转炉除尘风机无线振动在线监测系统

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转炉除尘风机无线振动在线监测系统目录致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯llAbstract．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．1II目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Iv1绪{念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2转炉炼钢简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．1转炉炼钢概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．2我国转炉炼钢的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．2．3转炉炼钢废弃物⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．3转炉除尘风机监测现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．3．1转炉除尘风机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31．3．2转炉除尘风机监测现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．41．3．3解决方案的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61．4论文组织架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82转炉除尘风机振动监测方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1转炉除尘风机常见故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1．1转炉除尘风机故障概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．92．1．2典型风机故障描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．2振动信号预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一122．2．1信号预处理概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．2．1信号预处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．3振动信号特征值提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142．3．1振动信号转化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142．3．2特征值提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182．4风机故障诊断⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一202．4．1信息比较诊断法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．4．2参数变化诊断法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21IV 转炉除尘风机无线振动在线监测系统2．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一223转炉除尘风机监测系统总体架构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．1在线监测系统技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2风机在线监测系统的设计要点介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一233．2．1无线网络标准的选择。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2．2系统可靠性的保证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．2．3系统低功耗保证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．2．4上下位机通信协议确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．3系统的总体组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283．3．1系统组成简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283．3．2系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．4系统关键组成部分介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．4．1传感器节点部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．4．2激活节点部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．4．3服务器部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．314转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．334．1传感器节点设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一334．1．1传感器节点硬件架构图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．1．2核心控制模块选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．1．3振动传感器模块选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354．1．4温度传感器选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯374．1．5Wl—FI模块选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．394．1．6Zigbee模块选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．2激活节点设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．424．3系统服务器的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．4局域网组网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．444．4．1局域网组网设备选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．4．2局域网的拓扑图结构选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47V 转炉除尘风机无线振动在线监测系统5转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一485．1系统上位机软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一485．1．1上位机软件总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．1．2软件运行与开发语言简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯525．1．3上位机软件模块实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯545．1．4上位机软件技术要点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯565．2传感器节点软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．605．2．1传感器节点软件需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯605．2．2传感器节点的运行流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯615．2．3传感器节点的开发和运行平台介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯625．3激活节点软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．625．3．1激活节点软件设计要点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯625．3．2激活节点运行流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯635．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一646现场应用试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．656．1系统安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．656．1．1传感器节点安装位置选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯656．1．2安装方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯666．2系统数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．676．3系统测试分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．686．4部分系统运行图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一726．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．737总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．747．1工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．747．