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液压设备在线监测技术及应用.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途 液压设备在线监测技术及应用在线监测是液压设备及工艺过程故障诊断与状态监测的重要途径.这一章结合实例论述多媒体与网络技术背景下液压装置在线监测系统的组成、功能、基本要求、相关因素与应用方法。 第1节 设备在线监测技术概述14。1。1 综述 随着现代化大生产的不断发展和科学技术的不断进步,为了最大限度地提高生产效率和产品质量,作为主要生产工具的机械设备正朝着大型、高速、精密、连续运转以及结构复杂的方向发展。这样,在满足生产要求的同时,设备发生故障的潜在可能性和方式也在相应增加,并且设备一旦发生故障,就可能造成严重的甚至是灾难性的后果。如何确保机械设备的安全正常运行已成为
2、现代设备运行维护和管理的一大课题。对机械设备进行在线监测是保障其安全、稳定、长周期、满负荷、高性能、高精度、低成本运行的重要措施。 所谓在线监测(on-line monitoring),是在生产线上对机械设备运行过程及状态所进行的信号采集、分析诊断、显示、报警及保护性处理的全过程. 设备在线监测技术以现代科学理论中的系统论、控制论、可靠性理论、失效理论、信息论等为理论基础,以包括传感器在内的仪表设备、计算机、人工智能为技术手段,并综合考虑各对象的特殊规律及客观要求,因此它具有现代科技系统先进性、应用性、复杂性和综合性的特征.目前,在线监测技术发展的主要趋势如下:整个系统向着高可靠性、智能化、开
3、放性以及与设备融合为一体的方向发展,从单纯监测分析诊断向着主动控制的方向发展。采集器向着高精度、高速度、高集成度以及多通道方向发展。精度从8位发展到12为甚至16位,采集速度从几赫发展到几万赫,采集器内插件有所减少,从通用电子元件的组装向专用芯片ASIC的方向发展。采样方式从等时采样向着等角度同步整周期采样的方向发展,以获取包括相位在内的多种信息,采集的数据从只有稳态数据发展到包括瞬态数据在内的多种数据.通道数量从单通道向多通道发展,信号类型从单个类型向着多种类型(包括转速、振动、位移、温度、压力、流量、速度、开关量以及加速度等)方向发展。数据的传输从串行口和并行口通讯向着网络通讯(波特率可达
4、10兆、100兆甚至几百兆)的方向发展。监测系统向对用户友好的方向发展,显示直观化,操作方便化,采用多媒体技术实现大屏幕动态立体显示。分析系统向多功能发展,不仅能分析单组数据,还可分析开停机等多组数据.诊断系统向智能化诊断多种故障的方向发展,由在线采集离线诊断向在线采集和实时诊断的方向发展。数据存储向大容量方向发展,存储方式向通用大型数据库方向发展。诊断与监测的方式向基于Internet/Intranet的远程诊断与监测的方向发展。14。1。2 在线监测的重点对象与基本要求(1)在线监测的主要对象须在线监测的重点设备主要如下:对生产影响最大的关键设备,包括工艺要求十分严格及产品质量要求十分严格
5、的设备、连续运行的设备、单一生产流程中的设备、没有备用的设备、以及中间产品储量最少的设备等。隐含危险的设备,包括在高温或高压或高电压下工作的设备、装有高速或大惯性运动部件的设备、处理危险或有毒介质的设备.有严格的安全性要求的设备,包括故障发生可能引起爆炸的设备、故障一旦发生会造成灾难的设备等。(2)监测的重点部位监测的重点部位主要如下:对机器的可靠性影响最大的薄弱环节.负荷繁重且不可缺少的装置。数据表明寿命最短的零部件。对整台设备起安全保护作用的装置。环境恶劣,人员难以接近的部位。(3)在线监测系统的基本要求用户对在线监测系统的基本要求分别是:先进性.在系统建设过程中应采用具有国际领先水平的技
6、术,主要包括:采用先进的现场总线技术、OPC Server网络数据采集技术、标准的布线技术、先进的Internet/Intranet技术等,把各种先进技术融合在整个系统中.实用性。首先是系统具有实用的功能,其次是系统硬件配置和软件设计应从使用者的角度出发,尽可能方便、实用。应根据设备维护和检修的实际需求,严格按照国家标准,使系统既能满足生产需求,又做到用户界面友好、操作方便。有效性。应保证分析、诊断结果的有效性,在被监测的设备出现故障前能起到预防作用,而当设备出现故障时能及时给出正确的判断。可靠性。在线监测系统的主要目的是保障生产机械的工作可靠性,因此其本身应具有更高的可靠性.监测系统结构上采
