用于旋转设备运行状态监控的一体机装置及方法与流程

本发明是关于旋转设备监控技术，具体涉及一种用于旋转设备运行状态监控的一体机装置及方法。

背景技术：

通用旋转设备，如水泵、风机、空压机等，因操作不当、运维不善、质量缺陷等原因引起的安全事故较多，这不仅影响了设备安全平稳运行，而且给企业造成重大的损失，因此设备状态监控和故障诊断非常重要。

其中振动分析是一个重要手段，其本质是利用振动传感器采集运行设备的振动信号，当设备出现异常情况时，一般会出现振动的加大和变化，比如地脚螺栓松动、轴承不对中等，对振动信号进行采集、处理和分析，特别是频谱分析方法可以完整的反映振动的特征和性质，可以对故障隐患的原因、部位以及劣化程度进行诊断。

目前通常采用的测振仪，其实现原理是：由测振仪采集振动数据，事后再通过振动信号导出频谱来判断故障的具体类型。这种事后分析的方法不能发现早期隐患，不能及时干预排除隐患。少数能实时提供频谱分析的测振仪没有报警和控制功能，在对设备保护的时效性和实用性上有所欠缺，不利于工业上广泛应用。再加上通用旋转设备的运行状态和诊断方法离不开电流、压力、温度参数的监测。目前，尚无能够同时监测这些参数的简单实用的一体机装置。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于旋转设备运行状态监控的一体机装置及方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

提供一种用于旋转设备运行状态监控的一体机装置，包括用于封装内部元器件的中空外壳，外壳表面设有用于嵌装显示模块的开口；在外壳内设有数据处理模块、信号输入输出模块、数据存储模块、显示模块、通讯模块和电源模块；数据处理模块通过信号线分别连接至各模块，电源模块用于为各元器件供电；

所述数据处理模块中内置信号处理模块、分析诊断模块和运行控制模块，用于对外部采集信号和数据进行分析，并根据预设条件发出控制信号；

所述信号输入输出模块通过信号线连接多个信号输入输出接口，用于将外部采集的信号和数据传送给数据处理模块，并将后者发出的控制信号输出至旋转设备的运行控制部件；

所述数据存储模块中内置旋转设备故障知识库，用于记录、存储数据处理模块生成的数据；

所述显示模块用于实时显示数据处理模块生成的处理结果和告警信息，实现人机对话；

所述通讯模块用于与远程数据库服务器、云端管控平台或移动终端之间的数据传递，实现数据备份与远程监控。

本发明中，所述数据处理模块是处理器cpu；所述数据存储模块是存储sd卡；所述显示模块是液晶显示屏或led显示屏，与之配套在外壳表面设有若干个按键；或者，所述显示模块是显示触摸屏。

本发明中，所述信号输入输出接口包括：

(1)rs485串口，用于使用modbus通讯协议采集振动传感器信号和三相多功能电表数据

(2)模拟量输入通道ai，用于采集压力传感器和温度传感器信号；

(3)开关量输入通道di，用于接收设备启停状态和本地自动状态信号

(4)开关量输出通道do，用于输出控制设备启停的信号；

(5)模拟量输出通道ao，用于输出调整设备运行状态的信号。

本发明中，所述信号输入输出接口通过信号线连接至下述设备：

(1)以rs485串口分别连接三相多功能电表和设于旋转设备上的振动传感器；

(2)以模拟量输入通道ai分别连接设于旋转设备出入口工艺管路中的压力传感器和温度传感器；

(3)分别以开关量输入通道di、开关量输出通道do和模拟量输出通道ao连接旋转设备的驱动电机。

本发明中，所述通讯模块，是以太网通讯模块或无线4g通讯模块。

本发明中，所述数据处理模块采用型号为armcortex-a7的处理器，运行linux操作系统。

本发明进一步提供了利用所述一体机装置实现旋转设备运行状态监控的方法，包括以下步骤：

(1)在旋转设备上安装多个振动传感器，获取旋转设备的振动加速度信号，包括三个方向轴的振动有效值和频谱原始数据；采集为旋转设备供电的三相多功能电表的参数，包括电流、电压、功率、功率因数和电能数据；采集旋转设备出入口工艺管路中的压力和温度信号；采集到的信号或数据由信号输入输出模块传送给数据处理模块；

