CN103913193A - 一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，通过工业无线网和工业以太网的数据通信，对现场设备进行实时监测和故障预维护；包括以下步骤：上位机通过工业以太网和工业无线网对现场用于监控设备的仪表进行参数配置；仪表根据该参数配置采集现场设备的传感器信息，并将传感器信息进行本地处理后的结果数据通过工业无线网、工业以太网上传至上位机；上位机根据结果数据进行故障诊断，判断设备运行状态；如果得到故障诊断结果，通过故障报警通知现场维护人员对设备进行维修。

Description

一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法

技术领域

本发明涉及一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，具体地说是一种基于振动、电压、电流、温度等信号的用于旋转机械（电机、风机、泵等）的无线故障预诊断方法。

背景技术

随着技术的进步，现代流程工业向大型化、集成化、自动化和高速化方向发展。生产过程对于设备运行的可靠性要求越来越高，需要其在恶劣的工况下连续、高效、长时间的运行。流程工业中关键设备的意外故障会造成严重的经济损失，甚至造成人员伤亡的灾难性后果和恶劣的环境污染。因此，构建一种高效、可靠的机械设备维护系统是降低成本，提高利润，增强企业竞争力的有效手段。

传统的设备维护方式采用“事后维修”、“定期维修”等维修策略，但这种维护方式存在的维修不及时、过修、欠修、整体维修成本过高等问题，“基于状态的维修”是一种在不影响生产过程的前提下，综合利用传感器、检测、通信、计算机及人工智能等技术，对关键设备的运行状态进行实时监控，能够查明故障隐患，定位故障根源，预测故障发展趋势，提供排除故障策略的一项综合技术。

目前，基于状态的维护由于实施成本较高，只在大型关键核心设备中得到了应用。对于中小企业还有大量的关键设备处于监测的真空地带，其日常维护仍采用定期维修的方式，因此提供一种低成本的基于状态的维修的故障诊断解决方案具有重要的应用价值。另外，在大量的已建成的企业中集成故障诊断系统，布设电缆不仅成本、施工费高，而且系统重新配置难，可靠性低。而工业无线技术可以很好的解决这些问题，工业无线技术消除了传统有线测控系统的死角，拓宽了测控系统的时间、空间维度。

在石化、冶金和电力等企业中，电机、风机、压缩机、泵等设备都是关键设备，需要对其工作状态进行实时监控，实现基于状态的维护。这些设备在运行过程中会产生一些故障，比如转子的不平衡或冲击，零件间的滚动及相互摩擦，零件间产生的间隙或松动，零件表面产生的剥落或裂纹等等，会导致设备电压、电流、温度、振动等信号出现异常，因此，对这些信号进行监测可以有效的对设备状态进行监控。

发明内容

为了克服目前现有技术的不足，本发明提供了一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，本发明采用的技术方案是：

一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，通过工业无线网和工业以太网的数据通信，对现场设备进行实时监测和故障预维护；包括以下步骤：

上位机通过工业以太网和工业无线网对现场用于监控设备的仪表进行参数配置；仪表根据该参数配置采集现场设备的传感器信息，并将传感器信息进行本地处理后的结果数据通过工业无线网、工业以太网上传至上位机；

上位机根据结果数据进行故障诊断，判断设备运行状态；如果得到故障类型，通过故障报警通知现场维护人员对设备进行维修。

所述设备包括电机、风机、泵、压缩机。

所述参数配置包括采样频率、刷新周期、阈值、仪表工作模式、采集数据时间、传感器通道号。

所述传感器信息包括电压、电流、温度、振动信息。

所述本地处理中，对振动传感器信息进行本地处理包括：

将振动传感器采集的振动加速度数据通过一次积分运算得到振动速度数据，根据振动速度数据得到振动烈度；

将振动传感器采集的振动加速度数据进行快速傅里叶变换，得到振动加速度的频谱，根据频谱得到指定频率分量的幅值大小；

将振动传感器采集的振动加速度数据进行压缩得到压缩数据。

所述结果数据包括电压、电流、温度数据、振动烈度、指定频率分量的幅值大小、压缩数据。

所述上位机根据结果数据进行故障诊断，判断设备运行状态包括以下步骤：将结果数据输入至故障诊断数据库，通过故障诊断数据库内的结果数据、设备参数、结果历史数据、阈值和故障类型得到故障类型的故障诊断结果。