7、用层次式分布结构,以实现故障分散,保证高可靠性,即在任一单元发生故障情况下,不影响诊断系统其他部分的运行。并考虑生产现场的环境恶劣,采用高抗干扰性的措施。安全性。应采用完备的模拟量、数字量隔离(如三端隔离)技术,正确的信号接地措施,以及系统的冗余性,确保整个系统的电气安全性;在网络系统上采用防计算机病毒系统;在系统数据管理方面考虑整个系统数据系统的备份的完备性.可扩展性。系统应具有可扩展和自我开发性能,能适应相关技术的发展和软件的升级换代。系统必须提供与其它系统互联的良好接口。经济性。在保证满足监测与诊断要求的前提下,应尽可能地节省投资。14.1。3 在线监测系统的组成各类在线监测系统可能由于
8、应用场合和服务对象的不同、采用技术的复杂程度不同而呈现较大的差异,但一般主要由以下部分组成:1) 数据采集部分。它包括各种传感器、适调放大器、A/D转换器、以及存储器等.其主要任务是信号采集、预处理及数据检验。其中信号预处理包括电平变换、放大、滤波、疵点剔除和零均值化处理等,而数据检验一般包括平稳性检验以及正态性检验等。2) 监测、分析与诊断部分。这部分由计算机硬件和功能丰富的软件组成,其中硬件构成了监测系统的基本框架,而软件则是整个系统的管理与控制中心,起着中枢的作用.状态监测主要是借助各种信号处理方法对采集的数据进行加工处理,并对运行状态进行判别和分类,在超限分析、统计分析、时序分析、趋势
9、分析、谱分析、轴心轨迹分析、以及启停机工况分析等的基础上,给出诊断结论,更进一步还要求指出故障发生的原因、部位、并给出故障处理对策或措施.3) 结果输出与报警部分。需要这部分的目的是将监测、分析和诊断所得的结果和图形通过屏幕显示、打印等方式输出。当监测特征值超过报警值后,可通过特定的色彩、灯光或声音等进行报警,有时还可进行停机连锁控制。结果输出也包括机组日常报表输出和状态报告输出等。4) 数据传输与通讯部分。简单的监测系统一般利用内部总线或通用接口(如RS232C接口、GPIB接口)来实现部件之间或设备之间的数据传递和信息交换,对于复杂的多机系统或分布式集散系统往往需要从用数据网络来进行数据传
10、递与交换。有时还需要借助于调制解调器(MODEM)及光纤通讯方式来实现远距离数据传输。对于远程诊断,显然要依赖Internet网络。14。1.4 Intranet/Internet 远程诊断与监测系统Internet/Intranet的发展,使其在测控领域的应用日益受到关注。利用Internet/Intranet技术可将必要监测信息送到企业内任意的PC机或移动计算机的屏幕上。利用简单的HTML(超文本链结标示语言)文本,使用通用的Web浏览器,可在通用的接口下显示来自监控和数据采集系统和其它软件系统的信息。目前很多Web服务器软件提供了对关系型数据库的访问方法,有些通用数据库也将数据发布为HT
11、ML格式,以供Web访问.随着传统的故障诊断技术的日渐成熟以及新兴的计算机网络技术的飞速发展,可以依托Web构建轧机故障远程监测与诊断系统使传统的故障诊断技术集成化、网络化、信息化,为设备安全提供更有力的保障。因此可通过Web技术访问数据库和获取系统信息。决策、维修人员可以在任意远程或局域网上观测实时的测控信息,并实现网上远程诊断。基于Internet的远程诊断,被称为新一代的远程诊断系统,是在Internet的迅速发展及成为其成熟的关键技术后发展起来的,它是将信息检索技术、数据库技术和实际工程应用的故障诊断技术结合起来,充分发挥它们的组合优势的一种诊断方式,它兼顾了点对点远程诊断的各自优点
12、,借助于现有的教学科研网、企业内部网和Internet的资源,成本低 ,网络传输速度快,具有更好的性能价格比,并且开放性好,各种资源能得到充分的共享 ,可为多用户并行诊断.国内外专家学者对远程诊断技术的研究方兴未艾,已经推出了大量实用化的远程诊断系统。如将传统的发动机故障诊断技术与eb技术相结合,提出一种基于Web的航空发动机故障远程诊断系统模型,系统的建立使航空发动机的监控、诊断和维护技术融入网络环境,可以极大地提高发动机疑难故障诊断的准确性和及时性,体现了故障诊断技术网络化、信息化的发展趋势.另一例子是以港口大型设备为主要研究对象,在探讨现代港口设备控制系统的主要原理和提出基于网络和信息技