(2)信号处理模块对振动信号进行快速傅里叶变换运算，在得到频谱数据后通过进一步的计算获得频率、幅值、占比、总振动量、速度、位移数据，并存储于数据存储模块；同时，对取自三相多功能电表的数据和工艺管路的压力和温度进行数据整理后，存储于数据存储模块；并且在进行数据存储的同时，将这些数据以实时数值和趋势图的形式显示在显示模块中；

(3)分析诊断模块提取已存储数据，与旋转设备故障知识库中的数据进行分析与对比后，获得健康分析和安全诊断结果；利用显示模块实时显示结果，并根据预设故障条件发出实时预警或报警；

(4)基于健康分析和安全诊断结果，运行控制模块根据预置控制规则输出控制信号至旋转设备的驱动电机，以控制设备启停；同时，根据预设的工艺控制要求，利用电流压力温度数据进行逻辑运算和pid运算，根据运算结果输出控制信号至旋转设备的驱动电机以调整设备运行状态，从而实现对设备运行状态的监控。

本发明中，该方法还包括：

利用通讯模块将存储数据、健康分析和安全诊断结果传送至远程数据库服务器、云端管控平台或移动终端，实现数据备份和远程监控；和，

利用通讯模块以有线或无线传输的方式将云端管控平台或移动终端发出的操控指令传送给数据处理模块，由运行控制模块发出控制信号，以控制设备启停或调整设备运行状态，实现对设备运行状态的监控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的一体机装置能够将各功能模块集中安置在一个外壳内，体积小、重量轻、低功耗、成本低、安装方便，人机界面操作友好。

2、本装置具有人机对话窗口，可以在本地实时查看监测结果和输入控制选择；也能够通过远程的云端管控平台或移动终端实现上述操作。因而能够大大降低使用成本，提高工作效率，实用性非常好。

3、本发明的一体机装置将运行状态监测、振动频谱分析、控制功能集合在一起，可广泛应用于通用旋转设备，有非常大的适用性。

4、本装置具有本地数据存储功能，可以无需联网就能实现历史数据对比。也可以通过以太网和无线功能将数据传输至服务器和云平台，实现远程监测，有效实现旋转设备运行状态的监控和诊断；通过及时发现和处理设备运行故障问题，提高设备寿命和工业生产效率。

5、本发明的装置能够实时监控旋转设备出入口工艺管路中的压力和温度数据，用于工艺控制方面的告警和对设备的输出调整控制。设备直接进出口的压力和温度，理论上可以判断设备自身的运行状态，比如压力接近0代表设备停机，压力减小了代表设备实际转速降低等。本发明中，可以通过显示模块向操作人员或云端管控平台提供这两个工艺控制参数，同时这两个参数也可以作为旋转设备输出调整控制时的参考数据。

附图说明

图1为本发明的拓扑图。

图2为本发明的信号处理流程图。

图3为本发明的外壳底部接口布置图。

图4为本发明的外壳侧面接口布置图。

图中附图标记：1振动传感器；2三相多功能电表；3压力传感器；4温度传感器；5开关量输入通道di；6开关量输出通道do；7模拟量输出通道ao；8显示触摸屏；9信号输入输出模块；10处理器cpu；11通讯模块；12电源模块；214g天线接口；22lan接口；23wan接口；24usb接口；25com接口；26电源指示灯；27运行指示灯；284g通讯指示灯；29di接口；30do接口；31rs485接口；32can接口；33ai接口；34ai接口；35ao接口；36sim卡槽；37type-b接口；3824v电源接口。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及计算机技术，是计算机技术在工业控制领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：内嵌在数据存储模块中的旋转设备故障知识库、内嵌在数据处理模块中的信号处理模块、分析诊断模块和运行控制模块，以及云端管控平台等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本发明所述用于旋转设备运行状态监控的方法是基于旋转设备安康监测系统而实现的。该系统的主要部件为用于旋转设备运行状态监控的一体机装置，能够实现运行状态监测、振动频谱分析、控制功能。其监控数据来自振动传感器、三相多功能电表、工艺管路中的压力传感器和温度传感器、旋转设备的驱动电机。其中，振动传感器用于实现旋转设备(x、y、z)三轴向加速度信号的实时监测，可选用美国teconnectivity生产的meas7131a-0050三轴振动加速度芯片。

