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14检测与诊断系统4.1检测与诊断系统的作用及工作步骤设备故障诊断从技术上讲，一般可分为两大部分。第一是信号的获取，即根据情况选用适当的传感器，将能反映机械状况的信号，即某个物理量测量出来；第二是信号分析与数据解释，即根据被诊断故障的性质以及所采集的信号特点，采用相应的信号处理技术。将信号中反映机械设备状况的特征突出出来，并将其与以往值作比较，找出其中的差别，以此确定设备是否出现了故障，是什么类型的故障以及故障的位置等。在大多数情况下，人们必需经常不断地重复进行这种过程，否则就不易发现正在发展中的故障。21监测与诊断系统的目标（1）了解被监测系统的运行状态，保证其运行状态在设计约束之内。通过监测与诊断系统对机械设备进行连续的监测，可在任何时刻都能很好地了解设备的运行状态。同时对机器运行的异常，提醒人们及时采取补救措施。例如监测系统温度可以防止过热损伤。监测位移可以报警运动件与静止件之间的相互接触及干涉，监测振动加速度可以保证力不超过极限。（2）提供机器状态的准确描述。为决定设备的维修和大修内容、周期提供依据，从而避免为了肉眼检查而拆卸设备，既保养了机器在满意状态下的完整性，又提高了设备的使用效率。3（3）预报机器故障，防止大型事故的产生，保证人们生命财产的安全。当设备发生故障时，监测与诊断系统可根据预先编制好的程序发出警报，并对不同类型故障及性质和故障的严重程度作出相应的判别与诊断，提醒操作人员采取相应的措施，或是对设备实行某种控制。避免或减轻由此引起的损失。2监测与诊断系统的工作过程与步骤对被监测系统运转状态的判别，是对于一个未知系统的识别过程。已知某些系统持性的参数，通过试验方法，确定参数值，确定系统模型。也就是通过参数识别确定系统状态。4（1）选定敏感参数选定对系统影响最大和最敏感的参数作为系统识别的敏感因子，建立系统的数学模型。这里可作为基本参数的有：长度、质量、时间、电流、温度及光强度等。由这些参数推导出来的主要参数有：力、压力、功、能量、功率、电阻、电容、电感及导热等。上述参数包括时域、幅值域或频率域中的某些参数，以及时序法中的某些参量，这些参量可进行比较优选确定，并建立选定参数表征的故障档案库。5（2）信号采集信号采集就是对监测系统敏感点的敏感参数的采集。在正常情况下记录输入与输出，即激励与响应信号。而在某些特定(正常运转)条件下，确定系统的状态可以只测响应值。（3）状态参数识别通过敏感因子的识别，或经过必要的推导计算，将待检测模式与样板模式(故障档案)对比，识别出系统运转状态。（4）诊断决策及其输出检测与诊断系统对设备当前状态根据判别结果采取相应对策。若出现异常及时报警并对设备进行干预，或者预估系统的变化趋势，并将设备状态发展趋势的具体描述，如趋势数据表、曲线、图谱或者寿命估计，维修建议等。最后进行输出。674.2监测与诊断系统的组成（简易系统）1便携式振动分析仪振动监测是比较有效的方法。所以国内外许多厂家研制了各种型号的便携式振动分析仪器。特点如下：（1）使用专用的速度或加速度传感器，连接方便、工作可靠。但频率及动态范围有限。（2）一般仪器上均有指针或液晶显示，能直观读出振动有效值、均方根值、峰值或振动烈度值等。有的仪器还可读出斜度或峭度值等。8（3）有的仪器可分几个频率档分别读值，高档仪器可同时进行若干个频率挡(如倍频程)分析。由于具有频率分析功能，故称为振动分析仪。便携式振动分析仪价格低廉，使用方便，故在小小企业中得到广泛应用。但便携式振动分析仪一般不能回答故障的原因及部位等问题。92声级计机械运转时会产生振动，同时也产生噪声。测量噪声的专用仪器就是声级计。一般声级计均使用电容式传声器(话筒)。有的声级计还配有倍频程或1／3倍频程滤波器，可作简单的频率分析。早期的检修工人就是利用敲击，通过听声音来发现机器的故障。缺点如下：（1）存在背景噪声的干扰。