纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案.docx
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纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案
纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统
技术方案
1、项目总体目标
为纸机生产线（供应商：
ANDRITZ公司）提供一套纸机生产线设备状态监测与故障诊断的整体解决方案。
该系统通过对设备部件（包括数百个滚动轴承轴承、轴、马达和传动链上的其它部件）状态的实时监测，并且通过使用先进的精密分析诊断工具，从而准确掌握纸机运行状态，以避免计划外停机。
2、系统需求
1．实现多通道滚动轴承的在线监测；
2．能够保留滚动轴承振动历史数据；
3．能够提供测点振动趋势图；
4．能够提供生产线各单元测点分布；
5．能够提供各振动测点振动值及报警状态；
6．能够提供测点振动的精密诊断方法。
3、纸机生产线特点
纸机生产线具有典型流程生产特性，其生产线长（200米左右），并且需要监测的振动测点多（上百个），同时具有测量信号类型单一的特点（均为ICP加速度信号），其示意图如图所示。
图1纸机生产线示意图
4、振动传感器类型及分布
滚动轴承振动传感器选择为PCB公司的Sensor:
M603C61，由ANDRITZ公司负责提供；
传感器个数：
206个，其中分布为Winder:
4sets,Reel:
10sets,Calander:
10sets,Dry:
160sets,Press:
14sets,Wire:
8sets。
每个ICP传感器均带有15米电缆（特殊部位采用凯装方式）；
传感器的安装要求：
每个轴承座上至少安装1个，具体安装方向由ANDRITZ公司负责实施。
5、状态在线监测诊断系统设计
以企业设备数据库为核心，采用事件触发方式，在定时存储的基础上，通过ICP加速度信号的实时监测，对异常事件（报警数据）进行有效保存，通过提供的轴承在线监测/诊断模块进行振动数据的分析、处理以及报表等工作。
拟采用如下的设计原则：
♦由于纸机生产线较长，考虑到ICP传感器的恒流源供电能力因素，采用分布式数据采集方式，即在整个生产线上建立两个数据采集单元，其中一个数据采集单元监测96路的振动信号，另外一个设计采集单元监测110路振动信号；
♦考虑到ICP传感器的恒流源供电能力，ICP传感器的信号专用电缆最大不超过85米，及从传感器端到机柜入口，信号传输的距离不大于100米。
在此原则下，由ANDRITZ公司负责设计及实施；
♦采集的振动信号数据按事件触发方式自动存入设备信息数据库，同时在局域网中进行广播；
♦用户终端可以通过在线监测以及远程诊断系统进行轴承状态监测与故障诊断；
♦采用英文windowsXP操作系统。
6、实时监测诊断系统结构图
Fig.2SystemStructure
6.1网络结构
工业级标准TCP/IP网络，网络的布置由ANDRITZ公司负责设计及实施。
6.2监测诊断系统功能层次
整个系统可以划分为4个功能层次：
a、信息传感层（M603C61）
通过PCB公司的ICP振动传感器（4~20mA恒流激励）可靠地进行设备轴承运行状态的信息实时采集，提供给分布式数据采集单元DAQUnit1andDAQUnit2。
b、数据采集层（DAQUnit）
在线数据采集单元DAQUnit将传感器层的振动信息进行隔离、放大、滤波、驱动等信号调理操作，根据系统设置进行采集、处理，并以数据包的形式在网上进行实时自动发布和上传存库DatabaseServer。
c、监测诊断层
提供的在线监测系统软件可接收各个数据采集器发布的实时数据包进行常规监测分析，以直观了解设备轴承的运行状态。
同时还可以系统数据库为中心进行诊断分析，以指导设备的适时维护，保证整个生产线的正常运转。
d、数据管理层
中心数据库管理和维护，具体包括整个系统的控制信息、设备信息、运行信息、维修信息、故障信息、网络配置等。
7、系统功能模块
7.1数据采集单元
数据采集前端的总体组成如图所示，数据采集单元以PXI总线为测控平台，由ICP信号恒流激励及程控滤波放大信号调理箱、PXI机箱、PXI零槽控制器、PXI多通道数据采集卡、数据处理软件等组成，能长期稳定工作并实时可靠地采集和监测振动信号。
图3数据采集单元示意图
具体硬件模块如下：
1）PXI数据采集单元（美国国家仪器有限公司）
PXI机箱：
NIPXI-1031带通用AC的4槽3UPXI机箱
PXI机箱：
NIPXI-1042带通用AC的8槽3UPXI机箱
PXI控制器：
PXI-81062.16GHz双核PXI嵌入式控制器
PXI数据采集卡：
PXI-625416位,1MS/s（多通道）,1.25MS/s（单通道）,32路模拟输入