数据处理模块是具备运算能力的处理器芯片，可选常见的单片机、cpu等(例如型号为armcortex-a7的处理器，运行linux操作系统)。数据处理模块中内嵌计算软件模块，用于将振动传感器采集的振动加速度数据转换为振动速度有效值，以及通过傅里叶变换输出为三轴向振动波形图和频谱图，该数据转换和变换过程均属于现有技术。其中，转换为振动速度有效值的方法，可参考2013年6月公开的《航空发动机整机振动总量速度有效值数值计算方法》专利文献；变换输出为三轴向振动波形图和频谱图的方法，可参考2013年2月公开的《行星齿轮箱齿轮局部故障振动》论文文献。本领域技术人员可根据其掌握的技能并结合实际需要完成相应计算。

信号输入输出模块设有各类接口用于将外部采集的信号和数据传送给数据处理模块，并将后者发出的控制信号输出至旋转设备的运行控制部件，可选用德国西门子公司sm1200系列型号的产品。通讯模块可选以太网通讯模块或无线4g通讯模块，可以根据旋转设备现场布置和数据库服务器选型等情况进行选择，凡可用于数据传送的无线通讯模块均可用于本发明。

数据库服务器安装在设备机房控制中心，用于接收由一体机装置传送的数据并进行存储，可随时调出历史数据供查看，也为云端管控平台或移动终端进行远程监控提供数据基础。

分析诊断模块对实时采集的数据进行计算后，分析获得旋转设备的整体振动速度有效值和运行温度数据。再与旋转设备故障知识库中存储的不同监控对象的历史数据和设定阈值等数值进行对比，对选择设备进行健康分析和安全诊断后，输出结果至显示模块的同时，根据预设故障条件发出实时预警或报警。基于云端管控平台以及有线、无线(如4g、5g等)方式通讯，平台的用户可通过手机、平板、电脑等操作终端实现智能化监测与管控，或者基于云端管控平台的进行通信。

旋转设备故障知识库是一个知识库，可以根据旋转设备具体监控对象的情况进行选择性配置，在不增加运行负担的情况下纳入多个组件。例如：(1)将对应品类、型号的旋转设备的产品部件在不同使用状态下的振动数据(如频率、幅值、占比、总振动量、速度、位移数据等)进行汇总、归类，构建成为特定部件振动数据组件；(2)以规定的运行电流、电压、功率、功率因数和电能等级范围构建供电数据组件；(3)以规定的运行工艺参数中的压力和温度等级范围构建运行数据组件；(4)以历史数据覆盖的故障记录，以及整合相关故障实例组成知识库组件；该组件能够涵盖大部分旋转设备可能出现的故障及其检测方法，分为机械类故障、电气类故障、安装不规范、保养不到位、产品元件故障、使用不当故障等几大类。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示为本发明的拓扑图。用于旋转设备运行状态监控的一体机装置，包括用于封装内部元器件的中空的外壳，外壳表面设有用于嵌装显示模块(显示触摸屏8)的开口；在外壳内设有数据处理模块(处理器cpu10)、信号输入输出模块9、数据存储模块(存储sd卡)、显示模块、通讯模块11和电源模块12；数据处理模块通过信号线分别连接至各模块，电源模块12用于为各元器件供电；

其中，数据处理模块中内置信号处理模块、分析诊断模块和运行控制模块(均为软件功能模块)，用于对外部采集信号和数据进行分析，并根据预设条件发出控制信号；信号输入输出模块通过信号线连接多个信号输入输出接口，用于将外部采集的信号和数据传送给数据处理模块，并将后者发出的控制信号输出至旋转设备的运行控制部件；数据存储模块中内置旋转设备故障知识库，用于记录、存储数据处理模块生成的数据；显示模块用于实时显示数据处理模块生成的处理结果和告警信息，实现人机对话；通讯模块用于与远程数据库服务器、云端管控平台或移动终端之间的数据传递，实现数据备份与远程监控。显示模块选用显示触摸屏，或者可选液晶显示屏或led显示屏，与之配套在外壳表面设有若干个按键。