13、术的港口现代化管理与控制的四层递阶控制结构模式概念的基础上,论述了港口设备远程诊断技术的总体技术方案和特点。单独应用某一诊断手段时诊断结果并不理想,然而每项手段都要求先进的诊断设备以及具有深厚专家知识的诊断人员,配备这些诊断手段以形成综合性的诊断系统需要大量的资金及人力投入,这对于广大中、小型企业来说是力所不及的。近年来计算机网络技术的出现与飞速发展为我们提供了解决这一矛盾的方法。远程故障诊断技术是通过传统故障诊断技术与计算机网络技术相结合,用若干台中心计算机作为服务器,在企业的重要关键设备上建立状态监测点,采集设备状态数据;而在技术力量较强的科研院所建立分析中心,对设备运行进行分析诊断的一项
14、新技术.网络化设备信息监测与诊断分析技术是企业获得社会有关技术人员支持,特别是全球性技术支持的必由之路.它对于企业适应于网络化社会和生活,提高企业设备管理和维护水平,直接得到有关设计单位、生产单位、研究单位的技术支持 ,提高企业效益和国际竞争能力具有巨大作用。此外,重要系统和设备的区域性和全球性远程诊断、控制、维护和管理是计算机和网络技术、信息技术、机电技术、管理技术等一体化的体现,是世界高新技术的发展趋势之一,具有普遍的理论研究价值和应用前景.第2节 液压系统的状态监测液压系统以其快速响应、大功率、高性能及易于远程操作与控制等特点被作为一种主要动力装置广泛应用于各种机械设备中。其规模与复杂性
15、日益提高,元件及系统的故障与失效原因也变得更加复杂,因此迫切需要提高系统运行可靠性与安全性的有效方法与措施.设备状态监测技术可以有效地提高设备运行的可靠性与安全性,它将传统意义上的设备定期维护提升为按需维护与预测维护。通过设备状态监测技术并综合运用各种故障诊断新技术与新方法,对液压元件及系统的运行状态及故障进行实时在线监测及诊断将是提高液压系统运行可靠性与安全性的一种有效手段。14。2。1 液压系统状态监测目的与内容对液压系统的运行状态进行监测的主要目的应该是:实时地、真实地反映系统的运行状态,保证系统正常工作,防止意外事故发生;对系统中主要元件如电机、液压泵、换向阀、压力阀、伺服元件及过滤装
16、置等的工作状态进行监测,对潜在故障进行预报,防止元件突然失效导致系统出现故障;预测系统状态变化趋势,对未来的运行趋势进行预报,对将要发生的故障进行报警并且给出故障处理方法及措施。为达到以上目的,对液压系统进行状态监测时,监测系统的主要监测对象与内容一般是液压系统的主要工作参数,具体来说有如下几方面内容:1) 压力。系统压力综合反映了系统及系统内元件的工作状态,通过对液压泵进出油口、重要管道内及执行机构进出油口的压力(或压力差)的监测,可以对系统失压、压力不可调、压力波动与不稳等与压力相关的故障进行监视;2) 流量。系统内流量的变化可以反映系统容积效率的变化,而容积效率的变化又反映了系统内元件的
17、磨损与泄漏情况。可以通过监测重要元件流量变化状况达到对系统及元件的容积效率及元件磨损状况的监视目的;3) 温度。设计合理的液压系统其工作温度变化范围是有限制的,系统温度的异常升高往往意味着系统内出现故障。通过监测系统温度变化可以实现对与温度变化有密切联系的故障的监视,如系统内泄漏增加、环境温度过高、冷却器故障或效率降低、执行机构运动速度降低或出现爬行导致溢流量增加等;4) 泄漏量。泄漏量的大小直接反映了元件的磨损情况及密封性能的好坏,一般说来对于液压泵和液压马达的泄漏量的监测比较容易实现,对于其他元件泄漏量的监测则不太容易实现.除了通过监测以上工作参数达到对系统工作状态进行监视的目的外,还可以
18、监测系统的振动、噪声、油液污染程度、伺服元件的工作电流与颤振信号、电磁阀的通电状况等,实现对系统工作状态的监视。具体选用哪些参数作为监测量要根据系统的应用场合、信号采集的难易程度和资金多少等合理确定,在可能的情况下应该尽可能多的选取被监测量,以便更全面地了解系统工作情况,综合分析系统运行趋势并为故障诊断与定位提供充分依据.12。2.2 状态监测系统模型(1)监测系统设计原则在设计针对液压系统的监测系统时需要充分考虑以下因素:1)所采用的技术的先进性;2)系统实现的可能性与难易程度;3)是否需要实现实时、在线监测及远程监测;4)与相关系统(如机械、电气等监测控制系统)的兼容性与统一性;5)是否需