PXI系统外部供电方式：
AC220V
2）信号调理单元CM4016/L（美国QUATECH公司）
信号输入：
16路BNC输入
信号输出：
37针连接器输出
具有的功能：
16通道程控滤波调理器、8阶可编程抗混淆滤波、带传感器激励恒流源（ICP加速度4mA恒流激励）、低增益1、2、4、8倍；
7.1.1硬件设备的连接
由于采用2个数据采集单元方式，而每个数据采集单元的连接万全相同。
下面以其中一个数据采集单元（96通道）的硬件连接做说明：
UUT→sensor→100mcable→CM4016/L→37pinto68pincable→PXI-6254→ethernet→databaseservercomputer其中，加速度传感器自带15米电缆：
将多路传感器的输出BNC接头连接到一个接线盒中。
用100米的双芯屏蔽线从接线盒中引起信号进入到PXI数据采集单元机柜中的一个接线端子上（该端子为16组螺丝端子输入接口和16组的螺丝端子输出接口）；注：
以上硬件供货及现场安装由ADRITZ公司负责；
在机柜中，用96根1米的单头BNC线缆共96米，一端连接到螺丝端子的输出上，另外一端BNC接头连接到CM4016/L信号调理单元的96路BNC输入上；用一根定制的37针到PXI-6254的68针电缆将CM4016/L和PXI-6254的输入进行连接。
图4、多通道振动信号的硬件连接图
图5、信号调理单元的信号连接现场案例
7.1.2数据采集单元的主要指标
♦零槽控制器：
NIPXI-8196PentiumM2.0GHzControllerwithWindowsXP
♦模拟输入通道：
32通道/卡*7=224通道
♦程控量程：
±10V~±0.1V
♦抗混滤波：
8阶可编程抗混叠滤波
♦信号调理：
带传感器横流激励源，程控放大，16通道每个调理箱，BNC信号输入端子；
♦A/D分辨率16位
♦扫描频率：
最高1.25MHz/单通道
♦模块精度：
直流误差：
＜0.03％；交流误差：
＜0.1％
♦通讯端口：
LAN（10/100MB）
♦工作环境：
-20℃～+70℃
7.1.3硬件各单元功能及性能指标+
7.1.3.1PXI-1031和PXI-1042机箱
（1）PXI-1031
（2）PXI-1042
图6、PXI带通用AC的3UPXI机箱
7.1.3.2.PXI-8106控制器
图7、PXI-8106
（2.16GHzDual-CoreEmbeddedControllersforPXIandPXIExpress）
♦2.16GHzIntelCore2DuoT7400双核处理器
♦标准配置为512MB（1x512MBDIMM）双通道667MHzDDR2RAM,最大为2GB
♦10/100/1000BaseTX（千兆）以太网,ExpressCard/34插槽,4个高速USB端口
♦集成的硬盘,GPIB,串口及其他外围I/O
♦已安装WindowsOS和驱动;基于硬盘的修复
7.1.3.3PXI-6254数据采集卡
图8、PXI-625432CHsMseriescard
•32analoginputsat16bits,1.25MS/s（1MS/sscanning1）
•7programmableinputranges（±100mVto±10V）perchannel
•Two32-bit,80MHzcounter/timers
•Analoganddigitaltriggering
•NI-MCalcalibrationtechnologyforimprovedmeasurementaccuracy
•6DMAchannelsforhigh-speeddatathroughput
7.1.3.4CM4016/L信号调理单元
图9、CM4016多功能信号调理模块
CM4016是一个用来为数据采集系统实现信号调理的多功能模块，其主要功能如下：
∙输入通道：
16通道单端或差分输入，BNC端子接入，可扩展至256通道
∙8阶高性能可编程抗混滤波器，1.2倍截止频率的衰减率高达-58dB
∙抗混滤波器的高端截止频率范围：
1.526Hz～10kHz，有32763种选择，具体频率由下式表示：
f＝50000／（N＋4）式中N为1～32763的整数
∙最大输入量程：
±10V，输入保护电压±40V（无危险）
∙程控增益：
1，2，4，8
∙耦合形式：
AC或DC耦合，用跨接器选择，AC耦合时，高通的低端截止频率为0.16Hz，差分输入时只有DC耦合
∙每通道可选择4mA恒流源，直接接入ICP型加速度传感器
7.1.4采集软件功能
7.1.4.1206路振动加速度信号采集
PCB加速度传感器直接将振动信号转变成电信号，通过电缆连接到CM4016/L的BNC接头输入，该较弱的电压信号在信号调理单元经过信号的放大和抗混淆滤波后，信号已经适合NI-PXI-6254采集卡的输入量程范围。
