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一种旋转机械振动检测系统的硬件设计作者：施阳阳等来源：《电子世界》2013年第11期【摘要】为了对旋转机械振动的进行实时在线监测，避免事故的发生，本文设计了用于监测旋转机械振动系统的硬件部分；系统以单片机作为核心CPU；系统具有参数测量、数据处理，并且能将数据传输到PC机的功能。
人们就能根据测试的数据可对机械设备做出客观的评价，为企业的生产管理提供依据。
【关键词】在线监测；振动测试；数据采集；系统设计旋转机械的振动信号反映了设备的运行状况。
机械在运动时，由于转子的不平衡、负载的不均匀、轴裂纹、轴弯曲、支撑条件不良等因素，总是伴随着各种振动。
机械振动在绝大多数情况下是有害的，振动往往会缩短机械的使用寿命，降低机器的性能并破坏其正常工作，甚至导致事故的发生给人类带来巨大的损失。
机械振动同时伴随着噪声，危害健康，破坏环境。
现代企业除了对各种机械设备有低振动和低噪音外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析和诊断，以便对工作环境的控制。
为了提高机械结构的抗震性能，必须进行机械结构的振动分析和设计。
这些都需要振动测试。
本文以此为基础设计了一种专用的振动信号检测系统，具有体积小、精度高、功耗低等优点。
1.系统检测原理如图1所示，当机器工作时所产生的振动信号通过传感器、积分放大电路、信号滤波、A/D采集后进入PC机，对采样信号作FFT变换，从而画出频谱图，通过观察振幅最大处的频率就可以观察振动物体运行情况。
此系统硬件包括数据采集模块、A/D转换模块、信号调理及通信模块、电源电路、复位电路。
电涡流传感器输出的信号一般在4-20mA左右，经过信号调理放大电路后，输出到A/D转换电路，由A/D完成模拟信号到数字信号的转换，再由A/D将转换后的信号输入到C8051F000单片机，由此单片机和PC通信，实现数据的采集。
2.系统硬件设计系统硬件主要包括前端信号高频滤波、低频积分放大电路和A/D数据采集。
在本系统中，高频滤波和低频积分在一个电路板上实现，A/D转换器完成信号模拟量到数字量的转变。
淮安嘉可自动化仪表有限公司无线振动监测系统简介一、概述无线振动监测系统使用简单方便，稳定可靠，极大地节约了旋转设备振动监测中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，广泛应用于工业现场振动加速度、速度数据采集和工业旋转设备振动在线监测。
无线振动监测系统由振动传感器、无线振动变送器、无线接收模块、数据转换器、数据服务器等等组成，无线振动变送器采集器振动传感器（加速度传感器或振动速度传感器）信号，采集后的数据经过无线变送器处理通过WIFI网络传输到下一级数据采集/处理装置，下一级数据采集或处理方式，有两种模式可选，根据不同工业现场或不同使用要求，可选任一种或者两种同时采用：其一、无线接收模块接收无线变送器的信号，然后经过数据转换器，转换成数据采集装置（DCS/PLC等）可以接收的标准电流4-20mA信号，供后续系统使用。
其二、无线接收模块接收无线变送器的信号，直接保存在服务器中，服务器连接网络，现场工程师可通过手机、电脑等便携或更直接的人机界面访问旋转设备的振动数据。
具体现场连接示意图（实际现场连接情况，视具体工业现场需求可做改动），如下：淮安嘉可自动化仪表有限公司二、功能与特点1、无线振动变送器（1）无线振动变送器采集通用振动传感器信号，并将振动数据转换传给无线接收模块。
（2）供电电压：8-24V或电池供电（3）可接入加速度传感器，速度传感器，或者一体化传感器，在订货前确认；（4）每个无线振动变送器最多可以接两个振动传感器；（5）数据上传间隔可设置；（6）量程可配置；（7）工作温度：-40℃ (85)（8）传输方式：WIFI协议，也可根据实际情况选配；2、数据转换器淮安嘉可自动化仪表有限公司数据转换器通过无线模块接收现场传输的数据，把接收的数据转换成电流信号，接入到DCS系统。
⚫将数据转换成4-20mA信号；⚫每个转换器可输出4通道4-20mA信号（即可采集四个振动测点的信号），如现场采集点数多于四个点多个数据转换器通过RS485级联；⚫供电电压：+24V(+/-10%)。
振动监测及故障诊断系统(TDM)MMS6851旋转机械振动监测和故障诊断系统是徳国epro公司生产的MMS6000汽轮机监测保护系统的配套产品。
系统功能：∙实时在线数据采集∙振动信号分析∙机组运行状态识别∙报警、危险识别和事故追忆∙数据管理∙振动特征分析∙报表、图形打印输出∙转子平衡重量计算∙故障诊断功能∙系统上局域网∙远程通讯功能它广泛适用于电力、石化、煤矿和冶金等行业的大中型旋转机械，如：汽轮发电机组、水轮机、电动机、压缩机、泵和风机等。
系统可及时捕获振动故障信息，早期预告振动故障的存在和发展，大大地减少查找和处理振动故障的时间和为此而做的起/停机次数，有助于避免灾难性事故发生，具有显著的经济效益和社会效益。