2工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯74V 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论1绪论1．1引言作为重要的工业原料钢铁被广泛的应用于基础建设、房地产、汽车、机械制造、造船、设备制造等诸多领域，而这些行业可以说是国民经济的支柱产业，这些行业的发展在很大程度上决定了国民经济的增长速度【1】。经济危机过后在社会经济开发回暖发展之际国民经济的发展的加快对钢铁需求也开始持续增加，根据相关报道2013年我国钢产量预计将达到7．5亿吨，稳居世界第一位[2】。钢铁产量的飞涨在给钢铁行业带来效益和机会的同时对也给钢厂生产设备的维护和管理工作带来了新的挑战。由于钢厂设备的大型化、连续化[3]以及自动化的程度相当之高[4】所以一旦发生故障所造成的直接间接损失也是十分严重的并且随着设备数量、型号的进一步提高这一趋势将更加明显。所以运用现代高科技手段对于潜在的危机进行密切的监控以保持设备的良好运行状态防止和控制突发故障和事故的出现[5]，对于将要发生的故障在造成损失以前进行有效及时的预报，对于故障发生的原因进行总结的基础上对于设备进行针对性维护或者相应的改进、改造已成为钢厂设备管理维护工作的首要任务。将设备安全事故防患于未然保证生产的连续、稳定、安全的运行已经刻不容缓。转炉除尘风机是钢厂转炉炼钢过程中用到的重要设备之一，负责将炼钢过程中产生的多尘和有害废气排至烟囱放散或输送到煤气回收系统。但是由于其本身的运行条件的恶劣性以及担负工作的繁重等原因导致转炉除尘风机的故障发生率非常高，这些故障如果不能及时发现和排除很容易酿成重大故障而不得不进行停机大修从而使得整个炼钢生产线停产而使得钢厂蒙受重大经济损失并可能会造成其他非常严重的后果甚至对操作人员安全构成威胁。但是在如此高的故障发生率的情况下转炉除尘风机的故障诊断手段却十分落后和低下：很多钢厂还停留在人工目测经验判断的水平，个别钢厂实现手持仪器定时点检的，这些落后的监测方式由于不能及时对故障进行排查和预测使得风机故障的危害进一步加大。在饱受风机故障之苦后，钢厂方面迫切希望建立一套现代化的风机监测系统以改变风机监测现状、提升风机监测水平、减小风机故障危害。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论1．2转炉炼钢简介1．2．1转炉炼钢概述转炉炼钢方法是世界上最主要的一种炼钢方法[6]也是非常适合中国劳动力便宜、电价偏高、废钢资源紧缺的社会特点的一种炼钢方法[7]。所谓转炉炼钢是指在转炉中以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而完成的炼钢过程[8]。在炼钢过程中通过氧枪向熔池吹氧气并投放熔剂和冷却剂实现脱除熔池杂质和熔池升温从而达到冶炼钢水的目的[9】。1．2．2我国转炉炼钢的现状自1951年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功，并于1952年投入工业生产以来转炉炼钢技术在我国一直都发展较为迅速：1971年容量为120t的大型转炉在攀枝花钢铁厂建成；[10】1978年宝钢从国外引进300t的转炉炼钢的成套设备；90年代又在宝钢二炼钢厂、武钢三炼钢厂、鞍钢三炼钢厂、首钢炼钢厂建成了一系列的转炉炼钢大型生产线；由于近几年国家由于电力缺乏导致电价升高致使电炉钢产量的增长受到一定程度上的制约；并且效率低下的平炉【11]受到淘汰以及生铁资源的充裕这些都给我国转炉炼钢产量的增长提供了良好条件，因此我国近几年转炉钢产量获得了快速增长[12]到目前为止转炉炼钢的产量已经达到我国钢铁产量的80％以上。虽然在我国转炉炼钢得到长足发展，但是从目前炼钢过程中暴露出来的问题来看还需要从以下几个方面对我国炼钢技术进行改进和提高：对小于20t的小转炉进行淘汰和改造提高转炉容量；提高现有铁水脱硫等预处理能力；提高现有的炉外精炼的能力；进一步提高二次能源回收利用率[13】；适当的提高装备水平[14]。1．2．3转炉炼钢废弃物转炉炼钢会产生大量的废气、废渣和废水[15】，其中废渣处理比较简单主要做成钢渣水泥和肥料。废水主要是在废气的处理过程中对废气清洗过程中产生的，主要通过颗粒分离、沉淀等技术进行处理[16]。炼钢过程中产生的废气主要成分是粉尘颗粒以及有害气体等据统计炼钢过程每冶炼1t钢 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论将产生20kg左右的烟尘(主要成分为FeO和Fe203)[17]。1．3转炉除尘风机监测现状1．3．1转炉除尘风机众所周知在转炉吹炼过程中，炉口会排出大量棕红色的烟气。烟气温度极高[18]并且含有易燃气体[19]、CO以及S02120]等有毒气体[21]以及金属颗粒。按照我国1996年颁布的《大气污染物综合排放标准》『22]规定这种烟气必须冷却、净化然后由引风机将其排至烟囱放散或输送到煤气回收系统中备用[23]。因此，每座转炉必须配有一套转炉除尘系统，而转炉除尘系统中的转炉除尘风机(图1．1)主要作用是供给空气流动所需的能量将含尘或有害气体吸收到除尘器内进行净化或处理。可以这么说转炉除尘风机就是这整套除尘系统的动力中枢[24】其一旦出现故障无法正常运转轻则对生产的正常进行造成影响严重的话甚至会造成整个工厂的停产造成较大的经济损失甚至会出现造成员工伤亡并对周围环境造成较大污染[25】。因此对转炉除尘风机进行严密的监控并在其损坏造成严重后果之前对安全隐患进行排查是非常重要的。转炉除尘风机工作原理[26】除尘风机是叶片式风机中的一种离心式和轴流式都有，目前常用的风机是叶片离心式。如图1．1所示离心式转炉除尘风机的主要部件有叶轮、机壳、进风口、进气箱、导流器及扩压器等。转炉除尘风机的主要工作部件是叶轮，其主要作用力是叶轮转动造成的空气的离心力。当原动机带动叶轮旋转时叶轮中的叶片迫使流体转动与此同时流体在惯性力的作用下从中心想叶轮的边缘流去然后以很快的速度流出叶轮进入了风机的流体出口再经过接在出风口的管道排出。与此同时由于叶轮中的空气经过出风口排出导致风机内部的压强小于外部压强因此会不断有空气经过吸入室进入到风机中。由于叶轮连续的旋转送风以及吸风也就导致了风机的连续工作。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论进风口叶轮，壳体图1．1转炉除尘风机1．3．2转炉除尘风机监测现状风机故障的发生率非常高，一方面转炉除尘风机作为钢铁厂在炼钢过程中的必要的辅助工具，受钢厂作业特点影响几乎是日夜不定的在运转。长时间不间断的负荷运行使得风机的故障率一直居高不下；另一方面由于风机工作的高温、高湿、高粉尘环境大大使得风机容易产生磨损、腐蚀等情况从而大大加剧了风机故障的发生率。在如此之高的故障发生率的情况下转炉除尘风机的监测现状却不容乐观一方面转炉除尘风机的工作现场施工情况恶劣、设备众多且比较杂乱。这样的施工环境下对于现代化监测设备的安装是一个巨大的挑战，因而使得许多钢厂经济方面考虑、除尘风机的施工环境方面考虑风机监测还停留在定时点检以及事后维修的落后监测水平。目前来看主要有如下几种监测方案应用的比较广泛：方法1人工经验判断即经验判断是指监测人员在转炉除尘风机运行的时候，凭借简单工具采用望、闻、听、摸等手段，对转炉除尘风机运行状况进行定性的分析和判断的一种方法。人工经验判断方法的缺点是显而易见的：一方面人工经验判断方法没有可靠的判断依据，判断结果随机性很大；另一方面人工检验判断的由于只借助简单工具对于比较细微的缺陷则很难察觉而且还比较难形成长期记录对以后的检验提供帮助。方法2定期点检所谓的点检制，是按照一定的标准、一定周期、对设备规定的部位进行检查，以便早期发现设备故障隐患，及时加以修理调整，使设备保持其规定功能的设备管理方法。点检是比较常用的一种检修制度，但是对转炉除4 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论尘风机来说却存在着很大的困难主要是由于转炉除尘风机通常工作在除了高温、高湿、高粉尘以外还经常充满了C01271等有毒气的密闭环境中(如图1．2所示)这显然对钢厂定时点检工作的进行造成了极大的困扰并对点检人员的生命健康造成了极大的威胁就在前不久吉林某钢厂工人就因转炉除尘风机点检过程中未按操作规程操作造成了中毒死亡的事故。方法3利用前装监测设备即利用转炉除尘风机自身配套的风机制造方提供的风机运行状态监测设备进行监控。由于由风机制造企业对于风机的运行和设计结构有较为深刻的理解因此其提供的这种风机运行状态相对来说监测的指标更加全面、监测的准确度更高、更加有针对性。但是这种方法由于需要对风机的生产厂家要求在生产风机过程中对监测系统也进行同步设计，对于没有带风机监测系统的风机的监测系统该方法不适用。方法4其他检测设备目前也有少数大中型企业安装了专用检测诊断设备对风机进行长期检测，1994年东北大学与黑龙江西林钢铁公司烧结厂设计的风机在线检测与动平衡系统；1996年武钢公司的故障诊断室为武钢一厂的风机安装的以微机为主体的检测和故障诊断系统；2000年东南大学和上海交通大学分别开发的旋转机械故障诊断专家系统等等[28]。这些系统的使用对于提高风机的故障监测水平起到了较大的推动作用，但是都存在着一些成本较高以及维护等方面的问题并且由于大多是有线方式的安装传输方式在安装和维护上比较麻烦因而未能够大面积的推广。转炉炼钢现场风机车间后续处|堕理鲁图1．2炼钢车间转炉除尘风机图中可以看出由于转炉除尘风机中经常充满CO等危险气体，处于安全考虑将风5 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论机单独放置于一个密闭的风机室中，而工作人员主要在观察室中对风机的运行情况进行监测和观察。通过对以上传统的几种转炉除尘风机监测方案的分析发现这几种方案由于都存在着一定的使用限制都不是理想的风机监测方案，首先人工经验判断在准确度和稳定性上十分的差不能作为风机监测的理想手段；定期点检相对人工经验判断在制度上和手段上都有所提高但是风机工作现场的危险和恶劣环境对于点检是一个严重的考验；风机自带监测系统在性能等各个方面均很好但是并不是所有风机都带有配套监测系统所以也不是理想的转炉除尘风机监测系统。因而就钢厂来说非常需要一种简便易行，成本低廉的风机监测系统。1．3．3解决方案的提出根据以上风机工作现状和工作环境需求对风机监测系统整体解决方案进行确定：首先，监测信号的选定。除尘风机作为一种典型的旋转机械，其运行过程中经常出现的不平衡、不对中、轴弯曲以及装配件或基础松动等旋转机械故障常见典型故障在其振动曲线上都能够及时准确的反应出来因而选择振动与噪声故障诊断方法对风机故障进行检测。[29]其次，监测方式的选定。由上节风机的工作环境得知钢厂风机的工作环境的恶劣性导致风机的故障发生率相当频繁而且呈现多样性但风机工作环境的危险性又使得常规点检方式非常的不适合在此场合进行应用经过综合比较选择对风机的运行情况进行实时的监控。[30]最后，风机无线监测方案的选择。风机的数据传输方案选择无线形式主要基于如下考虑：>转炉除尘风机的工作环境是一个环境恶劣并且高危场合，在此场合作业必须进行大量的防护工作。所以在场合进行施工是相当困难的，选择无线方案进行施工来说要简单很多。>由于监测需要在进行风机监测时候经常需要进行更改监测点的位置以及增减监测点操作，相对有线的监测方案显然无线方案监测更改起来更加简单。>由于要同时对多个风机的多个测点进行监测如果使用有线方案需6 转炉除尘风机无线振动住线监测系统绪论要在现场布置大量的网线和电源线，如此多的网线和电源线势必会大大增加施工难度以及后期的维护难度并且在钢厂复杂的环境下非常不利于线路的安装。[31]综合以上几点考虑及分析提出了风机的无线振动在线监测系统的方案。该方案利用振动传感器对风机的振动信号进行采集，采集完成以后通过无线方式将振动数据发送出来、服务端的无线接收端将无线数据接收进来并传送给服务器，服务器对数据进行分析，分析后的结果通过图形界面的方式呈现给工作人员。1．4论文组织架构根据除尘风机无线振动在线监测系统的设计与实现方案并结合风机在设计、搭建、测试过程中的相关工作编写此文档。