采集卡启动连续采集将信号不断的采集转变成数字信号方式进入到计算机中。
两个PXI硬件采集单元可以分别独立的通过PXI-6254采集卡完成多路振动加速度信号的采集。
信号调理单元的放大倍数和滤波截至频率可以在系统运行前测试后，调整好固化，如果需要改动，再通过程序控制改变；
数据采集主要通过NIDAQmx驱动采集卡来完成数据采集；并通过多线程方式保证数据采集的完整性。
7.1.4.2转速计算
测点的转速可以通过对该通道振动数据进行积分，即通过速度/位移谱图识别工频分量，进而获得工作转速。
注：
由于多方面因素的限制，利用振动加速度信号进行转速识别具有一定的不可靠性，需要进一步验证其有效性。
7.1.4.3计算各个通道的状态（报警）
将数据采集后，在各个PXI上，进行峰值、均方根等参数的计算，并进行报警阈值的判断，如果没有超限，则不报警，否则报警。
7.1.4.4按事件类型入库
如果在数据采集和监测过程中，按照采集数据的事件进行入库，即将数据到网络数据库服务器的写入。
7.1.4.6广播数据
通过共享变量或者datasocket技术完成数据的共享。
7.1.4.7事故追忆
主监控处通过网络数据库可以提取历史数据，进行事故追忆。
7.2在线监测诊断分析系统
系统分析软件采用英文界面，可动态实现监测轴承的动态数据和状态（报警）信息，以及对测点振动数据进行精密分析。
✧提供纸机生产单元的各轴承运行状态报警信息；
✧查看轴承类型，自动计算故障特征频率；
✧查看测点振动值（bar棒图）
✧查看测点振动变化值；
✧查看测点振动趋势；
✧提供测点振动波形和频谱的实时显示；
✧提供单测点加速度分析方法（相关分析、解调分析）
✧自动计算滚动轴承故障特征频率
✧测点报警信息查询
✧自动生成报表文档
✧在线帮助
7.4、企业设备数据库
系统数据库采用MicrosoftSQLServer建立。
遵循MIMOSA数据标准来组织、传输和存储设备状态信息，保证最大程度地实现机械信息的共享。
本系统选取MIMOSA的CRIS2.1中的23张主要数据表，并进行了相应的扩展和补充，实现了机械监测信息的组织、交换和存储。
整个数据库信息可分为五种：
数据采集系统配置信息、设备信息，测点配置信息、测点特征量和报警设置信息和测点数据信息。
8、系统报价
8.1Allelementspricelist（exceptsensors）
DetailinTable1
8.2Engineeringhours
TheHMIOfMachineryOnlineMonitoringSystemisdifferentfromthatofDCSsystem,soweprovidecustom-madeOnlineMonitoringSystem.Table1showssystemspec.
8.3Allserversworkinglistandprice.
Content:
a）软件开发
由ANDRITZ公司提供纸机生产线各部以及各轴系的图片
b）Installationsupervisor.
hardwareinstallationCovers（Basicengineeringofon-linemonitoringsystemisnotincluded.Sotheinstallationofsensorsandtheconstructionofsignalcablefromsensorstotheterminalboxofsensor,networklayoutshouldbeprovidedbytheenduser）:
–leadsthecableintocabinetsfromtheterminalboxofsensor
–installationofsignalconditioning/signalacquisition/monitoringdeviceshardware
SoftwareinstallationCovers:
–installationofoperationsystem
–installationofdatabasemanagersystem
–installationofdevices’softwaredriver
installationsystemsoftwareshowedintable1
c） Startup.Communication.
–Configuresoftwareandhardware
–Initialuserprofiling
–Initialsystemdatabase
–4weekonsitedebugging
d）Optimizationetc.
Twoweekofupdateserviceisprovided.
Price：
500RMB/Mandayx28day（4week）x2Man=28,000RMB
8.4Traininginfactoryandonsite.
