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1、纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案项目承担单位：西安交通大学现代检测仪器研究所2007. 10. 101、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
2、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:10 sets, Calander: 10 sets, Dry: 160 sets, Press: 14 sets, Wire: 8 sets。每个ICP传感器均带有15米电缆（特殊部
3、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
4、，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windows XP操作系统。6、实时监测诊断系统结构图Fig. 2 System Structure6.1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PC
5、B公司的ICP振动传感器（420mA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DAQ Unit 1 and DAQ Unit 2。b、数据采集层（DAQ Unit）在线数据采集单元DAQ Unit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Database Server。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
6、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：NI PXI-1031 带通用AC的4槽3U PXI机箱PXI机箱：NI PXI-1042 带通用AC的8槽
7、3U PXI机箱PXI控制器：PXI-8106 2.16 GHz双核PXI嵌入式控制器PXI数据采集卡：PXI-6254 16位, 1 MS/s (多通道), 1.25 MS/s (单通道), 32路模拟输入PXI系统外部供电方式：AC220V2）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
8、单元（96通道）的硬件连接做说明：UUTsensor100m cableCM4016/L37pin to 68pin cable PXI-6254ethernetdatabase server computer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CM401
9、6/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：NI PXI-8196 Pentium M 2.0 GHz Controller with Windows XP 模拟输入通道：32通道/卡*7=224通道 程控量程：10V0. 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1.25
10、MHz/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+707.1.3 硬件各单元功能及性能指标+7.1.3.1 PXI-1031 和PXI-1042 机箱（1）PXI-1031（2）PXI-1042图6、PXI带通用AC的3U PXI机箱7.1.3.2. PXI-8106控制器图7、PXI-8106 （2.16 GHz Dual-Core Embedded Controllers for PXI and PXI Express） 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400双核处理器 标准配置为512 MB (
11、1 x 512 MB DIMM) 双通道667 MHz DDR2 RAM, 最大为2 GB 10/100/1000 BaseTX (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Windows OS和驱动; 基于硬盘的修复7.1.3.3 PXI-6254 数据采集卡图8、PXI-6254 32 CHs M series card 32 analog inputs at 16 bits, 1.25 MS/s (1 MS/s scanning1) 7 programmable input ranges (100 mV
12、to 10 V) per channel Two 32-bit, 80 MHz counter/timers Analog and digital triggering NI-MCal calibration technology for improved measurement accuracy 6 DMA channels for high-speed data throughput7.1.3.4 CM4016/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，
13、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：1.526Hz10kHz，有32763种选择，具体频率由下式表示：f 50000（N4）式中N为132763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7.1.4.1 206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
14、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
15、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
16、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Microsoft SQL Server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MIMO
17、SA 的CRIS 2.1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8.1 All elements price list (except sensors)Detail in Table 18.2 Engineering hoursThe HMI Of Machinery Online Monitoring System is different from that of DCS system, so we provide cus
18、tom-made Online Monitoring System. Table 1 shows system spec. 8.3 All servers working list and price. 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) Installation supervisor. hardware installation Covers(Basic engineering of on-line monitoring system is not included. So the installation of sensors and
19、the construction of signal cable from sensors to the terminal box of sensor, network layout should be provided by the end user): leads the cable into cabinets from the terminal box of sensor installation of signal conditioning/signal acquisition/monitoring devices hardwareSoftware installation Cover
20、s: installation of operation system installation of database manager system installation of devices software driverinstallation system software showed in table 1c) Start up. Communication.Configure software and hardware Initial user profiling Initial system database 4 week on site debuggingd) Optimi
21、zation etc.Two week of update service is provided.Price：500 RMB/Manday x 28 day(4 week) x 2 Man = 28,000 RMB8.4 Training in factory and on site. Content：1）On site training: Class training 3 days 2） Factory training: 2 weeks/ 2 personPrice：500 RMB/Manday x 3 day x 2 Man = 3,000 RMBOptional：If end use