本文以除尘风机的设计为核心，完成了针对整个风机无线振动在线监测系统的总体架构介绍、软件设计工作介绍、硬件搭建工作介绍、算法结构介绍以及风机监测系统的设计与实现过程中的经验教训总结工作。本文主要结构安排如下：第一章，阐述针对风机进行监测的迫切性和必要性并且作为背景知识介绍了风机和故障诊断相关的知识。在本章的最后部分针对钢厂除尘风机的特例提出了钢厂除尘风机无线振动在线监测系统。第二章，针对风机的故障诊断进行了介绍，介绍了风机的易发故障的故障种类及其表征、风机故障诊断过程中用到的信号预处理方法、风机振动信号中提取的特征量以及风机故障诊断的具体实现方法。第三章，总体上介绍了钢厂风机的无线振动在线监测系统的组成、系统中关键模块的主要功能、该风机监测系统大体的工作流程以及监测系统设计过程中的难点和创新点。文章的最后部分对风机在线监测系统的总体介绍章节进行了总结。第四章，全面介绍了该风机无线振动在线监测的硬件组成。包括传感器节点和激活节点的电路板设计、关键模块的选型以及其他硬件设备的选型等等第五章，介绍了系统的软件设计工作包括：上位机软件的设计与开发、 转炉除尘风机无线振动在线监测系统绪论传感器节点的软件设计与开发、激活节点的设计与开发等等。除此之外还多软件开发过程中使用到的关键技术进行了介绍。第六章，对系统的测试和安装过程进行了介绍。介绍了测点选择、安装方式、系统安装完成以后对系统的一系列配置过程以及数据采集成功以后对数据分析过程。第七章，对整个研究过程进行了总结指出了研究过程中的创新点和具体研究工作，在文章的最后对于整个系统中存在的不足提出了一些可供改进的一些方面。1．5本章小结本章从大工业时代机械故障诊断的重要性入手详细阐述了风机以及设备故障诊断的相关知识。接下来笔者对我国转炉除尘风机监测的现状进行了调研和整理并对风机监测中的难点进行了叙述。最后在充分考虑风机的监测现状以及监测困难之后笔者提出了具有强烈针对性的转炉除尘风机无线振动在线监测系统的解决方案。在本节的最后笔者还对于本论文的架构进行了叙述。8 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究2转炉除尘风机振动监测方法研究2．1转炉除尘风机常见故障2．1．1转炉除尘风机故障概述除尘风机是一种典型的旋转机械，因此对其故障的研究可以从旋转机械的故障着手。旋转机械的最常见故障有转子不平衡、转子不对中、轴承油膜振荡、共振、部件松动等等。旋转机械的故障按照一般故障振动特征如图所示可以大体分为两种：第一种是同步振动，主要由转子的不平衡、不对中、轴弯曲、基础联接松动或基础松动等原因造成的振动其频率为转子回转频率或其倍频；第二种是亚同步振动，主要由旋转失速、喘振、旋转失速等原因造成的振动其频率要低于转子的回转频率[32]。转炉除尘风机作为一种特定的旋转机械在其结构、转速以及质量上又有其特殊，t111[33]，因此旋转机械的机械故障在除尘风机上发生的概率也是具有其特殊性的。要经过针对风机进行具体分析和统计才能确定各种风机故障发生的概率分布。经过统计各种故障出现的特征百分比如图所示[341。从图中可以看出风机的主要故障基本都是由不对中、不平衡、轴承碰磨、基础联接松动或基础松动引起的故障振动并且基本都属于同步振动，因此同步振动的情况是进行监控的重点。因此在下面章节会对同步振动的一些情况进行重点分析其振动特征为振动监测提供数据上的依据。对于其他亚同步振动的情况也进行简要介绍，在振动监测过程中也作为振动监测的其他故障情况进行考虑。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究图2．1风机常见故障2．1．2典型风机故障描述(1)不平衡故障[35]不平衡故障如图所示是指因为转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响导致其质量中心和旋转中心之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作的时候形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷从而造成机器不正常振动的一类故障。由于转炉风机在运行过程中传送空气中充满了由Fe203、FeO和CaO等构成的粉尘[36]因而很容易叶轮上的积垢[37]而造成除尘风机不平衡故障的出现因此需要在风机的故障监测中对不平衡故障进行重点的监测。由于风机的不平衡振动是由于质量中心的偏心造成离心力的周期性变化引起的因此风机的不平衡振动造成的故障振动特征呈现如下特点：[38]>不平衡故障引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图中工频成分具有突出的峰值。>单纯的不平衡振动转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。>转子的轴心轨迹形状基本为一个圆或椭圆，这意味着至于转轴同一截面上互相垂直的两个探头其信号相位差接近90。。>转子的进动方向为同步正进动。注：进动是指自传物体的自转轴又绕另一轴转动的现象，同步进动是指转子的自转速度和自转轴绕另一轴的转动速度相等的情况。>转子振幅对转速变化很敏感，转速下降振幅将明显下降。实际上是不存在绝对平衡的转子的，因为在制造装配的过程中总会出现微量的不平衡。因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分(称工频)，但是只有不平衡的量超过一定值后转子的不平衡离心力才会引起机器的明显振动。(2)转子及轴承不对中故障不对中故障是指机器在运行状态下，由于联轴器安装偏心或者两轴承座相对位置(高或者左右)的偏差不能形成良好的油膜和适当的轴承负荷从而引发及其振动或联轴节、轴承损坏一系列故障。不对中故障的危害是显而易见的，不仅会增大机械运转的振动还会发生轴承的偏磨、联轴节过度发热、齿式联轴节齿面磨10 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究损、与联轴节配合的轴端键槽产生裂纹、膜片联轴节疲劳损坏等等。正常情况平行不对中偏角不对中平行偏角不对中图2．2不对中故障种类不对中故障的故障特征的表现如下：>转子的不对中改变了轴承中的油膜压力，在一定条件下会产生高次谐波振动。不对中所表现的最大振动往往表现在紧靠联轴节两端的轴承上。>轴承的振动幅值随转子的负荷的正大而增高。>转子平行不对中主要引起径向跳动，通过测量振幅大的方向可以找到原始的不对中方向。角度不对中主要引起轴向振动。>不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。>从振动频率生来看，不同类型的转子和不同类型的不对中情况引起的振动频率是不相同的。对于刚性转子和联轴节平行不对中易引起二倍转速频率振动而角度不对中易激起工频轴向振动以及多倍频振动。[39】>转子之间的不对中由于在轴承不对中方向产生了一个预加载荷幽静运动的轴心轨迹形状为椭圆。(3)转子支撑件松动[40]在风机运行过程中由于支撑件长期处于振动状态并且支撑件安装时的安装质量较低等原因在运行一段时间之后容易出现支撑件松动的现象。支撑件的松动危害是很大的一方面导致原有的不平衡、不对中故障的加剧；另一方面也导致了11 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究连接处的机械阻尼降低、刚度下降从而导致振动的振幅加大从而导致机械的磨损加剧、增加裂纹产生的可能性。(4)旋转失速和喘振[41]旋转失速和喘振也是风机常见的故障。所谓风机的喘振是指在风机在由于烟风道积灰堵塞或烟风道挡板开度不足引起系统阻力过大时当流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动[42】。喘振的振动特征：风机在喘振区工作时，流量出现不稳定的周期性变化，产生气流的撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断晃动。所谓风机失速是指风机处于正常工况时，冲角很小(气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角)，气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，当气流与叶片进口形成正冲角，即a>O，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可使叶片产生共振。此时，叶片的动应力增加，可能致使叶片断裂，造成重大设备损坏事故。(5)转轴裂纹[43]冶金工业的设备由于长期高转速、高载荷的情况下工作转轴上出现的横向疲劳裂纹。转轴裂纹故障是旋转机械的常见故障之一，主要由材料本身的缺陷、加工误差、安装误差等造成。转轴裂纹的出现容易造成转轴断裂等严重的生产故障和事故。『44]转轴裂纹对振动的响应与裂纹所处的轴向位置、裂纹深度及受力情况有关。2．2振动信号预处理2．2．1信号预处理概念我们都知道信号在采集过程中都不会不可避免的会被各种噪声所污染，信噪比严重下降结果使得该激励信号并不能正确的反应结构的动态特征对后面要进行的故障诊断的精度和效果造成了非常大的负面影响。因而在对实测信号使用前要进行信号的预处理。所谓振动信号预处理是指采集到振动信号以后在对实测信号进行分析以前进行预先处理以提高数据的真实性和稳定性，从而选择合理的后续诊断技术。振动信号预处理，是结构健康诊断的首要步骤，它直接决定着后续诊断技术有使用效果及精度。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究2．2．1信号预处理方法信号预处理的方法根据要求不同以及具体要处理的信号不同是多种多样的。主要可以分为两种：一是减少或消除采集数据中的干扰成分，如多项式趋势项等等；二是对原始信号做适当的数据平滑处理。下面对各种信号预处理方法进行一些简单描述：[45](1)数据的奇异值点剔除。[46]数据的奇异值点剔除就是对数据中异常的极值进行消去、修复以及对双极性振动信号中的局部单极性进行修正。数据的奇异值点的去除方法有很多种，30准则剔除、几何条件检验法、包络检验法、变化率法等等。由于风机振动监测每次的振动相对变化不大因此选择最简单的30检验方法进行奇异值点的剔除：假设现在采集到一组数据{4，d：，⋯，嘭)首先求改组数据的平均值：∥=u-萎dj五再求该组数据的方差：％2则当数值l砂一jl与￡的}L'f直qj即乃：—Idj--乒,l当qj大于3时认为dj为奇异值去除掉。(2)多段数据线性平均。多段数据线性平均指在数据量很大的情况下，对多段信号进行累加、平均处理，去除随机信号的干扰。由于风机的振动数据的数据量不是特别的大，因此不需要多段数据的线性平均。(3)数字滤波数字滤波就是用数字设备，通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号的过程。数字滤波器有两种实现方式：1≈ 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究一种是经典数字滤波器有高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器等等，其实现方法就是先假定输入信号x(n)中的有用成分和希望滤除成分分别位于不同的频带，因而我们通过一个线性系统就可以对噪声进行滤除。其缺点就是如果噪声和信号的频谱相互混叠，则经典滤波器得不到滤波的要求。另外一种是现代滤波器有维纳滤波，卡尔曼滤波，自适应滤波等。这种方法不同于经典滤波器是把信号和噪声本身都视为随机信号，利用其统计特征，如自相关函数，互相关函数，自功率谱，互功率谱等引导出信号的估计算法，然后利用数字设备实现。由于风机振动的风机振动的噪声信号相对较小，使用简单的奇异值点剔除方法和低通滤波处理即能满足要求而且还能降低开发成本。2．3振动信号特征值提取众所周知由传感器直接获得的信息往往特征不明显、不直观，需要通过信号处理的方法把获得的信息进行变换处理、提取故障特征值信息。