的數據由于變化較小，可采用很小的數據密度對歷史數據加以保存。

2.數據傳輸方案設計

數據存儲是在線監測系統的關鍵環節，采用何種方式對實時數據和歷史數據進行存儲，將直接關系到整個在線監測系統的運行機制與使用便捷程度。

常見的在Internet上實時傳遞信息的系統，一般是通過Socket協議來保證客戶端和服務器之間傳遞數據的。但在石化、電力等行業的生產企業，一般企業內部的計算機都是通過統一的代理服務器出口來訪問Internet，同時也是為了保障企業網絡的安全性和穩定性，設計完全采用http協議來完成所有數據的傳輸工作。

機組運行的實時數據量比較巨大，一般每個機組(機組)每秒鐘平均約產生上千個數據，用戶進行遠程診斷和圖譜分析時，其申請的數據量也可能十分巨大，甚至達到上萬個數據；另一方面，企業以及用戶的Internet連接速度可能是十分有限。這就要求在設計通訊方案的時必須特別注重效率問題。

在方案中采用了特征值智能壓縮算法，可以做到高保真大壓縮比地壓縮現場數據。該壓縮算法的大致流程為：(1)將機組每個振動測點的波形進行FFT變換，即映射為頻域信號；(2)對頻域信號各個頻率上的幅值和相位進行智能壓縮；(3)將壓縮后的數據進行傳輸；(4)從壓縮數據中提取特征值幅值和相位；(5)通過FFT反變換，將特征值信息重新轉換為波形數據。

通過這種壓縮算法，一般情況能夠實現10～50倍的數據壓縮比，這時波形的失真幾乎可以忽略不計。這樣每個數據采集器的數據量只有十幾k/s，中心服務器的數據量也壓縮到200～300k/s，完全可以滿足實際要求。

3.數據存儲機制設計

數據存儲機制是在線監測系統的重點，也是難點。歷史數據的存儲是數據存儲機制的重要環節，在傳統的監測方式中，歷史數據的存儲方式一般是基于時間的，即以時間為基準點進行數據存儲，一般采用的方法有兩種，其一是采用時間平均存儲法，即將固定時間段內的數據進行平均后，再存入數據庫的方式，這種方法往往將時間按照天、小時和分鐘進行劃分；另一種方法是時間瞬時存儲法，就是將系統特定設置的時刻數據直接存入歷史數據庫。

第一種方法雖然有效的降低了歷史數據的存儲空間，但往往由于采樣時間點過長而過濾了機組運行時的故障點，從而失去了故障分析的數據基礎，第二種方法則由于數據存儲量過大，無法連續保存長時間的機組數據。

本課題提出了基于事件的歷史數據存儲方式。簡單地說，就是通過對機組運行情況的智能判斷，改變數據存儲的密度。當機組運行正常時，其振動數據往往是連續而穩定的，在這種情況下，數據的存儲采用了很低的密度，比如5min存儲一次，而當機組的振動出現波動或異常情況時，存儲時間間隔將隨著事件的不同而加大采用頻次。

基于事件的存儲方式要求系統能夠根據事件的變化來激活存儲模式的改變，讓系統既減少數據存儲量又保障數據真實反映機組的運行情況。采用這種存儲模式既能夠通過門限值的變化捕獲到異常現象的發生，同時改變數據采用的頻度和模式，實現對機組信息的全過程完整記錄。

當機組振動值超過比較門限而啟動存儲驅動機制后，系統將開始存儲機組的異常數據記錄。基于事件的存儲機制能夠有效增強在線監測系統捕獲機組微小運行變化的能力。

當機組處于平穩運行狀態時，基于事件的歷史數據庫不會存儲機組的任何運行信息。因此，考慮引入基于瞬時時間的歷史數據庫存儲方式能夠很好的解決這個問題。將基于瞬時時間的歷史數據存儲方式與基于事件的歷史數據結合起來，能夠實現全面記錄機組的完整運行過程信息。

綜上所述，在線監測系統采用這種方案進行數據存儲方案的優點在于：(1)高保真的工況歷史數據記錄；(2)不丟失任何有用信息；(3)存儲量大大減小。

數據存儲結構簡圖如圖2所示。

圖2 利用數據庫存儲實時數據的結構圖

由于實時數據和參數數據都能夠作為獨立的表或表中的列單獨存儲在數據庫中，而再度讀取數據庫時可單獨讀取數據庫表格中的任意項，這樣就減少了客戶端數據處理的任務。所以可以更好的實現實時數據傳輸和監測的目的。

三、系統應用及效果

經對大型機械設備在線監測系統進行重新設計與優化，較好的實現了在線監測系統數據傳輸與數據存儲的矛盾，在國內某石化公司應用后，取得了較好的應用效果。

[1]郭 健 忠,蔣 全 勝 ,胡 友 民。 基 于 Internet/intranet在線監測系統實時監測界面設計與實現[J].機械研究與應用,2003,6(2):69-70.

[2]姚寶恒,楊霞菊,佟德純.基于互聯網的設備遠程監測診斷技術[J].振動與沖擊，2002，21(3):52-55.

[3]馮建新,王光興,張大波.基于網絡的設備遠程監控系統的設計與實現[J].東北大學學報,2002,23(7):61-62.

[4]李舜酩.高速旋轉機械運行狀態檢測與故障診斷方法的研究[D].西安：西安交通大學建筑工程與力學學院,1998,12～13.

[5]安紅艷,蔡正國.提高設備診斷水平的途徑和方法研究[J],石油化工設備枝術,1996,17(4):60-62.

[6]余佳兵.旋轉機械故障診斷中信號采集與分析關鍵技術的研究,博士學位論文,華中科技大學,1996.

[7]張優云,謝友柏.狀態監測故障診斷與現代設計技術[J].中國機械工程,1997,(05).

TH 17

B

1671-0711（2016）06-0040-02