所述阈值包括电压、电流、温度数据、振动烈度、指定频率分量的幅值大小的阈值。

所述故障报警还可以通过本地声光报警或3G网络以手机信息的形式将报警信息和维护建议发送至现场设备维护人员。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用工业无线技术作为组网方式，提高了组网的灵活性，增强了系统可靠性，消除了传统有线测控系统的死角，拓宽了测控系统的时间、空间维度。

2.本发明实现了对电机、泵、风机等设备的基于状态的维护，提高了设备维护的效率，降低了设备维护的费用，增强了设备工作的可靠性。

3.采用本地声光报警和3G手机网络报警相结合的方式，使设备维护人员可以随时随地的掌握设备的当前工作状况，保证了设备维修的及时性。

附图说明

图1本发明的基于工业无线技术的故障预维护系统总体结构图；

图2本发明的工业无线通信示意图；

图3现场监测子系统结构图；

图4无线变送器工作流程图；

图5故障诊断中心诊断流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

现场仪表实时监测被控对象的状态，采集不同的数据信息，本地进行数据处理和初步故障诊断，然后将压缩后的数据通过无线网络传至厂级监控中心实现故障诊断，本地监控中心无法识别的故障可以上交给远程故障监控中心，由专家进行会诊。故障结果通过本地仪表、监控中心等多种方式显示，并支持3G网络智能手机的结果传送。

一种基于工业无线技术的设备故障预维护系统，包括系统的组成结构，无线仪表的工作方式，无线网络的构成方式，实现故障诊断的厂级故障监测中心和远程故障诊断专家服务中心，支持故障诊断结果通过3G网络以文字、图表、音频、视频等多媒体方式通知设备维护人员。整个故障预维护系统可用于电机、风机、泵等旋转机械的故障诊断和设备预维护。

本发明提供一种基于工业无线的设备故障预维护解决方案，无线仪表实时采集被监测对象（电机、风机、泵等旋转机械设备）的电压、电流、温度、振动等信号，对采集到的信号在本地进行预处理和初级信号分析，通过阈值判断实现初级故障分析和报警，然后通过无线自组网将压缩后的时域、频域信号送到厂级监控中心实现故障高级诊断，判断设备的运行状态，判别故障类别和程度，给出维护建议，实现预维护。在厂级诊断中心无法诊断的故障，通过互联网送入远程故障诊断专家服务中心，由领域专家进行会诊，然后将诊断结果返回到厂级故障诊断中心。故障诊断结果可以在本地仪表、厂级监控中心、远程诊断中心等不同级别进行显示。支持通过3G网络将故障报警等信息发送到设备维护人员的智能手机上，实现设备的全时空监测。

图1是基于工业无线技术的故障预维护系统总体系统结构图，本系统由现场仪表系统60、工业无线数据传输网络40、工业以太网30和故障诊断与故障报警通知系统构成。根据具体的监控需求现场监测子系统60可以有多个，比如可以将工业现场分布于不同车间的系统组态成各自的监测子系统，每个子系统中采用的无线仪表的种类、数量根据监测对象的性质具体确定。来自现场无线仪表的数据通过无线通信信号50连接到无线数据传输网络40中，由40中的工业无线网关41将数据传输到工业以太网中。厂级故障诊断中心12对来自工业现场的被监测对象的振动、电压、电流和温度等信号进行数据处理，分析设备的当前工作状态，确定设备是否发生故障，若发生故障，则定位故障部位，确定故障类型，并给出合理的设备维修建议。受当前人工智能技术发展的限制，没有任何故障诊断专家系统可以解决所有的故障诊断问题，若厂级故障诊断中心12在故障诊断过程中存在困难，则通过互联网20将诊断任务上送至远程故障诊断专家服务中心13，请求领域专家的协助。领域专家将诊断结果再通过互联网20返回给厂级故障诊断中心12.若厂级故障诊断中心12发现故障，则通过故障报警通知系统14将报警信息、故障位置、故障类型、建议处理措施等信息发送给负责设备安全运行的设备维修人员。鉴于目前3G移动通信技术和移动互联网技术的发展，故障报警通知系统支持多媒体信息传输；比如通过手机短信的形式通知设备维修人员。无线网络服务器11完成对现场工业无线仪表和工业无线数据传输网络40的配置和维护。通过无线网络服务器11可以实现对分布于工业现场的无线仪表实现启停、参数配置、故障维护等操作。