（2）尽管可进行倍频程分析，但由于产生噪声的零部件多，传输途径复杂，很准确定产生故障的部位。一般来说，声级计监测还不能达到有经验的检修工人耳朵的水平。103温度计早期的险修工人也利用手指来判断轴承座处温度是否过高。现在则有各种点温度计能更准确地测出实际温度。常用的有半导体点温度计，将测头与轴承座处或其他感兴趣的部位接触，仪器指针可指示温度高低。更方便的是红外点温度计，外形像手枪，操作者只要对准需要测量的部位．不需接触，因此被测物体可以作直线运动、住复运动或转动。这种方式的缺点是过分依赖操作者的巡检，万一巡检周期不适当或操作者的责任心不强，还是容易出事故的。因此最好采取温度监测系统方式，测温传感器固定在关键的部位，信号都传输到中心控制室去，方便报警及采取措施。114.3监测与诊断系统的组成（精密系统）精密监测诊断系统是以状态辨识为中心的信号智能处理系统。系统分为三大部分，即数据采集系统、状态识别系统和诊断输出系统。1数据采集系统数据采集系统又称数据采集器。它能定时周期地在被监测系统的那些选定的点测量振动、温度、噪声等信号。（1）数据采集系统的构成数据采集系统包括传感器、放大器、滤波器、示波器、记录器、A／D接口板及微型计算机。A）传感器1213B）放大器和预处理器放大器和预处理器用来调整由传感器输出的电信号的大小和输出阻抗等。C）A／D接口板A／D接口板主要功能是将信号从连续量变为一个个的离散数字量。A／D接口板可以同时完成对多路信号的转换(采样)。D）开关量板用于离散信号。E）微型计算机计算机是监测与诊断系统的心脏，负责完成信号的接收、储存、转换和控制等工作。还可以将信号及分析处理结果显示和打印出来。14F）磁带记录仪用磁带记录仪定期到现场记录信号，然后带回来重放并进行分析。便于离线分析。G）示波器H）滤波器由传感器输出的振动信号中包含的频率成分比较复杂，频率范围也较宽，但有些频率成分是我们不感兴趣的，如高频噪声干扰信号。因此要用滤波器对传感器输出的信号“过滤”，除掉一些我们不感兴趣的频率成分，然后送入计算机处理。15（2）数据采集系统的工作步骤A）组态组态即选定被监测对象，选定测点，确定巡检的路线和周期，确定测量参数，并把这些信息输入计算机。B）巡检准备巡检之前把数据采集系统与计算机联接起来，使用相应的软件使采集系统处于准备状态，使内存清零，把采集系统的时钟与计算机时钟对准，标定准确的采祥时间。把巡检路线和测点参数等组态信息输入采集系统。16C）数据采集根据采集系统显示的测点顺序，逐点监测。对每个点均可以把本次显示的与上次测得值及预定的报警值作比较。如果变化不大，作一般处理，如果有明显变化及其他异常时，需记录一段信号和时间历程以备谱分析之用。172状态识别系统状态识别系统主要是由计算机和谱分析仪组成的数字信号处理系统。其主要作用是把采集的信号输入计算机和谱分忻仪，通过信号分析，对多种运行特征量进行监视。提供特征量包括频谱分析的幅值、频率和时序模型参数、特征函数及统计特征量等；并通过特征分析，选择对工况状态反映最敏感的特征量。特征量是从不同方面反映了动态过程的主要信息，用以分析和推断故障原因并预报工况发展趋势。183诊断输出系统诊断输出系统的作用是把状态识别的结论予以输出。它包括两部分：一是出现故障后对设备干预信号的输出，由D／A输出接口板、开关量板及其他执行电器组成。其作用是将计算机输出的干预数字信号变成模拟信号或直接输出，使执行电器机构动作，对被监测设备进行干预。二是将机器状态分析结果由计算机输出时间历程曲线及频谱图等。根据这些图表可全面掌握被测系统当前运行状态，早期发现机械的某些故障，对故障性质、所发生的部位和故障程度作出诊断，有用的结果可以存入数据库。并可对一段时间内存入数据库中的数据可以随时查阅和调用，绘出趋势图，由此可以了解系统状态的历史情况，了解某些故障的发生和发展情况，估计和推算寿命。194.4多微机在线监测与诊断系统1多微机在线监测与诊断系统的结构特点多微机在线监测与诊断包含有多个微处理机，这类系统一般由一台主计算机和多台从计算机或基于微处理器的专用仪器(智能仪表)构成。