信号处理方法的选择、处理过程的准确性对诊断结果影响很大。传统的故障特征提取方法主要有时域分析方法和频域分析方法两种：》时域分析方法。时域分析方法就是直接利用时域振动信号进行分析并给出结果，这是最简单直接的振动监测方法特别是当含有明显的简谐成分、周期成分的时候这种方法十分有效。但是这种方法要求分析人员要有比较丰富的实际经验。>频域分析方法。由于在频率域中对原信号分布情况的描述能够提供比时域波形更加直观的特征信息因而频域分析方法被广泛的作为故障诊断的依据。频谱的获得主要通过傅里叶变换获得。2．3．1振动信号转化由上文可知风机无线振动在线监测系统得到的信号是通过加速度传感器采集到的风机振动的加速度信号，如果此时对风机信号的进行特征值提取则只能提取其加速度的相关特征值。显然只提取加速度的特征值是不能满足系统监测的需求的。因此在加速度信号提取以前需要对采集到的振动信号进行信号转化：速度、位移信号转化，FFT转化等等(1)数字积分得到速度和位移[47]14 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究由传感器收集到的加速的信息变换到速度和位移信息一般通过积分的方式获得。数字积分的方式多种，常用方法有两种：梯形积分法和Simpson积分法。这两种方法各有自己的优点和缺点：I)梯形积分法梯形积分法就是将曲线上的两点和横坐标轴之间的区域作为小梯形进行积分操作如图所示：Xlt⋯一⋯——⋯～——～⋯。一■-图2．3梯形积分图图中薯和薯一。以及At围成近近似梯形，则梯形积分的数学表达式(即该梯形的面积)为：y(尼)=垃喜竽其中k=l，2，3，4，⋯，N优缺点：梯形求积法主要优点是求积简单，求解速度快。但是缺点就是由于应用的是近似梯形求解，求解结果比较大的偏差只能应用在对于计算结果要求不是很高的场合。2)Simpson求积法[48]Simpson求积法是一种来源于Lagrange差值多项式的经典求积方法，在定积分近似求积中经常用到。其计算公式是：f途+誓+誓月叶+5●1一蕾，J＼。∑越l一6=、I，尼／J●一／y 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究其中k=3，4，5，⋯，N．1则Simpson求积法主要优点是使用了多个值进行求解图像相似性更高因而计算比较准确，但是速度相对较慢。3)算法选择及程序实现经过对比风机的计算需求已经使用的硬件性能选用梯形求积法进行速度和位移的求积因为由于风机的无线振动在线监测场合对于精度的要求不是很高而且可能需要同时处理十几个甚至几十个风机的数据因此对于处理速度的要求相对比较高因此梯形法求积是对于风机无线振动在线监测系统是一个不错的选择。根据梯形求积的求积公式可以得到梯形求积法的速度求积程序可以使用迭代函数迭代实现：v(f)：v(H)+At*翊掣业同样的速度求积程序实现：s(z)：s(H)+At*幽掣业(2)频域转化由于信号往往在频域比有在时域更加简单和直观的特性，所以很多时候将信号分析的工作放在频域中进行。而将动态信号从时1"4域变换到频率域主要通过傅立叶级数和傅立叶变换实现的。在工程实践中在现代计算机技术要处理的数字信号是离散的、长度也是有限的对他们的傅里叶变换就是离散傅里叶变换(公式)。但是由于离散傅里叶变换计算量过大、计算时间过长因此离散傅里叶变换在工程实践中应用的并不多。工程实践中通常使用快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransform)傅里叶变换。x(尼)=DF丁[x(，z)]_∑z(，1)嘭RN(k)x(以)=1DFT[x(k)]=寺∑x(七)陈破RⅣ(，z)』Vk=O快速傅里叶变换FFT是一种高效的傅里叶变换，由于解决了计算量大、数据占用计算机内存容量大的问题逐渐发展成为一种计算机实现中常用到的离散傅 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究里叶变化。由传感器采集上来的时域数字信号经过快速傅里叶变化就能够得到信号的频率响应。快速傅里叶变换FFT是对离散傅里和傅里叶函数(如图所示)的一种改进，减小它的运算量，利用DFT中的蝶‘周期性和对称性，使整个DFT的计算变成一系列迭代运算，从而大幅度提高运算过程和运算量的一种傅里叶变换方法。FFT转化方法有很多种，并且还在不断的发展中以适应不同的实际应用需求。常见FFT转化算法有两种：一种是以x(n)逐次分解成较短序列的方法称之为时间抽取法；另一种是以X(k)逐次分解成段序列的方法称之为频率抽取法。本文选择时间抽取法对进行FFT转化。下面对利用时间抽取法进行的快速傅里叶算法FFT进行简要介绍：①设序列点数Ⅳ=2M，M为整数。若不满足，则补零。将序列x∽)按n的奇偶分成两组：n为偶数时：x(2r)=五(，)n为奇数时：x(2r+1)=x2(r)②将X(k)=DFT[x(n)】进行计算得到Ⅳ一lx(尼)=胛丁[x(刀)]_∑x(聆)暇七n=0N12-lN／2-1=∑Xl(r)W焉rk／：+嚼∑恐(r)嚼：r=O=墨(尼)+蝶五(K)其中k，r=0，1，2，⋯，N／2．1XI(k)=∑xl(r)WN；：r=OⅣ／2-1X2(k)=∑恐(，．)噤③根据上面算法只能实现x(后)前一半，要想实现后一半要根据哟：的周17肚打嚓}r2X胁∑间+庸睬力2X胁∑脚= 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究期性得到X(k)完整表示形式为：X(尼)=Xl(尼)+形货X：(尼)x(尼)=xl(尼)一陟葛x2(庀)④不断重复以上过程得出终解。2．3．2特征值提取k=0，1，2，3⋯，N／2—1k=N／2，⋯，N一1(1)时域指标提取在时域分析法中通常要提取的特征量主要有均值、峰峰值、均方根值、歪度、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标、峭度指标、裕度指标等等多种参数。下面以一组测试信号【xl,x2，x，CNx．】为例对各个参数进行简要说明[49]：①均值。均值对故障诊断的意义不大，但是对于计算其他参数有很大的影响，因此将均值也作为一个需要提取的特征量：叉：三窆誓n百②绝对平均值。即先求绝对值再求平均值的方法。相对均值绝对平均值更能表现幅值的平均变化。阼蒋誓I③最大值。即波形的最大波峰或者波谷的值。Xmax=max(xi)(i_1．2,---,n)④峰峰值。峰峰值是指波形图中波峰和波谷之间的差值。X。=max(x／)一rnin(xi)(滓1，2，⋯，n)⑤均方根。[50]将N个项的平方和除以N后开平方的结果，即波形的均方根的结果。⑥方根幅值。Y=。▲／'ms 转炉除尘风机无线振动往线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究Xr=flS扛]2⑦歪度。[51]将N个项的三次方和除以N后的结果即为波形的歪度：甜：三窆#Gc=一7x：／'／百⑧峭度。[52]将N个项的三次方和除以N后的结果即为波形的峭度：∥=三窆#n百以上为风机振动监测过程中收集的时域的特征量。但是这些特征量都有单位即与机器的状态和机器的运动参数有关。为了去除这些干扰．-q-以计算部分的无量纲参数指标的。无量纲参数指标对信号幅值和频率变化均不敏感，相对有量纲参数无量纲参数指标是一种更好的机器状态监测诊断参数。常用的无量纲参数指标有：波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标以及峭度指标。①波形指标：趾寄②峰值指标c2两Xmax③脉冲指标仁首④裕度指标三：—Xm—ax么，⑤峭度指标K=东在这些时域特征值的有量纲特征量的作用有：歪度Q反映了信号幅值的分布 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究密度的不对称性；峭度13反映了信号幅值的分布密度的不对称性，峭度对幅值的变换非常的敏感因此峭度都可以用来判断探测信号中是否含有脉冲星故障；均方根值、方根幅值、绝对平均值和峭度等都会随着故障的发生和发展逐渐增大。无量纲特征值作用：峭度指标、裕度指标、和脉冲指标对用冲击类型的故障比较敏感，特别是在故障早期这些指标会有明显的增加是设备早起故障诊断的常用评价指标。(2)频域指标当风机设备的振动情况随风机故障发生变化时，势必会对风机振动的频率分布产生影响。因此通过描述风机振动的主频带的位置变化以及频率谱上能量分布的分散程度的变化可以对风机的故障情况进行很好的诊断[53】。由上节风机常见故障介绍中可以发现风机的同步振动会对其振动的一倍频和其他倍频产生较大影响因此频域的特征量的提取为提取风机主频以及倍频的值。2．4风机故障诊断在上一节中已经对风机的故障特征量进行了提取，在本节将通过对故障特征量的分析对风机的运行状态进行判断。风机故障的状态的识别方法有信息比较诊断法、参数变化诊断法、模拟实验诊断法、函数诊断法、故障树分析诊断法、模糊诊断法、神经网络诊断法等等。本系统选择比较诊断法和参数变化诊断法作为系统的诊断方法[54】，下面进行详细介绍：2．4．1信息比较诊断法所谓信息比较法就是对设备运行时振动的幅值峰峰值、歪度、峭度、频率、相位、均方根幅值等等特征值建立数据库进行存储并画出趋势分析图，尤其是每次大修之后都要对机器运行的多种信息保存下来。机器一旦出现故障或者每次对机器状态排查时就将当前数据与历史数据进行比较、分析特征值趋势变化并且结合故障诊断相关知识得出机器的当前运行状态的相关结论。在风机的故障诊断中通过对于风机振动的加速度、速度、位移、主频、歪度以及峭度指标等特征量的变化趋势比较进行诊断：首先，每次测量都分别提取并记录风机三通道(X、Y、Z)的关键故障特征量的值。然后，通过求平均值的方法依次求本小时的平均特征值(本小时内所有特征20 转炉除尘风机无线振动住线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究量的平均值)、本目的平均特征值(本日内所有小时数据的平均值)、本月的平均特征值(本月内所有日的平均值)、本年的平均特征值(本年内所有月的平均值)并在上位机软件的显示界面上依次显示出这些故障特征量的年度变化趋势、月度变化趋势、日度变化趋势。最后分析风机振动的峭度指标、歪度、振动曲线峰峰值等相关振动信息特征向量，当多个指标同时上升并超过一定限制就可判定风机运行出现故障，并可对频谱图等进行分析其中一倍频和除尘风机的不平衡故障关系比较密切、二倍频则和不对中故障以及轴裂纹等故障相关、三倍频主要反映轴松动等故障。[55]2．4．2参数变化诊断法机器的运转过程中产生的振动其各项特征值都有一个特定的阀值，一般来说当机器运转正常未出现明显振动时相关振动的参数会在阀值以下；当出现故障时会有不同的振动参数出现在阀值以上，届时可以判定故障出现。由于风机对于国民生产生活的重要意义和作用，国家在2001年发布了针对风机等大型旋转机械的振动的相关标准[56]GB6075．3．2001在该标准中对于风机振动的位移和速度的幅值进行了规定如图所示，可以依照该标准对于风机的运行状态进行判别。支撑类型区域边界位移均方根值／lam速度均方根值／(mm／s)A／B221．4刚性支撑B／C452．8C／D7l4．5A／B372．3柔性支撑B／C7l4．5C／D1137．1表2．1振动烈度分类表中A、B、C、D四个区域的具体意义是：区域A：新交付的机器的振动通常属于该区域；区域B：机器振动处在该区域通常可长期运行；区域C：机器振动处在该区域一般不适宜作长时间连续运行，通常机器可在此状态下运行有限时间，直到有采取补救措施的合适时机为止；区域D：机器振动处在该区域其振动烈度足以导致机器损坏。当系统运行时候每次收集数据以后对收集到的该组数据进行统计计算得到 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测方法研究该组数据的位移均方根值和速度的均方根值，并与国家标准中的振动的位移均方根值和速度均方根值进行比较，如果发现指标已经达到。当振动值变化超过在表2．