系统采用Windows 2000作为操作平台。
数据管理采用ODBC开放式网络数据库结构，确保数据的快速存储和多用户的同时访问。
系统具有较完整的定制功能，如定制轴系图、修改测量参数（如采集频率、存盘频率、变转速间隔、模拟量标定）等。
系统具备网络扩展功能，可上电厂的MIS和SIS网，还可以进行远程通讯。
系统组成：通常情况下，MMS6851系统按上、下位机方式配置。
下位机MMS6851/10进行数据采集、存储、网络通讯；上位机MMS6851/20进行数据实时显示、数据分析、故障诊断、远程通讯。
一般情况下MMS6851/10放置在MMS6000 的机柜里，MMS6851/20放置在工程师站。
下位机通过RS-485通讯口与MMS6000汽轮机监测保护系统的RS485总线连接，获取MMS6000系统各测量模块的实时数据。
由于数据直接取自测量模块，无需中间处理，因而具有其它采样方式无可比拟的精度。
通过网卡、多口交换机与MIS和SIS连网。
上位机通过与下位机进行网络通讯而获得实时数据和各种历史数据，通过监视器和打印机实现图形、报表和故障诊断结果的显示和打印输出。
旋转设备振动在线系统
技术方案
合肥优尔电子科技有限公司
2016. 8
一．现状分析
随着我国工业现代化进程的加快，对于连续生产的企业而言，大型旋转设备的稳定运行十分重要，一旦发生故障，都有可能导致整个生产线停机，造成极大的损失。
这种损失可达每小时数十万元之巨，特别是生产过程智能控制系统的采用，对关键设备安全运行的依赖程度越来越高，因此，对这些设备进行在线监测就显得非常重要。
各种旋转设备运转过程中各零部件磨损并非相同，随其工作条件而异，但磨损的发展是有其规律的，如果能够对设备受到的这种磨损失效规律进行掌握，设备各零部件的相对运动趋势将反应出振动、温度、声音的连锁效应，使我们提前知晓设备各项功能发生改变的趋势与结果。
国网铜陵发电有限公司拥有多种大、中、小型旋转设备，其较多旋转设备占据着生产中的核心地位。
二、系统架构
旋转设备振动在线监测系统，通过无线自组网和现场总线的方式，将从各传感单元采集的数据汇集到管理后台，通过计算机系统处理实现应用服务，计算机系统主要由数据前端设备、服务器机和管理端PC组成。
系统拓扑如下图所示：
三、振动采集终端
振动传感器
在旋转设备两端轴座（具体部位可根据现场情况确定）设置两组三维（X、Y、Z方向）加速度振动传感器，测量振动位移矢量，监测主轴与轴瓦（轴座）之间的轴向、径向游离与波动情况。
振动传感器利用压电晶体的正压电效应，当压电晶体在一定方向的外力作用下，它的晶体面产生电压，采集电路检测出这个电压值后换算成受力大小F，由公式a=F/m可以得出瞬间加速度大小a，对加速度二次积分得出瞬间位移量，从而得出被测对象振动频谱和振动位移。
主要技术参数：
传感器类型：IEPE
灵敏度：100mV/g
加速度量程：～100mm/s2
速度量程：～250mm/s
位移量程：1～3000μm
频率范围：～12000Hz（±10%)
谐振点: 27kHz
分辨率：0.001g
非线性：≤1%
横向灵敏度：≤3%
恒定电流：4mA
输出阻抗：＜100Ω
激励电压：DC24V
温度范围： -40～+80℃
放电时间常数：≥1秒
振动采集器
YT-400振动采集器是合肥优尔电子科技自主研发的一款高性能IEPE类传感器信号采集终端，内置了传感器所需的恒流激励和信号调理电路，可以不需外部的信号调理器而直接采集IEPE传感器的输出信号。
YT-400具有四路大量程、高采样率、低噪声的高性能同步信号采集通道。
每个通道的量程为±10V，采样率高达128Ksps，并能保证实时传输到后台服务器进行显示与分析。
通过高性能ADC和先进的DSP信号处理技术，使YT-400具备极低的采样噪声，在1Ksps采样率下采样噪声峰峰值仅为，满量程信号的信噪比高达50万。
多通道、高采样率和低噪声和同步采样使YT-400能够满足科研与生产中高端信号监测的需要。
YT-400系列采用跨平台通用的动态链接库作为驱动函数接口，可工作在 Server 03/Server 08/Win2000/XP/WIN 7/WIN 8 等操作系统下，支持VB, VC, C++Builder, Dephi，LabVIEW，Matlab等大多数编程语言。
主要技术参数：
输入通道
4路同步采集通道
支持IEPE（ICP）类传感器
BNC接线端子
交流输入
IEPE调理
输出电流：恒定4mA
驱动电压：24V
隔直电容：10微法
电压量程
到+
采样率
128K、64K、32K、16K、8K、4K、2K、1K八档可调
分辨率
128K采样率下，噪声峰峰值 < 400微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 60微伏，有效分辨率，信噪比103dB；