主计算机一般选用通用微机，从计算机则选用专用微机或智能仪表。主从计算机之间可以通过并行或串行通讯方式进行信息交流。常用并行接口为IEEE-488，常用串行接口为RS-232C及各种网络接口等。主计算机用于完成系统管理、故障精密诊断、操作信息输入及监测与诊断结果输出等工作。从计算机或专用仪器般用于完成数据采集、数据预处理、异常状态报警及协助主计算机进行信号分析等工作。202多微机在线监测与诊断系统的性能特点多微机在线监测与诊断系统在技术性能方面得到显著改善。其主要性能特点可以概括为：（1）信息采集全息化信息采集全息化为全面正确地了解机组运行状态提供了条件。它包括三个方面的内容：一是所采集信息的种类比较全面。不仅对振动量信息进行采集，而且对另外两类重要的信息即工艺量和开关量信息进行采集。二是对任一参量的信息都采集足够的通道数，以保证全面了解该参量所反映的机组运行状况。三是不仅对机组稳态信息进行采集，而且对其非稳态信息，如起停过程、通过临界转速点的过程及故障发生前后的信息进行采集。21（2）状态监测连续化多微机在线监测与诊断系统能够不间断的对每一信息通道进行监测，对于准确预报机组突发性事故有着重要意义。（3）数据处理实时化采用新的数据处理技术，加快了数据处理的速度，提高了状态监测与诊断的实时性水平，为及时了解机组运行状态提供了保证，而且为进一步实现闭环控制奠定了基础。（4）故障诊断精密化进行机组故障的精密诊断，大多需要占用计算机较长的时间。单台计算机既要进行状态监测，又要进行故障分析。因而会出现顾此失彼的现象，而在多微机监测诊断系统中，从计算机承担繁重的状态监测工作，进行故障精密诊断方面的工作。224.5设备监测与诊断举例对于生产系统的关键设备和部位有必要设置机械连续运转中的在线监测系统。相应监测机械的机械参数有转子弯曲振动、轴心运动轨迹、流体参数（如流体压力与流速等）。监测仪器的选择可根据被监测设备的价值和作用确定。而监测与诊断系统的安装、设计、构成则要根据现场的实际情况和具体要求的不同来决定。有些基本的技术问题，例如：传感器的选择、安装、放大器及滤波器频率特性的选择等具有共同的特点。232425例1：离心泵监测系统26对于离心泵的壳体振动监测系统，在系统每个轴承座上尽可能靠近轴承本身处装单个惯性加速度传感器。加速度计应允选择那种在相应的频带上具比较平坦的响应(土5％)，并应含有积分信号的适调电路。输出信号用低噪声屏蔽电缆传输。安装点的温度不能超过传感器的工作极限。在一台宽频带监测系统中，叶轮叶片高频振动的振幅有时候很大，故应能够将其运转频率及其低阶谐波分离出来，使系统对如不平衡和不同轴之类普通特征具有最佳响应。否则它们会被强的叶片振动信号所淹没。27在监测系统中，将来自传感器的信号进行滤波，将与特定机器待征有关的频率分离出来。对于运转速度及其附近频率．应浓用速度量测得，以体现力与频率之间的关系。滤波器采用可以消除叶轮叶片通过频率干扰的低通滤波器。对于有滚动轴承的泵，建议将领率范围扩展到100kHz或更高，以监测轴承状态。在高压差离心泵中，如果内部轴向间隙消失，推力便会迅速增加，因此在监测时，另选一个轴向位置监测器或一个止推轴承温度指示器和报警器。28例2：风机在线监测系统29《易》曰：天道亏盈而益谦，地道变盈而流谦。风机一般有大直径的转子，以700一900r／m的转速支承在结构钢或混凝土地基架座上的轴承中运转。一般，这类风机的主要故障是由于不均匀的结垢或沉结材料跌落引起的不平衡和不同轴。其全部特征是在运转频率附近的振动变化。在这种系统中，为显示轴运动，在各个轴承上装了测振传感器。用一台双通道电荷故大器对两个传惑器输出信号予以放大。经滤波器滤波后将信号送入微机系统。两个轴承的温度监测由铜电阻为敏感元件构成的传感器来完成。并通过放大器将信号送入微机。微机通过振动信号和温度信号的变化而识别风机的运转状态。30《易》曰：形而上者谓之道，形而下者谓之器。该监测系统的功能为