在信号输入输出模块9上，至少具有以下信号输入输出接口：(1)rs485串口，用于使用modbus通讯协议采集振动传感器信号和三相多功能电表数据；(2)模拟量输入通道ai，用于采集压力传感器和温度传感器信号；(3)开关量输入通道di5，用于接收设备启停状态和本地自动状态信号；(4)开关量输出通道do6，用于输出控制设备启停的信号；(5)模拟量输出通道ao7，用于输出调整设备运行状态的信号。

信号输入输出接口9通过信号线连接至下述设备：(1)以rs485串口分别连接三相多功能电表2和设于旋转设备上的振动传感器1；(2)以模拟量输入通道ai分别连接设于旋转设备出入口工艺管路中的压力传感器3和温度传感器4；(3)分别以开关量输入通道di5、开关量输出通道do6和模拟量输出通道ao7连接旋转设备的驱动电机。

基于上述一体机装置实现旋转设备运行状态监控的方法，包括以下步骤：

(1)在旋转设备上安装多个振动传感器1，获取旋转设备的振动加速度信号，包括三个方向轴的振动有效值和频谱原始数据；采集为旋转设备供电的三相多功能电表2的参数，包括电流、电压、功率、功率因数和电能数据；采集旋转设备出入口工艺管路中的压力和温度信号；

(2)信号处理模块对振动信号进行快速傅里叶变换运算，在得到频谱数据后通过进一步的计算获得频率、幅值、占比、总振动量、速度、位移数据，并存储于数据存储模块；同时，对取自三相多功能电表2的数据和工艺管路的压力和温度进行数据整理后，存储于数据存储模块；并且在进行数据存储的同时，将这些数据以实时数值和趋势图的形式显示在显示模块中；

快速傅里叶变换fft是利用计算机计算离散傅里叶变换dft的高效、快速计算方法的一种算法，其基本思想是把原始的n点序列，其中n为采样率，依次分解成一系列的短序列。充分利用dft计算式中指数因子所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的dft并进行适当组合，达到删除重复计算、减少乘法运算和简化结构的目的。n为1024时，运算量仅有10240次，是dft直接算法1048576次的1％，点数越多，运算量的节约就越大，这就是fft的优越性。

(3)分析诊断模块提取已存储数据，与旋转设备故障知识库中的数据进行分析与对比后，获得健康分析和安全诊断结果；利用显示模块实时显示结果，并根据预设故障条件发出实时预警或报警；

(4)基于健康分析和安全诊断结果，运行控制模块根据预置控制规则输出控制信号至旋转设备的驱动电机，以控制设备启停；同时，根据预设的工艺控制要求，利用电流压力温度数据进行逻辑运算和pid运算，根据运算结果输出控制信号至旋转设备的驱动电机以调整设备运行状态，从而实现对设备运行状态的监控。

进一步地，还可以利用通讯模块将存储数据、健康分析和安全诊断结果传送至远程数据库服务器、云端管控平台或移动终端，实现数据备份和远程监控；以及，利用通讯模块以有线或无线传输的方式将云端管控平台或移动终端发出的操控指令传送给数据处理模块，由运行控制模块发出控制信号，以控制设备启停或调整设备运行状态，实现对设备运行状态的监控。

以下是本发明所述一体化装置的具体示例：

本发明的技术思路是：利用一体化装置通过modbus通讯协议采集振动传感器信号并对信号进行快速傅里叶变换算得频谱数据、采集三相多功能电表的电流、电能等数据；通过模拟量通道采集压力传感器、温度传感器信号，并将振动有效值、频谱数据、电流、电能、压力、温度等显示在触摸屏上。然后在装置内部进行数据运算，将运算结果转化为输出信号来控制设备启停，调整设备运行状态。在该装置中可以设置报警阈值，振动相关数据、压力、温度当前值超出所设置的阈值时在触摸屏上显示告警内容。可以本地存储数据，实现历史数据对比，也可以通过以太网和无线功能将数据传输至服务器和云平台，进行进一步分析处理，实现远程监测。

为实现上述目的，申请人设计的装置呈长方体外形，外壳上设计有多个信号输入输出接口，正前方自带触摸屏，其他所有构件封装于壳体内。实现信号输入输出，数据处理与分析，数据存储，数据显示，报警功能和数据有线无线传输功能。