22、r want accept training in Xian, , we can provide this service. Price：400 RMB/Manday x 14 day(2 week) x 2 Man = 11,200 RMB8.5 Warranty time and warranty item. Warranty for hardware:Provided by hardware supplier, and warranty time is preformed by hardware produces warranty rule, and warranty time is 2
23、4 month or 运行后18个月.Warranty for software:Provided by Xian Jiaotong University, and warranty time is 24 month or 运行后18个月.8.6. Total Price1,090,129.32RMB(hardware and software fee) +21,000 RMB (server fee) +14,000 RMB (training fee) = 1,125,129.32 RMB(total price)Table 1. Hardware and software element
24、s price listindexItemSupplier Module typeDescriptionUnit priceRMBQuantityTotal(RMB)Hardware1Signal Conditioning UnitUSAQUATECHCM4016C/L（16Channel/one）16 channel programming filter condition8 rank programming filtersupport ICP sensor(Detail in Table 2)13319,800268 pin to 37 pin cableUSAQUATECHConnect
25、 4016/L to PXI-62543Extended warranty for one yearExtended warranty for one year from the expiration of the standard hardware warranty4PXI DAQ cardNI,USAPXI-6254NI PXI-6254 (32 AI, 48 DIO)(Detail in Table 3)7237,973.32 1x2=25PXI-ControllerNI,USAPXI-8106NI PXI-8106 Core 2 Duo 2.16 GHz Controller with
26、 Windows XP1x2=26512 MB DDR2 RAMNI,USA512 MB DDR2 RAM For NI 8106 and NI 8105 Controller1x2=274-Slot Chassis for PXI 1031 Controller boxNI, USAPXI -1031,USANI PXI-1031 4-Slot 3U Chassis with Universal AC Power Supply188-Slot Chassis for PXI 1042 Controller boxNI, USAPXI -1042,USANI PXI-1042 8-Slot 3
27、U Chassis with Universal AC Power Supply19Power Cord,240V,10A,U.K.NI, USA1x2=210Extend warranyNI, USAPXI -1031Extended warranty for one year from the expiration of the standard hardware warranty1x1=111Extend warranyNI, USAPXI -1042Extended warranty for one year from the expiration of the standard ha
28、rdware warranty1x1=112Database ServerHP，China HP ProLiant BL480cCPU type: XeonCPU Frequency: 3200MHzCPU Number: 248,000148,00013Operation StationHP，China HP ProLiant ML150 G3CPU Type: XeonCPU Frequency: 1600MHzCPU Num: 111,100222,20014Cabinet（由ANDRITZ公司提供）215PXI MonitorHP，China HP w190719英寸17401x2=2
29、3,48016UPS PowerShenzhenC1KR Ups Power SanTak C1kR，Output voltage: 213-226Vpower blocks (KVA) : 11,60034,80017交换机CISIO WS-C2960-24TT-LRAM 64 MB , Flash Memory 32 MB; Ports Qty 24 x Ethernet 10Base-T, Ethernet 100Base-TX Data Transfer Rate 100 Mbps1,80011,80018BNC connector用于4016调理卡的接入信号线头制作319257619
30、Shield cable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5220m110020Power 电源插座用于QUATECH4016调理卡25410021鼠标键盘PXI采集单元使用1502300Software22Data Acquisition softwareXian Jiaotong UniversitySignal condition with magnify, filter, and data acquisition450,0001450,00023Monitor and diagnostic softwareXian Jiaotong
31、UniversityHighly visual-easy to use for routine monitoringMachine state dependent alarming systemSpecial tools available for in-depth analysis, like: Real Time Analyzer Bearing fault feature Database Multi analysis modulesStandard Windows 95/98/2000 platform24Database softrwareSQL Server 2005Provide
32、 by End User25DatabaseMaintenance softwareXian Jiaotong Universitymaintenance:Control InformationMachinery InformationSystem Runtime InformationNetwork Configuration Information. etc.1,090,129.32Table 2. Condition hardware listQuatech-4016/L信号调理单元 报价表CM4016/L16 CHs Low Pass filter ,ICP interface, so
33、ft-changeable amplifier22,800/one *13带税RMB 296,40068 pin to 37 pin cableConnect 4016/L to PXI-6254800/one*13带税RMB 10,400Extended warranty for one yearExtended warranty for one year from the expiration of the standard hardware warranty1000/one *13带税RMB 13,000Total: 319,800Table 3. DAQ hardware listNI
34、-PXI DAQ单元报价表The price for NI PXI hardware & NI software develop778932-01NI PXI-1031 4-Slot 3U Chassis with Universal AC Power Supply1RMB 9,921.60*1=9,921.6763064-1Power Cord,240V,10A,U.K.2RMB 52.65*2=105.3778636-01NI PXI-1042 8-Slot 3U Chassis with Universal AC Power Supply1RMB 21,890.7*1=21,890.7
35、779886-01NI PXI-8106 Core 2 Duo 2.16 GHz Controller with Windows XP2RMB 44,875.35*2=89,750.7779302-512512 MB DDR2 RAM For NI 8106 and NI 8105 Controller2RMB 1983.15*2=3,966.3779118-01NI PXI-6254 M series DAQ card with daqmx driver7RMB 12957.75 *7=90,704.25960041-01Extended warranty for one year from the expiration of the standard hardware warranty1 for PXI-1031RMB 9,570.60960041-01Extended warranty for one year from the expiration of the standard hardware warranty1 for PXI-1042RMB 12,063.87Total: 237,973.32