6中的区域B上限值的250,／o时，这些变化应认为是显著的需要对该组数据对应的风机进行报警。2．5本章小结本章介绍了风机运行状况监测的具体实现算法和方法。第一节中介绍了风机的故障的常见故障以及这些故障在风机振动情况上的一些表征。第二节介绍了在系统中用到的风机振动信号的一些预处理的知识。第三节主要内容是风机故障的特征的一些集中体现：特征量，介绍了一些故障诊断中常常用到的特征量。最后一节介绍了如何使用这些特征量进行风机运行状况的判断。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构i殳i3转炉除尘风机监测系统总体架构设计根据本文提出的除尘风机的无线振动在线监测系统的设计方案对风机监测系统进行设计。本章重点介绍整套风机在线监测系统的系统组成、工作流程、关键模块并且针对设计过程中遇到的重点和难点提出了相应的解决方案。3．1在线监测系统技术指标出于对于风机的使用需求的分析以及现场的使用情况的考虑，对转炉除尘风机无线振动在线监测系统提出如下指标要求：1)该监测系统全部采用无线网络进行通信。2)传感器节点采用锂电池供电，支持低功耗模式，低功耗模式下电流小于lmA。3)传感器节点、激活节点等机械外壳要求防水、防尘。4)监控系统服务器能够方便的对于传感器节点及激活节点进行配置，配置同样使用无线网络进行。5)监控服务器能够将监测数据通过人机图像交互界面的方式显示出来并且可以进行数据存储。6)稳定性要求，监测系统能够长期稳定的在工作现场进行运行不能够出现系统软件及激活节点、传感器节点运行失败。7)单次采集时间应该在15s以上。3．2风机在线监测系统的设计要点介绍根据以上的针对监测系统的设计要求，对以下的设计过程中遇到的问题进行了解决：3．2．1无线网络标准的选择。根据风机在线监测系统的系统需求需要首先需要对无线网络的网络标准进行选择。目前常用的无线网络标准最流行的3个是ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和WI．FI。下面针对三个不同的网络标准进行叙述：(1)Zigbee技术概述 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设iZigbee是基于IEEE802．15．4的一种短距离、低功耗的无线通信技术。该协议是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。Zigbee技术可以实现在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。下面是对Zigbee技术优缺点的一些简要介绍：①zigbee技术优势>功耗较低>成本低>可靠性强>网络容量大>安全保密>工作频段灵活②ZigBee技术的一些不足：>传输范围小>数据传输速率低>时延不易确定(2)蓝牙(Bluetooth)技术①概述蓝牙，是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙技术采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2．4GHzISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。②蓝牙技术优势》数据传输>延迟小》稳定度24 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构i殳i>高度安全③蓝牙技术的缺点高速跳频使得蓝牙传输安全性极高，同时也限制了蓝牙传输过程中数据包不可能太大，哪怕是在宣传的高保真蓝牙耳机中，它的高低频部分也是被严重压缩的。WI．FI技术①概述Wi—Fi是一种能够将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的通信技术。Wi．Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi．Fi联盟(Wi．FiAlliance)所持有。目的是改善基于IEEE802．11标准的无线网络产品之间的互通性。使用IEEE802．11系列协议的局域网就称为Wi—Fi。WI．FI技术的优势>传输速率快>高移动性>覆盖范围广>辐射小>易扩展>传输可靠》组网便捷②WI．FI网络的缺点》功耗过高这也是WI．FI网络最大的缺点其功耗相对是Zigbee的上千倍左右，是蓝牙的几百倍。如此高的功耗在要求低功耗的场合通常是制约WI．FI使用的一个最大的限制。根据风机监测系统的系统需求传感器节点的无线通信具有如下几个特点①数据量相对较大，每个传感器采集15s数据基本可以达到160K左右；②容易发生无线碰撞问题。随着需要监测的风机的数量增多，需要安装多个传感器的时候很可能发生多个传感器并发同时进行数据传输造成网络拥堵的问题而且在数据量大传输速度慢的情况下这种情况极易发生；③无线 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设i模块的运行要求功耗要低，因为无线模块的供电单位是锂电池显然对于模块选择上低功耗是一个非常重要的考虑因素。④钢厂的干扰较大，有很多的金属设备等等对无线信号的传输造成干扰同时钢厂风机工作环境中无线环境较为复杂很可能同时存在多个无线对讲机、已存在的WI．FI无线信号、各种设备之间通信的其他无线信号等等因此采集数据的传输必须使用WI．FI进行传输。对于振动数据采集的数据量来说显然使用WI．FI进行振动数据传输最为合适但是WI．FI的功耗对于锂电池供电的传感器节点过大不能够保证传感器节点的长时间正常运行。因此本着扬长避端的原则笔者提出了Zigbee无线网络激活加WI．FI数据传输的架构方式。通过Zigbee进行日常的数据通信并在非振动数据传输的时候都将WI．FI模块关闭电源这样就保证了WI—FI功耗的最大程度的降低。在振动数据集完成以后开启WI．FI模块并通过WI—FI进行大规模的数据的快速传输。这样的架构方式基本即解决了zigbee等无线网络标准大量数据传输过程中遇到的由于传输速度较低倒是传输时间过长的问题也解决了WI．FI的功耗问题。3．2．2系统可靠性的保证系统的可靠性要求包括两个方面，一方面系统对于自身运行的稳定性和可靠性有着要求，另一方面对于无线通信的稳定和可靠性的要求。对于自身系统运行的可靠性一方面要求在系统设计过程中对于系统进行把控，确定系统软硬件设计上实现稳定性和可靠性。而对于无线通信的稳定性特别是在钢铁厂无线环境复杂并且多于扰的情况下的无线通信稳定性提出了极大的考验，针对存在的问题笔者从如下几个方面进行了通行可靠性和稳定性的保证：1)上节所介绍的在无线标准选择上选择了标准传输标准相对较为完善的WI．FI模块，因为WI．FI模块对于碰撞等情况的发生已经有成熟完善的通信协议进行保证。2)在传输协议的选择上选择面向连接的TCP可靠传输协议3)在上下位机通信时候确定了一定格式的通信协议，在上下位机接收到命令后可以先根据命令格式校验该命令码是否是正确的命令码保证了命 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设计t令的正确传送。4)对于大包传输上来的数据分别进行校验，对于空包、错包等进行重发操作保证数据正确性。5)利用超时机制对于未能够成功激活的传感器节点进行重复激活等手段提高成功率。3．2．3系统低功耗保证根据风机无线振动在线监测系统的设计要求，无线传感器节点的供电由锂电池提供，显然在锂电池供电的场合在系统设计过程中需要进行低功耗考虑，笔者在进行低功耗设计过程中从如下几点进行解决：1)在系统架构设计上采用了Zigbee激活加WI．FI数据传输的双网络标准的方式。利用Zigbee低功耗的特点进行日常命令交互，利用WI．FI能够快速进行大数据量传输的特点进行数据的传输。2)在元器件选择的时候选用低功耗元器件，包括核心控制部分才用NI公司低功耗的MSP430单片进行控制，在其他的WI．FI、zigbee无线模块选择上也是选用了低功耗的元器件以达到降低功耗的目的。3)无线传感器节点的运行方式采用模式切换的方式在低功耗模式以及工作模式进行切换。在低功耗模式情况下，切断WI．FI模块以及Zigbee模块电源，切断传感器电源、核心控制模块进入低功耗运行模式。3．2．4上下位机通信协议确定显然上下位机在正式进行软硬件开发之前应该进行通信协议的确定。命令码的确定一方面确定了上下位机通信的格式，方便了上下位机的通信也方便了上下位机的开发。所有的命令由起始码(1字节)，命令码(1字节)，数据内容(N字节)，校验码(1个字节)，结束码(1字节)组成。每条命令总长为4的倍数，如果不足则补齐。基本格式如下表格起始码命令命令码数据内容校验码结束码类型1字1N字1字节节(样)字节节(S)经过商议总结共有命令码18条分别为： 转炉除尘胍机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设训1)响应无线节点激活命令包2)无线节点写入ID命令包3)响应无线节点写入ID命令包4)无线节点写入或读取灵敏度命令包5)响应无线节点写入或读取灵敏度命令包6)无线节点写入或读取采集参数命令包7)响应无线节点写入或读取采集参数命令包8)无线激活节点心跳包9)响应无线激活节点心跳包10)无线传感器节点激活命令包l1)无线传感器节点激活命令包12)无线传感器节点写入ID号和灵敏度命令包13)响应无线节点写入或读取灵敏度命令包14)无线传感器节点写入或读取采集参数命令包15)响应无线传感器节点写入或读取采集参数命令包16)无线节点激活命令包17)无线传感器节点重新上传采集数据命令包18)无线传感器节点上传采集数据包3．3系统的总体组成3．3．1系统组成简介根据除尘风机的以上工作需求进行了风机振动在线监测系统的无线方案实现的架构设计。整个除尘风机无线振动在线监测系统的系统组成如图所示，由传感器节点部分，激活节点部分，服务器部分，无线局域网架设部分等几部分组成。激活节点部分与服务器进行的通信通过WI．FI模块进行，激活节点与传感器节点的通信通过ZigBee进行。传感器收集到的数据通过WI．FI传送到服务器主机。服务器主机的将数据进行预处理、分析、提取特征值、运行状态判断等操作。服务器分析处理的结果存储在服务器中供后期研究使用。风机的运行状态由服务器以人机交互的方式呈献给技术人员。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设if卜L{囊-蟛鲞掌拳掌缀魏2凝橇4图3．1系统架构图3．3．2系统工作原理上位机服务器需要采集风机的振动数据时发送传感器的激活命令到激活节点。激活节点接收到服务器的激活命令以后对该命令进行解析，确定该命令为激活命令以后通过无线模块激活传感器。传感器接被激活后将传感器状态调整为采集状态开始进行数据采集。采集完成以后开始连接服务器，连接成功以后将采集到的数据发送到服务器。服务器接收到采集到的数据后对数据进行校验，确认无误以后发送接收完成命令给传感器。传感器接收到命令后从激活状态重新进入到低功耗状态。服务器开始进行数据处理并对风机工作状态进行判定，完成以后打印分析结果。3．4系统关键组成部分介绍3．4．1传感器节点部分传感器节点是工作在风机工作现场的主要功能就是负责现场信息(包括振动信息，温度信息等等)的收集另外还兼具数据传输、节点之间的通信、各个功能模块之间的协调等功能。根据功能需求本着模块化设计的思想可以将传感器节点部分分为核心控制模块、Zigbee通信模块，WI-FI数据传输模块、加速度传感器模块、温度传感器模块、电源管理模块等几个主要模块。这些模块都在核心控制模块的统一控制下进行有条不紊的工作并29 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设i随时接受服务器的命令。图3．2传感器节点3．4．2激活节点部分激活节点是作为服务器和传感器之间通信的桥梁存在的。激活节点与服务器主机进行的通信是通过WI．FI实现的，并通过互发心跳包的方式一直保持这一连接。