具体描述如下：

信号输入接口含有2路rs485串口31，都可实现modbusrtu和modbustcp通讯。通过第一个rs485串口，modbusrtu通讯协议采集rs485振动传感器1的信号，对于安装在同一旋转设备上的多个振动传感器，可采用轮询方式逐个采集，采集的信号包括三个方向轴的振动有效值和频谱原始数据。振动数据存储于sd卡中，并在处理器cpu中实时对振动数据进行快速傅里叶变换运算，得出频谱数据，以波形格式将频谱数据显示在触摸屏上。特别的，频谱数据可通过多种算法进一步计算得到频率、幅值、占比、总振动量、速度、位移等多种数据，有利于更准确更全面的诊断设备运行状态。所有算法都有成熟代码和模板，做成模块化嵌入，后期维护更新非常方便。通过第二个rs485串口，modbusrtu通讯协议采集三相多功能电表2所测得的设备运行电流、电压、功率、功率因数、电能等电气参数。这些数据存储于sd卡中，能将当前数据和趋势图显示在触摸屏上。以上振动传感器和三相多功能电表数据分两路rs485串口采集，支持9600/19200/57600/115200bps波特率，大大加快了采集速度，降低信号互相干扰影响。

通过ai通道33、34采集压力传感器的4-20ma电流信号，可以根据需要组态为0-20ma、0-5v通道，采集温度传感器的电阻信号，可以为pt100或pt1000。这些信号预处理后得到设备进出口介质实际压力和实际温度，将压力、温度当前值和趋势图显示在触摸屏8上。通过di通道5采集旋转设备启停、手动自动模式等状态信号，并与压力、温度结合在arm11处理器中处理分析，运用逻辑运算和pid算法，得出运算结果通过do通道6、ao通道7来输出控制信号，用于启停设备、调整设备运行状态。以上信号输入输出功能都有成熟控制器电路板，此处不再累述。

在触摸屏8上设置报警阈值，当振动相关数据、压力、温度当前值超出所设置的阈值时在触摸屏8上显示报警内容。采用8g存储sd卡9存储采集到的原始信号和处理分析后的数据，用于查看历史数据，设备运行状态历史趋势并对与专家知识库进行对比。通讯模块11包括以太网模块和4g模块，以太网接口为2路10m/100mbps自适应以太网接口，以有线方式向外传输数据；4g接口为全网通(移动、联通、电信)4g接口，以无线方式向外传输数据。触摸屏显示采用多页切换方式，数据存储采用最新数据覆盖最旧数据方式，利于缩小装置体积，减轻装置重量。还可以提供系统时间和系统时间设置功能，利于历史数据查看和对比。

如图2所示为本发明的信号流程图，数据采集阶段得到的信号和数据，先存储在sd卡中，温度、压力、电流等预处理后可直接在触摸屏上显示。振动数据做快速傅里叶变换和其它运算，然后将运算结果显示在触摸屏上。一部分数据做处理分析和逻辑运算后将运算结果作为控制信号输出。最后用以太网协议或4g技术随时将存储器中数据传输至服务器和云平台，进行进一步分析处理，和专家库知识结合，实现旋转设备的远程诊断和监控。

如图3所示为本发明的外壳接口图，21为4g天线接口，在无线信号弱的使用环境下可以加强无线信号，有效防止无线通讯不稳定或中断故障。22为lan口，通过lan口可以传输数据至服务器，服务器集合多台本发明的数据，实现设备集中管理和监测。23为wan接口，通过wan接口连接个人笔记本，用web游览器轻松调试配置本发明组态，如modbus通讯协议的地址、波特率参数，还可配置ai电流或电压输入，二线制接法或三线制接法等。24为usb接口，插入u盘直接导入本发明装置版本更新文件，因此后期维护的软件版本更新工作非常方便。25和37分别为com接口和type-b接口，可连接多种外接设备，比如打印机机、投影仪。26、27、28为电源、运行、4g通讯指示灯，在装置前期调试和后期维护时都可以简明查看其运行状态。29、30、31、33、34、35为各类数据采集和输出接口。32为can口，用于后期模块扩展，来实现更复杂的控制功能。36为4gsim卡槽，用于插入sim卡以实现4g功能。38为装置电源口，需要接24vdc电源。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。