参数配置包括采样频率、刷新周期、阈值、仪表工作模式、采集数据时间、传感器通道号；阈值包括振动烈度阈值、振动加速度频谱指定频率分量幅值阈值、温度阈值、电压阈值和电流阈值；仪表工作模式包括正常工作模式和节电模式。

图2是本发明的工业无线通信示意图。无线网络由工业无线网关41、无线路由器42和无线仪表43组成。具体选择的无线通信技术可以是WIA（WirelessNetworks for Industrial Automation）、Wireless HART、ISA100等方式。无线仪表43的类型可以是无线振动变送器、无线电流变送器、无线电压变送器、无线温度变送器等，具体类型根据诊断对象确定。无线仪表43和无线网关41的通信方式根据两者之间的距离确定，若两者之间的距离在无线仪表43一跳的距离内，则无线仪表43和无线网关41直接通信；若两者之间的距离大于一跳的距离，则在无线仪表43和无线网关41之间合适的位置安装无线路由器42对数据进行中继。无线网络40是一种自组织mesh网络，支持设备的自动加入、退出。因此，网络具有配置容易，可靠性高。

图3是现场监测子系统结构图。系统由被检测对象69、传感器62、64、66、68、无线变送器61、63、65、67组成，传感器将有助于故障诊断的物理信号转换成电信号，比如，信号可以是电压、电流、温度、振动信号，当然不限于这些信号，也可以是声音、图像等其他信号，具体类型要根据监测对象的类型和拟诊断的故障性质确定。例如，若监测对象69为一个由电机-水泵构成的机组，对其进行故障监测是可以利用电压传感器64、电流传感器66分别监测被测对象69中电机的电压和电流，并将传感器检测到的信号送无线电压变送器63、无线电流变送器65进行处理；利用温度传感器62对机组负载端电机的轴瓦温度进行监测，将信号送无线温度变送器61进行处理；利用多个振动传感器68对机组多个测点的X、Y、Z向的振动信号进行检测，将结果送到多个对应的无线振动变送器67进行处理。各个无线变送器处理后的数据通过无线信号送入工业无线通信网络40在无线振动变送器中进行的信号处理可以是阈值判断、时域信号压缩、频域信号快速傅里叶变换（FFT）分析等。

阈值判断具体为：若温度、电压、电流信号的大小和振动信号制定频率分量的幅值大于上位机制定的阈值，则本地报警，并将报警信息上传至上位机；

时域信号压缩具体为：采用小波变换对需要传输到上位机的振动加速度信号时域数据进行压缩，减小需要通过工业无线网络传输的字节数，在上位机采用相应的解压缩算法，还原时域振动加速度数据。

振动加速度信号快速傅里叶变换（FFT）分析具体为：对采集的振动加速度信号进行FFT变换，得到振动加速度信号的频谱，根据上位机设定的设备运行的基频，计算指定频率分量（比如：0.5倍频、1倍频、2倍频、3倍频、4倍频、5倍频等）幅值的大小。

图4是无线变送器工作流程图。无线振动变送器一般为电池供电，为了降低功耗，提高电池的使用寿命，变送器上设置有电源管理功能，变送器根据设定的刷新周期，启动变送器完成数据采集、分析、数据发送等处理工作。在初始化72中装载启动程序，载入配置参数，识别当前操作指令。无线变送器开始71工作对无线变送器硬件各模块上电，初始化72完成后进入数据采集73，数据采集过程包括A/D转换、数字滤波、数据标定等操作；数据标定是根据模数转换器ADC转换后的数字量和ADC的电压分辨率及振动传感器的分辨率得到振动信号大小。然后进入下一步74进行数据处理和本地阈值判断阶段，数据处理包括时域信号分析和频域信号分析，数据压缩处理，降低无线网络数据传输量，提高电池使用寿命，仪表本地进行简单的阈值比较，包括电压、电流、温度、振动阈值，若超限则进行本地报警75，通过报警声音的方式通知设备维护人员。然后无线振动变送器启动无线收发模块，开始连接无线网络76，网络连接完毕启动数据传输77，传输电压、电流、温度时域数据，振动信号分析结果数据及压缩后的振动加速度信号时域数据，无线变送器结束一个工作周期78，等待下一个工作周期的开始；在厂级故障诊断中心和远程故障诊断中心进行高级的故障诊断分析。其中：振动信号分析数据为振动烈度和振动加速度信号频谱中指定频率分量的幅值大小。指定频率为上位机根据被监测对象的转速和拟诊断的故障类型设定的频率。