Content：
1）Onsitetraining:
Classtraining3days
2）Factorytraining:
2weeks/2person
Price：
500RMB/Mandayx3dayx2Man=3,000RMB
Optional：
IfenduserwantaccepttraininginXi’an,,wecanprovidethisservice.
Price：
400RMB/Mandayx14day（2week）x2Man=11,200RMB
8.5Warrantytimeandwarrantyitem.
Warrantyforhardware:
Providedbyhardwaresupplier,andwarrantytimeispreformedbyhardwareproduceswarrantyrule,andwarrantytimeis24monthor运行后18个月.
Warrantyforsoftware:
ProvidedbyXi’anJiaotongUniversity,andwarrantytimeis24monthor运行后18个月.
8.6.TotalPrice
1,090,129.32RMB（hardwareandsoftwarefee）+21,000RMB（serverfee）+14,000RMB（trainingfee）=1,125,129.32RMB（totalprice）
Table1.Hardwareandsoftwareelementspricelist
index
Item
Supplier
Moduletype
Description
Unitprice
RMB
Quantity
Total（RMB）
Hardware
1
SignalConditioningUnit
USA\QUATECH
CM4016C/L（16Channel/one）
16channelprogrammingfiltercondition
8rankprogrammingfilter
supportICPsensor
（DetailinTable2）
13
319,800
2
68pinto37pincable
USA\QUATECH
Connect4016/LtoPXI-6254
3
Extendedwarrantyforoneyear
Extendedwarrantyforoneyearfromtheexpirationofthestandardhardwarewarranty
4
PXIDAQcard
NI,USA
PXI-6254
NIPXI-6254（32AI,48DIO）
（DetailinTable3）
7
237,973.32
1x2=2
5
PXI-Controller
NI,USA
PXI-8106
NIPXI-8106Core2Duo2.16GHz
ControllerwithWindowsXP
1x2=2
6
512MBDDR2RAM
NI,USA
512MBDDR2RAMForNI8106andNI8105Controller
1x2=2
7
4-SlotChassisforPXI1031Controllerbox
NI,USA
PXI-1031,USA
NIPXI-10314-Slot3UChassiswithUniversalACPowerSupply
1
8
8-SlotChassisforPXI1042Controllerbox
NI,USA
PXI-1042,USA
NIPXI-10428-Slot3UChassiswithUniversalACPowerSupply
1
9
PowerCord,240V,10A,U.K.
NI,USA
1x2=2
10
Extendwarrany
NI,USA
PXI-1031
Extendedwarrantyforoneyearfromtheexpirationofthestandardhardwarewarranty
1x1=1
11
Extendwarrany
NI,USA
PXI-1042
Extendedwarrantyforoneyearfromtheexpirationofthestandardhardwarewarranty
1x1=1
12
DatabaseServer
HP，China
HPProLiantBL480c
CPUtype:
Xeon
CPUFrequency:
3200MHz
CPUNumber:
2
48,000
1
48,000
13
OperationStation
HP，China
HPProLiantML150G3
CPUType:
Xeon
CPUFrequency:
1600MHz
CPUNum:
1
11,100
2
22,200
14
Cabinet
（由ANDRITZ公司提供）
2
15
PXIMonitor
HP，China
HPw1907
19英寸
1740
1x2=2
3,480
16
UPSPower
Shenzhen
C1KRUpsPowerSanTakC1kR，
Outputvoltage:
213-226V
powerblocks（KVA）:
1
1,600
3
4,800
17
交换机
CISIO
WS-C2960-24TT-L
RAM64MB,FlashMemory32MB;PortsQty24xEthernet10Base-T,Ethernet100Base-TX
DataTransferRate100Mbps
1,800
1
1,800
18
BNCconnector
用于4016调理卡的接入信号线头制作
3
192
576
19
Shieldcable
用于连接4016调理卡和机柜中传感器信号接入端子，每条连接线1米，206路×1米＝206米
5
220m
1100
20
Power电源插座
用于QUATECH4016调理卡
25
4
100
21
鼠标键盘
PXI采集单元使用
150
2
300
Software
22
DataAcquisitionsoftware
Xi’anJiaotongUniversity
Signalconditionwithmagnify,filter,anddataacquisition
450,000
1
450,000
23
Monitoranddiagnosticsoftware
Xi’anJiaotongUniversity
Highlyvisual-easytouseforroutinemonitoring
Machinestatedependentalarmingsystem
Specialtoolsa
升级会员 