激活节点与传感器模块进行通信通过Zigbee模块进行的其联通方式是通过一定时间内的激活进行。激活节点的其主要作用就是转发服务器发送给传感器的相关命令并对传感器的命令执行情况进行一个反馈。根据激活节点的功能需求本着模块化设计的思想可以将激活节点部分分为：核心控制模块、Zigbee通信模块、WI．FI通信模块、温度传感器模块、电源管理模块等5个模块。图3．3激活节点3．4．3服务器部分服务器是作为整套风机监测系统的核心，其控制着系统其他部分的动作。在运行过程中通过WI．F1分别与激活节点和传感器节点进行通信和数30 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统总体架构设iI据传输。其具体功能有系统运行控制功能、通信功能、数据接收功能、数据处理功能、传感器配置功能、激活节点配置功能、数据存储功能以及交互功能。服务器部分的设计主要是软件的设计，在软件设计过程中可以根据功能块的不同进行模块化设计。图3．4服务器部分3．5本章小结本章依照总分的结构一开始就对风机无线振动在线监测系统的监测方案进行了架构上和工作流程上的总体概述。接下来笔者对于风机的关键组成部分进行了简单描述并提出了一些监测系统的开发标准和要求。在最后部分对风机监测系统的开发难点进行了总结并提出了一系列针对性的包括低功耗、无线标准选择、通信协议等解决方案。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案4转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案依照上一章介绍的系统的总体架构开始进行了系统硬件平台的搭建。硬件平台搭建的主要涉及的工作有局域网的组网、系统服务器的选取、激活节点的硬件设计、传感器节点的硬件设计以及设备防护外壳设计等。其中激活节点以及传感器节点的硬件设计涉及到元器件的选取、电路设计等等是硬件实现方案的重点其他部分的工作主要是设备的选取工作。4．1传感器节点设计与实现4．1．1传感器节点硬件架构图传感器节点工作在风机的运行现场负责风机的各种运行信息的收集。传感器节点由振动传感器、温度传感器、核心控制模块、WI．FI模块、zigbee模块、电源模块以及机械外壳等组成。这些模块在核心控制模块的统一的控制下有序运行。传感器节点的硬件架构如图所示：图4．1传感器节点硬件线路图传感器节点由3．7v锂电池进行供电，先由电源转化模块将3．7v锂电池电压转化为3．3V使用电压。SRAM和WI．FI使用3．3V电压单独供电，振动传感器、温度传感器、zigbee无线模块以及核心控制模块使用3．3V单独供电。WI．FI模块和SRAM模块在低功耗的模式下切断电源停止。传感器的采样频率为1K每次采样15s，因此采集数据量相对较大，为了进行有效的数据存储采用了外部SRAM 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案方式进行数据的存储并通过并口与主控制器相连。4．1．2核心控制模块选取显然WI-FI模块、zigbee模块、振动传感器模块，温度传感器模块等传感器的各个功能模块都需要相互协调才能正常的进行工作，因此需要一个控制模块对于各个模块的动作进行一个整体的协调。显然在核心控制模块的选择是需要综合考虑系统运行的可靠性、工作性能、系统功耗等方方面面的因素。经过一系列的综合比较选择了TI公司的16位带FLASH的超低功耗的MSP430149单片机。下面对该单片机进行一些简单的介绍：MSP430F149单片机是一种新型的混合信号处理器，由于其性价比以及集成度都很高因此受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位总线，外设和内存寻址范围可达64K而且还可以外扩展存储器。有丰富的片上外围模块：精密硬件乘法器、一个14路的12位的模数转换器、两个16位定时器、看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟。由于为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET(FLASHEMULATIONTOOL)的相连，不需要另外的仿真工具。可靠性能好加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。适合与做手柄之类的自动控制的设备。MSP430F149单片机主要具有如下特点：>低电压、超低功耗。工作电压3．3V，等待方式下工作电流为1．3WA，在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0．1uA>具有12位的模数转换器(ADCl2)，可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。>拥有大容量的存储空间。存储器方面包括多达60kFlashROM和2kRAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要。>两通道串行通信接口。可用于与计算机进行异步或同步串行通信。>硬件乘法器。该乘法器独立于CPU进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了CPU的利用效率。>串行在系统编程。通过仿真器对程序进行下载，并通过专用软件对程序及单片机的工作状态进行监控，极大地方便了程序的调试 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案4．1．3振动传感器模块选取(1)传感器选择原则传感器模块的核心工作就是风机振动信号的采集，因此传感器选择是风机监测系统传感器模块设计的一个重点。随着科技的发展为了适应日新月异的测量需求，传感器的种类数量也是日益增多在给科研人员的测量工作带来便利的同时也使得传感器的选取开始成为一门学问。单从振动传感器来说其数量和种类也是十分庞杂的从按机械接收原理分：相对式、惯性式；按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。如何才能够从如此庞杂的传感器中选择一个适合的传感器需要遵从如下传感器选择原则：>根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。结合本次设计的具体情况即要考虑如下一些具体问题：①测量的数据类型是位移、速度还是加速度；②对传感器体积大小的要求；③传感器测量方式为接触式还是非接触式；④传感器信号的引出方法；⑤传感器经济性。综合考虑以上传感器的选型原则我们所需的传感器需求应该是：传感器的体积最大不能超过5mX5m×5m，传感器测量方法为接触式、传感器的信号的引出方法为电信号、传感器价格便宜、测量的数据类型为加速度式的。>灵敏度和信噪比的选择。一般来说传感器的灵敏度应该是越高越好但是太高的传感器灵敏度会引入不需要的干扰因素。因此在选择高灵敏度的传感器的同时需要同时考虑高的信噪比，无疑这些会增加传感器的成本。而在风机无线振动在线监测系统中所需的传感器数量是很大的因而成本的控制也是需要着重考虑的一环。所以而灵敏度的选择必须考虑竞技性因素以求达到成本和灵敏度的平衡。》频率响应特性。频率响应简称频响，英文名称是FrequencyResponse。在电子学上频率响应用来描述一台仪器或者元器件对于不同频率的信号的处理能力的差异，同失真一样也是一个非常重要的参数指标。》线性范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。显然线性范围越是宽泛，其量程越大。因此线性范围的考虑应该是与量程的考虑 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案相结合起来。当然绝对线性的传感器线性范围是不存在的，通常指的线性范围是指线性误差在可接受范围以内的情况。在实际的传感器选择中通常根据传感器的量程选择线性范围更加直观，根据实际的风机振动测量情况选择量程在±69的传感器。>稳定性。传感器使用一段时间后其性能保持不变的能力称为稳定性。较高的传感器稳定性也是保证系统能够长时间稳定运行的基本保证。因此要求所选的传感器能够有很好的环境适应能力。>精度。精度是传感器的重要指标，他关系着整套测量系统的精度。但是高的精度也会导致造价的上升所以在选择传感器时需要保证传感器的精度和经济性的平衡。(2)传感器选择根据上节提到的传感器选择的相关原则以及本系统设计中所需的传感器指标和需求对于振动传感器进行选择。经过对于大量的传感器进行比较和分析选用FreeScale公司的MMA7361加速的传感器芯片。MMA7361加速度芯片是一款低功耗、超薄型的电容式加速度传感器。该传感器具有信号调节、低通滤波、温度补偿等特性并且已经有09补偿和并且在出厂前已经进行了灵敏度设置不需要再进行设置。该传感器可以在69和1．59两个量程进行切换。该传感器还可以进入休眠状态，非常适合使用在电池供电的低功耗场合。该传感器具体指标如下：》大小：3mm×5mm×1．0mm，LGA．14封装》工作功耗：低电流消耗：400laA>休眠功耗：休眠模式：3uA>工作电压：低电压工作：2．2V．3．6V>灵敏度：高灵敏度(800毫伏／g@1．59)>可选量程：±1．5克、±6克>相应时间：快速启动时间(0．5毫秒启用响应时间)>自我测试的自由落体检测诊断>09检测，可实现自由落体防护>信号调理与低通滤波器>稳健设计，高冲击生存能力 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉赊尘风机振动监测系统硬件实现方案>符合RollS标准>安全环保》低成本图4．2振动传感器4．1．4温度传感器选择温度传感器也是风机监测的一个必选项，一方面可以对风机的工作温度进行一个掌控另一方面也对该系统的工作温度进行了跟踪避免过高或者过低温度对于系统性能的影响和伤害。温度传感器的种类相对也比较繁多按照工作原理可分为热电偶式和热敏电阻式两种，其工作原理和适用场合各不相同：>热电偶式热电偶工作原理就是：热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。但是电压和温度间是非线性关系因此需要进行修正从而对其精度造成不良影响。热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种工作环境，而且结实、价低，无需供电，也是最便宜的。但热电偶并不适合高精度的测量和应用。>热敏电阻式热敏电阻的工作原理：热敏电阻是用半导体材料构成的并且大多为负温度系 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度有较好的精度但它比热偶式传感器要贵，可测温度范围也小于热电偶式传感器。最后由于电阻在通电时都会有发热问题尤其在热敏电阻一般非常小的情况小该问题相对突出，因而在使用时也要进行考虑。热敏电阻式非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。采用由于系统基本工作在室温中即大约．30。C．85。C而且对于温度的测量的实时性、精度要求都不是很高因此综合考虑使用场合以及经济性等方面的问题选择了热电偶式的传感器。经过综合的比较和挑选最终选择了DSl8820温度传感器，如图所示。DSl8820数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DSl8820可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。该传感器具体指标如下：>独特的单线接口方式，DSl8820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSl8820的双向通讯。>测温范围一55℃,---,+125。C，固有测温误差(注意，不是分辨率，这里之前是错误的)1℃。>支持多点组网功能，多个DSl8820可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。