图5是故障诊断中心流程图。进入故障诊断过程81后，来自现场振动变送器的数据首先进入厂级故障诊断82，若在厂级故障诊断中心无法处理的疑难杂症则通过互联网送入远程的故障诊断专家服务中心，在远程故障诊断83中由领域专家根据故障表现进行会诊，并将诊断结果返还给厂级故障诊断中心，若诊断后发现有故障或潜在的故障则进入故障报警84和通知设备维护人员85通知相关的设备维护人员；结束本次故障诊断86。

厂级故障诊断中心具体为含有结果数据、设备参数、结果历史数据、阈值和故障类型的诊断数据库；将结果数据输入至故障诊断数据库，通过故障诊断数据库内的结果数据、设备参数、结果历史数据、阈值和故障类型得到故障诊断结果。阈值包括电压、电流、温度、振动烈度、振动加速度频谱中制定频率分量的阈值。诊断数据库中还存有诊断结果对应的维护信息，用于协助设备维修人员实现设备维护，随报警信息发送给设备维护人员。

诊断数据库的诊断通过设备运行状态以及经验实现，例如：若振动信号的频谱内出现2倍频、3倍频等高次谐波，振动不稳定；振动方向为径向、轴向，则故障类型为电机转轴出现横向裂纹；若振动信号的频谱出现0.5倍频，振动稳定，振动方向为轴向，则故障类型为油膜涡动；若振动信号的频谱出现2倍频，频率分离幅值随转速的增加而增加，则故障类型为不对中。

Claims (9)

1.一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于，通过工业无线网和工业以太网的数据通信，对现场设备进行实时监测和故障预维护；包括以下步骤：

上位机通过工业以太网和工业无线网对现场用于监控设备的仪表进行参数配置；仪表根据该参数配置采集现场设备的传感器信息，并将传感器信息进行本地处理后的结果数据通过工业无线网、工业以太网上传至上位机；

上位机根据结果数据进行故障诊断，判断设备运行状态；如果得到故障类型，通过故障报警通知现场维护人员对设备进行维修。

2.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述设备包括电机、风机、泵、压缩机。

3.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述参数配置包括采样频率、刷新周期、阈值、仪表工作模式、采集数据时间、传感器通道号。

4.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述传感器信息包括电压、电流、温度、振动信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述本地处理中，对振动传感器信息进行本地处理包括：

将振动传感器采集的振动加速度数据通过一次积分运算得到振动速度数据，根据振动速度数据得到振动烈度；

将振动传感器采集的振动加速度数据进行快速傅里叶变换，得到振动加速度的频谱，根据频谱得到指定频率分量的幅值大小；

将振动传感器采集的振动加速度数据进行压缩得到压缩数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述结果数据包括电压、电流、温度数据、振动烈度、指定频率分量的幅值大小、压缩数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述上位机根据结果数据进行故障诊断，判断设备运行状态包括以下步骤：将结果数据输入至故障诊断数据库，通过故障诊断数据库内的结果数据、设备参数、结果历史数据、阈值和故障类型得到故障类型的故障诊断结果。

8.根据权利要求7所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述阈值包括电压、电流、温度数据、振动烈度、指定频率分量的幅值大小的阈值。

9.根据权利要求1所述的一种基于工业无线技术的设备故障预维护方法，其特征在于：所述故障报警还可以通过本地声光报警或3G网络以手机信息的形式将报警信息和维护建议发送至现场设备维护人员。