64K采样率下，噪声峰峰值 < 250微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 38微伏，有效分辨率，信噪比105dB；
32K采样率下，噪声峰峰值 < 150微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 23微伏，有效分辨率，信噪比109dB；
16K采样率下，噪声峰峰值 < 100微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 16微伏，有效分辨率，信噪比113dB；
8K采样率下，噪声峰峰值 < 70微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 10微伏，有效分辨率，信噪比115dB；
4K采样率下，噪声峰峰值 < 50微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 9微伏，有
效分辨率，信噪比117dB；
2K采样率下，噪声峰峰值 < 40微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 6微伏，有
效分辨率，信噪比121dB；
1K采样率下，噪声峰峰值 < 35微伏，无噪声分辨率；噪声有效值 < 5微伏，有
效分辨率，信噪比123dB；
缓存
DAQ Buffer：192K Bytes
FIFO ：1K Bytes
四、后台监测软件
软件功能
后台软件实现的功能如下图所示：
系统主要功能概述
（1）实时状态监测
在旋转设备示意图相应监测部位实时显示设备振动峰峰值，及时反映设备当前运转情况和运行状态。
点击监测点可进一步显示每个监测点振动变化曲线以及频谱图。
下图为实时状态图案例：
下图为振动频谱时域图案例：
（2）异常告警管理
在实时状态监测时对状态数据进行阈值分析，超出阈值或装备规格标准时自动进行异常告警，在实时监测图中通过变化红色告警提示，可以以声音形式提示用户。
提供对历史告警数据进行查询、分类统计和比较。
（3）振动数据分析
通过对历史状态数据的分类、梳理和模拟，进行时序分析直观描述，对设备状态及变化趋势进行分析，绘制趋势曲线，来展现设备状态重要数据点的变化情况。
下图为监测数据拟合图案例：
（4）故障预测诊断
根据预先设置的故障线阈值和劣变规律，进行劣化倾向的定量化管理，基于在／离线数据分析对象设备的劣化倾向程度和减损量的变化趋势，通过周期性对设备劣化倾向进行检测记录，按时间绘制成图表和曲线，拟合其变化趋势，预测最佳检修周期和更换周期，为制定设备检修计划提供依据。
根据旋转设备的部件参数和运行参数(转速/轴承类型及型号/齿轮齿数等)，自动计算出轴承内圈、外圈、保持架、滚动体的故障频率，结合轴承水平、垂直、径向的时域波形和频谱波形，判断可能故障，如不平衡、不对中、松动、齿轮磨损等；并结合专家数据库中前期积累的知识和经验等数据，为有效地诊断轴承的故障提供参考。
（5）系统管理
提供对旋转设备及监测部位、技术参数等基本信息维护，提供对采集网络、采集周期等采集基本信息维护，提供对系统用户及权限配置等系统基础功能。
五、实施单位简介
合肥优尔电子科技有限公司，是由中国科技大学多名博士基于科研成果产业化发起并组建的创新型企业，位于合肥高新区国家大学科技园，系国家“高新技术”企业和安徽省“双软认证”企业，公司管理体系通过GB/T 19001-2008/ ISO 9001:2008认证，并且正在按照CMMI 集成模型框架管理和改进过程，建立高标准、高效率、低成本的软件成果产业化机制。
企业致力于能源电力、化工建材和冶金制造等工业企业信息化与工业化融合技术开发应用，拥有多项核心技术成果和数十项自主知识产权，具有高水平的系统技术集成能力和嵌入式产品开发经验，其专业技术处于国内领先水平。
企业主要产品为：工业一体化智能巡检仪、分布式无线采集器、无线数据中继器、数据收发器、综合环境数据探测器等工业移动计算终端，并基于专业化终端产品为用户定制工业设备点巡检系统、设备状态监测与故障诊断系统、企业能源管理系统、煤场数字化及燃煤优化配比管理系统、设备远程监测系统等应用方案与工程实施。
作为中国科技大学数据融合实验室的校外基地，企业建立了完备的“产学研”技术开发体系，拥有学风严谨、技术精湛的研发团队，在涉及工控信息化领域的多个研究方向具备学科领头和创新能力。
多数员工具有电子信息工程、计算机科学技术和工业控制与自动化等方向良好的教育背景和从业经验。
在对业务及需求不断深入理解的基础上，快捷并针对性地为用户提供专业的信息化整体解决方案和周到的技术服务。
通过精心研发和细微服务，企业陆续推出的产品与技术分别在多家大型国企投入应用，接受长期运行考验，充分满足了用户需求，提高了生产管理效率，获得了普遍赞誉。
企业仍将不断努力进取，加快先进技术的产业化实施，全心全意为用户服务，为中国工业企业的现代化转型竭尽全力。
