馬芙蓉馬 斌

（1.蘭州石化職業(yè)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(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

馬芙蓉1馬 斌2

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

針對現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)由于網(wǎng)絡傳輸及存儲方式的限制，普遍采用數(shù)據(jù)壓縮的方式進行，提出基于事件的存儲與監(jiān)測機制的監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，并在某石化企業(yè)應用，取得了較好的應用效果。

在線監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集；機械設備

石油化工行業(yè)中大型機械設備是企業(yè)生產(chǎn)和運行的核心設備，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)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(tài)監(jiān)測與故障診斷是實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)測和企業(yè)技術發(fā)展的必然方向。

一、現(xiàn)狀與需求

自20世紀80年代后期，我國大型機械設備的狀態(tài)監(jiān)測逐步引入國外的離線及在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，與此同時國內也逐漸出現(xiàn)自主研發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。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(tǒng)設計階段沒有充分考慮實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與傳輸機制，造成原有在線監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸滯后及存儲量巨大等問題，嚴重影響了在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮應有的作用。為了解決上述問題，從網(wǎng)絡架構、硬件設計、數(shù)據(jù)壓縮算法、數(shù)據(jù)存儲模式及數(shù)據(jù)庫技術等方面對系統(tǒng)進行了重新設計和優(yōu)化。

二、系統(tǒng)核心設計

1.系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)的整體設計本著簡潔易用的設計原則，利用Java語言在網(wǎng)絡應用和跨平臺方面的先天優(yōu)勢，將系統(tǒng)軟件整體劃分為3個部分進行設計，首先是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，這部分軟件安裝并應用在數(shù)據(jù)采集器中；其次是應用程序服務器與數(shù)據(jù)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(tǒng)總體結構圖

設備運行的實時信號通過現(xiàn)場傳感器傳送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)采集程序將數(shù)據(jù)分成實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別發(fā)送至實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)是供客戶端實時監(jiān)測使用，而歷史數(shù)據(jù)是為了長期存儲。設備故障數(shù)據(jù)及啟停車運行數(shù)據(jù)，檢維修前后的數(shù)據(jù)等關鍵數(shù)據(jù)均需作為歷史數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中。同時設備正常運轉的數(shù)據(jù)由于變化較小，可采用很小的數(shù)據(jù)密度對歷史數(shù)據(jù)加以保存。

2.數(shù)據(jù)傳輸方案設計

數(shù)據(jù)存儲是在線監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，采用何種方式對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行存儲，將直接關系到整個在線監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)，一般是通過Socket協(xié)議來保證客戶端和服務器之間傳遞數(shù)據(jù)的。但在石化、電力等行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)，一般企業(yè)內部的計算機都是通過統(tǒng)一的代理服務器出口來訪問Internet，同時也是為了保障企業(yè)網(wǎng)絡的安全性和穩(wěn)定性，設計完全采用http協(xié)議來完成所有數(shù)據(jù)的傳輸工作。

機組運行的實時數(shù)據(jù)量比較巨大，一般每個機組(機組)每秒鐘平均約產(chǎn)生上千個數(shù)據(jù)，用戶進行遠程診斷和圖譜分析時，其申請的數(shù)據(jù)量也可能十分巨大，甚至達到上萬個數(shù)據(jù)；另一方面，企業(yè)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(xiàn)場數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)進行傳輸；(4)從壓縮數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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

3.數(shù)據(jù)存儲機制設計

數(shù)據(jù)存儲機制是在線監(jiān)測系統(tǒng)的重點，也是難點。歷史數(shù)據(jù)的存儲是數(shù)據(jù)存儲機制的重要環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)的監(jiān)測方式中，歷史數(shù)據(jù)的存儲方式一般是基于時間的，即以時間為基準點進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行平均后，再存入數(shù)據(jù)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(tǒng)特定設置的時刻數(shù)據(jù)直接存入歷史數(shù)據(jù)庫。

第一種方法雖然有效的降低了歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)基礎，第二種方法則由于數(shù)據(jù)存儲量過大，無法連續(xù)保存長時間的機組數(shù)據(jù)。

本課題提出了基于事件的歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲的密度。當機組運行正常時，其振動數(shù)據(jù)往往是連續(xù)而穩(wěn)定的，在這種情況下，數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)能夠根據(jù)事件的變化來激活存儲模式的改變，讓系統(tǒng)既減少數(shù)據(jù)存儲量又保障數(shù)據(jù)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?，F(xiàn)象的發(fā)生，同時改變數(shù)據(jù)采用的頻度和模式，實現(xiàn)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(tǒng)將開始存儲機組的異常數(shù)據(jù)記錄?；谑录拇鎯C制能夠有效增強在線監(jiān)測系統(tǒng)捕獲機組微小運行變化的能力。

當機組處于平穩(wěn)運行狀態(tài)時，基于事件的歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲方式與基于事件的歷史數(shù)據(jù)結合起來，能夠實現(xiàn)全面記錄機組的完整運行過程信息。

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

數(shù)據(jù)存儲結構簡圖如圖2所示。

圖2 利用數(shù)據(jù)庫存儲實時數(shù)據(jù)的結構圖

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

三、系統(tǒng)應用及效果

經(jīng)對大型機械設備在線監(jiān)測系統(tǒng)進行重新設計與優(yōu)化，較好的實現(xiàn)了在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測界面設計與實現(xiàn)[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(lián)網(wǎng)的設備遠程監(jiān)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(wǎng)絡的設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[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(tài)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(yōu)云,謝友柏.狀態(tài)監(jiān)測故障診斷與現(xiàn)代設計技術[J].中國機械工程,1997,(05).

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