19、要与控制系统统一成一个监控系统等;6)监测系统自身的可靠性与维护难易程度。从当前及今后的技术发展趋势看,监测系统应该优先采用基于网络的实时、在线监测与诊断技术模式。(2)基于网络与的监控系统模型图14-1基于网络与PLC的液压监控系统模型图141所示为一种基于网络与PLC的液压监控系统模型。该模型是一种分级的层次化结构形式,从下到上依次为设备层、车间级监控层、厂级监视诊断层与远程监视诊断中心层等.系统操作人员通过HMI(人机交互界面)发出的操作指令经由车间以太网送到PLC主站,再经过现场PLC分站的、模块与设备总线对液压系统中相关元件进行调节与控制;同时液压系统运行过程中的状态参数经过设备总线
20、与现场PLC分站的、模块送到PLC主站,再经过车间以太网送到监视站。工程技术人员可以通过工程师站对系统运行环境、参数进行设定、修改和维护。设在车间级的服务器还可以将液压系统运行的状态参数经过厂局域网送到厂信息中心,供厂级监视诊断中心和远程监视诊断中心使用。此模型具有以下几个主要特点:将监测、诊断与控制功能统一到一个系统中实现;系统构成上实现了分布式、模块化与层次化,既易于实现又便于维护,同时为今后系统升级提供了方便;从网络观点看整个系统实际上构成一个监控诊断局域网,为最终实现实时、在线及远程监控奠定了基础。(3)应用基于以上模型的某厂的一台大型混合机液压系统监控系统。该液压系统主要完成混合锅的
21、上升、下降及锅在工作位置的保压(保压时间要求超过4)。监控系统主要由PLC、上位监视主机、工程师站、操作员HMI和音视频系统等组成,具有自动和手动调试两种工作方式。该监控系统可以通过PLC按工况要求对系统与执行机构进行控制与调节,同时对液压系统中泵的出口压力、液压缸工作压力、蓄能器压力、过滤器进出口压差、油箱内液位、油液温度及电磁阀的电磁铁通电状况进行监测。监控系统在设计时考虑了多种安全联锁保护和故障报警、解除与自动恢复措施,能最大限度地提高系统运行的可靠性与安全性.另外系统还能够实现被监测对象历史运行曲线显示、趋势预报、故障分析与定位、报表打印与数据远程上传等功能。系统工作参数的实时在线综合
22、监测与控制,对于保障系统正常工作,提高系统运行的可靠性与安全性,让操作者及时了解系统的工作状况,以及对液压系统故障的早期预防和诊断等均有重要意义。第7节 建筑机械液压故障诊断与在线监测建筑机械工作环境差、使用频率高,加之其液压系统复杂,由于油液而产生故障的频率相当高,凭经验诊断主观因素较大,已经不能适应当前科技日益发展和工程实际的需要。因此采用事前的计算机故障诊断预报技术和计算机辅助故障分析技术是目前的主要趋势。14.7.1 建筑机械液压系统在线监控与故障预报单片机系统在建筑工程的施工中,施工进度成为建筑施工管理的首要因素,如果建筑机械频频发生故障,将严重影响整个的施工进度,从而影响了工程的建
23、设。因此要求建筑机械在设备的运行过程中能自动地根据运行状况提供可靠性方面的资料,比较准确地发出故障预报信号,以便在施工的间隙期或者立即停机进行维修,减小设备的损耗,因此采用一种自动的故障预报系统具有重要的意义. 图14-13 单片机在线监控与故障预报系统单片机是一种具有计算机基本功能的工业控制器件,由于其体积小、成本低在工程领域得到了广泛的应用,此处采用的单片机是MCS51单片机。由于建筑设备的故障主要是由液压系统的故障引起的所以将液压系统的主要特征参数进行监控,从而判断该设备的工作状况,这些主要特征参数包括液压系统的压力、流量和油液的污染度.图1413是单片机在线监控与故障预报系统的示意图,
24、表征液压系统主要工况的压力、流量和污染度的信息分别被压力传感器、流量传感器和污染传感器采集后,得到比较微弱的模拟电信号,这些信号不足以驱动单片机,故必须进行信号放大、整流、筛选等必需的信号处理,但这样的信号仍是模拟信号,是单片机系统不能处理的,所以必须再经过A/D模/数的转换,导入MCS51单片机,该单片机芯片8031中存储有压力、流量和污染度的指标参数,经过预先编制的程序,单片机将采集到的信号与存储在其中的指标参数进行比较分析和判断,确定系统是否即将发生故障,还要经历多长时间发生故障,如果是,则在显示屏上显示各项参数并发出相应的警报,提醒设备的操作者采取相应的措施. 14。7.2 建筑机械液
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