>工作电源：3～5V／DC(可以数据线寄生电源)>在使用中不需要任何外围元件》测量结果以9～12位数字量方式串行传送 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案>不锈钢保护管直径06》适用于DNl5～25，DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温>标准安装螺纹MIOXI，M12X1．5，G1／2”任选>PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。酾◇r燃薯￥篁浆％薯《≥一努2(矜黪熏瑟瑟2◇◇Q燃e&eG瓣D8-PixlbtSOP转Sl器舄2◇Wj图4．3温度传感器4．1．5WI-FI模块选择WI．FI模块的主要功能是实现采集数据的上传，根据钢厂的实际应用提出如下性能要求：①由于数据量相对较大要求WI．FI传输的准确率和稳定性要高；②由于运行于电池供电设备因此要求WI-FI的功耗要低；③在钢厂多种无线信号混杂的情况下要求WI．FI模块的抗干扰能力要强；④在风机分布相对较为分散的钢厂应用中要求WI．FI模块的覆盖范围要足够广泛。经过综合比较挑选选择HF．LPBWI．FI模块如图所示。介绍如下：HF．LPB超低功耗嵌入式Wi．Fi模组提供了一种将用户的物理设备连接到Wi．Fi无线网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模块硬件上集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器；嵌入式的固件则支持Wi．Fi协议及配置，以及组网的TCP／IP协议栈。是一款一体化的801．11／b／g／nWi．Fi的低功耗解决方案。通HF．LPB模组，传统的低端串口设备或MCU控制量一睡t■■■■■■■■■■■■■■■■■l一一～～ 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案的设备均可以很方便的接入Wi．Fi无线网络，从而实现物联网络控制与管理。HF—LPB实现AP+STA共存组网模式，同时支持P2P，Wi．Fidirect组网，支持无线升级Wi．Fi固件和无线升级客户MCU程序。HF．LPB模块的相关性能指标：》支持802．1lb／g／n无线标标准>尺寸：23mmx32．5mmX2．9mm>工作温度：．40。C．85。C>工作电流：持续发送时候200mA；正常模式平均0．5mA，峰值200mA；与AP保持连接但无数据传输时候5mA；深待机时候小于2uA。>工作电压：3．1V～3．6V>数据接口：UART>频率范围：2．412GHz．2．484GHz>全集成的串口转Wi．Fi功能，无需加载任何外部软件>超低功耗，卓越省电机制，适于电池供电应用>支持UAR驯SPI肘SB／PWM／GPIO数据通讯接口>支持STA+AP共存工作模式>支持Wi．FiDirect工作模式>支持无线和远程升级固件>可选内置板载或者外置天线>提供丰富AT+指令集配置>自定义Web网页，支持SDK二次开发>产品通过FCC／CE／IC／TELEC／A．TICK标准认证一鬻磐s镧图4．4Wi．Fi模块40 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案4．1．6ZigBee模块选择Zigbee模块主要用于激活节点与传感器节点之间的通信使用。根据使用钢厂的使用环境提出如下性能要求：①由于用于电池供电场合所以要求模块的功耗要低；②由于钢厂风机相对较为分散因此要求其覆盖范围要够广泛；③要求抗干扰能力要强，保证传感器的激活率；④经济性要求。经过比较分析选取CC2530Zigbee模块如图所示。CC2530模块的简要描述：CC2530是用于2．4一GHzIEEE802．15．4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32／64／128／256，分别具有32／64／128／256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。适应2．4GHzIEEE802．15．4的RF收发器>极高的接收灵敏度和抗干扰性能>可编程的输出功率高达4．5dBm》外接元件少》只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要>6-mmx6．IIUTI的QFN40封装>适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：ETSIEN300328和EN300440(欧洲)，FCCCFR47第15部分(美国)和ARIBSTD．T-66(日本)>工作电流：主动模式RX(CPU空闲)24mA；主动模式TX在1dBm(CPU空闲)29mA；供电模式1(4laS唤醒)0．2mA；供电模式2(睡眠定时器运行)1uA；供电模式3(外部中断)0．411A。>电源电压：2V一3．6V>优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核>32KB、64KB或128KB的系统内可编程闪存>8KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力》支持硬件调试41 转炉除尘风机无线振动住线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案>强大的5通道DMA》IEEE802．5．4MAC定时器，通用定时器(一个16位定时器，一个8位定时器)》IR发生电路>具有捕获功能的32一kHz睡眠定时器>硬件支持CSMAJCA>支持精确的数字化RSSI／LQI>电池监视器和温度传感器>具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC>AES安全协处理器>2个支持多种串行通信协议的强大USART>21个通用I／O引脚(19x4mA，2×20mA)>看门狗定时器4．2激活节点设计与实现激活节点负责着系统命令的发送以及传感器节点的命令反馈，是传感器节点与服务器之间的桥梁和纽带。风机无线振动在线监测系统激活节点主要由WI．FI模块、2．4Gzigbee模块、温度传感器模块、电源管理与转化模块以及微控制器模块组成。激活节点的硬件架构图如图所示：42 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案图4．6激活节点硬件线路图激活节点由3。7V电源进行供电，先由电源转化模块将3．7V锂电池电压转化为3．3V使用电压。SRAM和WI—FI使用3．3V电压单独供电，温度传感器、zigbee模块以及核心控制模块使用3．3V单独供电。激活节点的相关元器件性能要求都与传感器节点基本相同，本着降低设计工作量的原则使用原激活节点的相关元器件。即CC5230zigbee无线单元、HF．LPB无线WI—FI单元、MSP430F149单片机、DSl8820温度传感器单元。由于不需要很大的数据量所以不需要外扩的SRAM。4．3系统服务器的选取系统服务器是整个传感器的控制中枢负责着整个系统的有序运行同时对于采集上来的数据进行接收和处理。该服务器运行于钢厂中其运行环境多噪声、高温、高灰尘在选取服务器时需要这种这些因素。经过对现有服务器进行筛选，选定了研华IPC．610L工控机如图所示。IPC．610．L是一款4U高关键任务应用的19”上架式工业计算机机箱，它能容纳14槽PCI／ISA的背板或者商用主板，并且支持的电源型号相当广泛，机箱前面板上有带锁的门以防止非正常的操作，机箱内的气流由一个热插拔冷却风扇来控制，IPC．610L能抗冲击，震荡，并且能工作在粉尘的恶劣环境下。非常适合钢厂的恶劣环境。另外支持ATX母板或多达15槽的PICMG无源底板抗冲击磁盘驱动器托架可支持3个5．25”和1个3．5”磁盘驱动器；独特的固定压条设计带有橡胶垫脚，可以防止卡受到冲击或振动造成的损坏；电源和HDD活动性通知，改善系统性能；前部可访问空气过滤器，方便系统维护；可锁前门，防止未经许可的访问；灵活的机械设计，支持250W单PS／2和冗余ATX电源。其功能特征参数如下：>机箱：研华IPC．610L，4U，19”标准上架>处理器：双核E5300(可选E7300Q6600)>CPU主频：2．6GHz>内存：2G(可选4G)>CPU缓存：一级缓存：64KB，二级缓存：2MB>硬盘：500G43 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案>光驱：DVD>主板：SIMB—A01(可选AKMB．G41．AIMB．562L)》串口：4个RS--232串口(其中1个RS485口)》USB接口：前置2个USB2．0接口／后置4个USB>KB／MS：有>工作温度：一10—50℃>储存温度：20～60。C，相对湿度5～95％4．4局域网组网4．4．1局域网组网设备选择这里所说的局域网即无线局域网。无线局域网中有两种网络节点：STA(station)无线站点，即符合802标准的无线移动终端：AP(AccessPoint)接入点又名网络桥接器，除具有STA功能外还具有桥接功能连接着无线局域网络和有线主干网络。无线局域网的组网模式可以分为Infrastructure模式和Adhoc模式两种模式。而两种模式则是依靠是否存在AP区分的：>Infrastructure模式。该模式中局域网络由若干个STA和一个AP组成，STA之间的通信通过AP进行转发>Adhoc模式。该模式中局域网络由多个STA组成没有AP，STA之间互相直接通信。该模式下不能访问有线网络资源。由于两种模式的组网方式不同导致其组成的无线局域网络在性能等方面各有如下不同：1)Infrastructure模式的基础架构是需要固定的中心控制的，但AD．HOC不需要；2)Infrastructure模式的自组织能力差，AD．HOC可实现自我接入网络的能力：3)在实现多条路由的功能时，AD．HOC之需要普通的路由节点即可实现，而Infrastructure需要专用的路由器完成；4)拓扑结构：Infrastructure模式一般是传统的拓扑形式，如心型，环形等，但是静态设置的；而AD．HOC是动态实现的两种模式由于性能等方面各不相同，因而应用的场合等也不尽相同。其中 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案Infrastructure模式由于可以实现对有线主干网络资源的访问因而应用范围最为广泛，而Adhoc模式由于不需要组网设备应用比较灵活在很多的场合诸如传感器网络、军事应用等都有非常广泛的应用。由于一方面从长远发展来看无线振动在线监测的系统数据肯定要实现网络上的共享和传输肯定需要连入有线主干网络另一方面在大数据量传输时候传输速度较快因而局域网的组网方式选择上选择了Infrastructure模式的组网方式。选择Infrastructure模式则需要选择网络桥接器，由于一般现在没有直接的网桥卖，基本上这个功能都集成到路由器(Router)或者交换机中了。因此需要对路由器进行选择。所谓路由器是指连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号的设备。经过综合比较选择了适合工业场合的摩托罗拉6521路由器。该工业路由器的性能参数如下：>尺寸：15．24cm(长)x13．97cm(宽)x4．11(高)cm>支持的数据传输率：802．1lb／g：l、2、5．5、11、6、9、12、18、24、36、48和54Mbps；802．11a：6、9、12、18、24、36、48和54Mbps；802．1In：MCS0．15，最高300Mbps。>网络标准：802．1la、802．1lb、802．1lg、802．1ln。>无线技术：直接系列扩频(DSSS)、正交频分复用(OFDM)和空间复用(MIMO)>工作信道：5GHz：从5180MHz至5825MHz的所有信道：2．4GHz：2412．2472MHz；实际工作频率取决于各个国家的法规限制>最大有效发射功率：27dBm>发射功率调节：ldB步长>工作温度：320F至1040F／00C至400C>存储温度：．400F至1580F／．400C至700C>工作湿度：5％．95％(非冷凝)》工作海拔：8,000英尺／2438米>存储海拔：15，000英尺／4572米>静电放电：+／．15kV(空气)+／．8kV(接触)45 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案》工作电压：802．3af电源：48VDC@12．95W(典型值)；36VDC至57VDC(范围)》工作电流：270mA4．4．2局域网的拓扑图结构选择局域网的拓扑网络图有星型结构、总线型结构、树状结构、网状结构、蜂窝状结构及分布式结构等。下面进行简单介绍：(1)星型结构是用集线器或交换机作为网络的中心节点，网络中的每一台计算机都通过网卡连接到中间节点上，计算机之间通过中间节点进行信息交换，各节点呈星状分布。星型结构是目前在局域网中应用最为普遍的，在企业网络中几乎都是采用这方式。星型网络几乎是Ethemet(以太网)网络专用。该网络拓扑结构特点：>成本低：它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线，这种传输介质相对来说比较便宜。>节点扩展、移动方便：节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一根线，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移到新节点即可；>维护容易；一个节点出现故障不会影响其它节点的使用和连接，可任意拆走故障节点；>采用广播信息传送方式：任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到；>网络传输数据快(2)环状结构环型网络拓扑结构主要应用于采用同轴电缆(也可以是光纤)作为传输介质的令牌网中，是由连接成封闭回路的网络节点组成的。该网络拓扑结构特点：>网络路径选择和网络组建简单。>投资成本低。>传输速度慢。>连接用户数非常少。>传输效率低。>扩展性能差。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统硬件实现方案>维护困难。(3)蜂窝拓扑结构蜂窝拓扑结构是无线局域网中常用的结构。它以无线传输介质(微波、卫星、红外等)点到点和多点传输为特征，是一种无线网，适用于城市网、校园网、企业网。(4)网状拓扑结构这种拓扑结构主要指各节点通过传输线互联连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连．网状拓扑结构具有较高的可靠性，但其结构复杂、成本较高、不易管理和维护、不常用于局域网。网状拓扑结构一般用于Internet骨干网上，使用路由算法来计算发送数据的最佳路径。4．5本章小结本章着重介绍了系统的硬件设计与实现。本章分别对传感器节点设计、激活节点设计、系统服务器、局域网的组网等系统单元进行了介绍内容涉及架构设计、元器件选型等等。其中传感器节点和激活节点的设计是本硬件设计的重点，进行了重点的介绍。47 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案5转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案5．1系统上位机软件实现上位机软件运行于上位机服务器中，是整个系统的重要组成部分实现了对整个系统的运行进行协调和控制以及与用户之间的人机交互。笔者通过现代编程技术对上位机软件进行了功能实现依次通过软件功能需求分析、框架确定、流程确定到功能实现和技术难点解决完成整个上位机软件系统的设计。5．1．1上位机软件总体设计(1)上位机软件需求分析为了使得上位机能够对整个系统实行有效的协调控制并能够对用户的监测需求得到满足上位机软件需要实现以下功能：1)与下位机有效通信根据系统的设计要求，上位机软件要对系统的各个部分和模块的动作进行统一的控制和协调，因此需要上位机软件的命令能够明确、高效的到达每个受控模块并且能够有效的接收下位机的反馈信息。2)数据接收根据系统的设计要求，传感器模块需要将采集到的数据发送到给上位机服务器，因此上位机软件需要有数据接收功能对传感器节点采集到的数据进行准确、高效的接收以便于对于数据的后续处理。3)数据处理显然上位机软件需要对接收到的数据进行一个分析和整理。首先上位机软件需要对采集到的数据进行滤波处理、其次上位软件需要对数据进行一个转化将数据转化为所需的类型最后上位机软件还需要对数据进行提取特征值、运行状态判断等分析处理。4)数据存储和回放对于经过处理后的数据以及接收到的原始数据都要进行存储以对风机的整体的运行状况进行跟踪、为以后风机无线振动在线监测系统的升级和改造提供依据、为风机数据的后续算法研究提供素材。5)风机配置风机监测系统的运行参数势必需要根据不同的使用环境、不同的使用需求进48 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案行一些调整因此该风机监测系统上位机软件需要能够对于风机监测系统实现一定的配置功能。6)显示风机监测系统实行可视化监测，因此需要将风机的运行信息及时打印在屏幕上。(2)上位机程序框架确定通过对于上位机软件的功能需求分析对于上位机软件功能需求进行了确定。根据上位机软件的功能需求对上位机进行模块化的框架确定以方便后续的程序开发。将全部的软件功能供分为通信模块、数据接收模块、数据处理模块、显示模块、存储模块、系统配置模块、设备管理模块以及回放模块等几大功能模块分别实现。几大模块的关系同如图所示：曩鬻瀵鬻鬻羹；鬻鬻凝鋈潼黧囊鬻鬻攀鞫霞i鬓鬻l鬻弱麓鬃一—_j褰i：§《i黧霪璧馨鬻嚆囊鬻攀霍蜜遴蕊鍪鎏篷鳖遴鋈图5．1软件模块图(3)上位机工作流程简介：当上位机软件开启之后，采集软件开启心跳监听线程监听端口2233，激活节点会按时向端口2233发送连接命令。当心跳监听线程接收到激活节点的连接命令以后开始于激活节点进行互发心跳包以保持该激活节点和上位机软件之间通信的保持。当激活节点因故断开即监听线程超过一定时间为收到激活节点的心跳包数据，则重新开始对端口进行监听接收激活节点的连接。当需要采集数据时由上位机通过socket向激活节点发出采集命令并且发送命令之前检查与激活节点的连接状态并对发送命令的反馈进行检查，如果命令成功发出则打印发送成功命令；如果命令发送失败对命令发送失败命令进行打印。发49 转炉除尘腻机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案送同时对已发送采集命令的对应传感器进行标记并开启监听线程监听端口5566。当传感器被成功激活并完成数据采集以后开启wi—fi模块对上位机监测软件进行连接。当监听线程接收到传感器节点的连接请求以后记录传感器节点的连接socket号为该传感器单独开启一个接收线程接收传感器节点发送的振动数据。当接收线程接收数据完成以后开始对数据进行校验，通过校验以后对数据进行后续的处理；未通过校验的数据将出错的数据包的包号反馈给传感器节点进行重新发送；超过一半的数据包都出错时进行重新发送全部数据包。对成功接收的数据进行数据处理首先对数据进行滤波然后对数据进行速度、位移的、频谱的变换，变换完成以后对数据进行提取特征值操作提取的特征值包括加速度、速度、位移峰峰值、主频等等。完成一系列的操作以后对数据进行判断以确定风机的运行状态。超过一定时限以后对全部的传感器进行校验，对未能成功上传的传感器节点进行重新的激活。当这些操作都全部完成以后将风机的振动曲线在系统软件的主频上进行显示，并将特征值数据以及其他振动数据进行存储，特征值数据存储在“．xml”文件中，振动数据存储在“．txt”文件中。当需要对传感器进行配置操作的时候，首先由上位机软件通过socket向激活节点发出相应的操作命令码发送命令以前对激活节点的连接状态进行检查并对命令的发送结果进行采集并对结果是否成功进行打印和提示。激活节点收到操作命令码以后对命令码进行校验，校验通过以后转发给传感器。传感器根据命令码进行相应的配置操作，操作成功以后发送相应的反馈命令给激活节点，激活节点转发给上位机软件。上位机的心跳监听线程收到命令码以后对命令码进行解析并通过解析结果在屏幕上打印相应的操作结果。当收到成功完成命令以后结束该命令的相应操作并在屏幕上打印成功提示。当收到未能成功收到反馈命令超时以后打印失败提示。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案开始／7+。厂—一：、、自动或自动、不成功则是4．2上位机流程图51 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案5．1．2软件运行与开发语言简介(1)运行平台显然上位机软件需要运行于某一操作系统之上，通过操作系统层对于计算机硬件的屏蔽达到简化开发和平稳运行的目的。目前主流的操作系统主要有Unix(又可分为Linux和Mac)和Windows两大类。出于开发使用习惯考虑使用经典的Windows7操作系统作为软件的运行环境。Windows7是由微软公司(Microsoft)开发的视窗操作系统，核心版本号是WindowsNT6．1。Windows7可用在家庭及商业工作环境、笔记本电脑、平板电脑、多媒体中心等多种场合。Windows7继承自经典的WindowsXP操作系统但其相对于WindowsXP操作具有更快的运行速度和更好的人机交互界面。Windows7操作系统采用了WindowsNT的底层内核，抛弃了传统的DOS模式，无论是系统运行的稳定性还是内存管理的有效性，都得到了大幅度提高。Windows操作系统提供了丰富的API调用指令，可以快速实现程序的开发。Windows7作为基于图形用户界面的多任务操作系统，完美的结合了WindowsNT的安全性、可靠性与Windows2000的友好性和易用性，广泛应用于工业领域，积极推动了测试技术的发展。(2)开发语言经过对软件开发的需求进行分析并对开发过程中所需要实现的功能进行汇总，在此基础上对于软件开发所需的语言进行了对比和选择。经过认真的选择和分析最终选择了C++语言作为本次软件开发的开发语言。下面对C++语言进行简要介绍：C++语言是当今两大热门语言之一(另一门是Java)，在世界上的应用十分广泛。C++语言是由贝尔实验室的BjameStroustrup在以C语言为基础并借助Simlula的设计思想进行设计的既具有C语言所具有的可适应性和高效性，又能在其程序组织结构方面具有像Simula那样的语言设施。在设计的时候，还做了很大的努力，使得引借自Simula的高层次的程序设计技术能够应用于系统程序设计之中。C++所提供的抽象机制能够被应用于那些对效率和可适应性具有极高要求的程序设计任务之中。C++语言有其明显的优缺点：[57】优点： 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案>C++是C同样高效且可移植的多用途程序设计语言。》C++具有直接的和广泛的支持多种程序设计风格>C++给程序设计者更多的选择，即使可能导致程序设计者选择错误。》C++设计成尽可能与C兼容，因此可以实现从C到C++的平滑过渡。>C++避免平台限定或没有普遍用途的特性。》C++没有会带来额外开销的特性。》C++不需要复杂的设计环境。>出于保证语言的简洁和运行高效等方面的考虑，C++的很多特性都是以库(如STL)或其他的形式提供的，而没有直接添加到语言本身里。>C++相对众多的面向对象的语言，具有相当高的性能。>C++引入了面向对象的概念，使得开发人机交互类型的应用程序更为简单、快捷。缺点>C++由于语言本身过度复杂，这甚至使人类难于理解其语义。>由于本身的复杂性，复杂的C++程序的正确性相当难于保证。(3)编译环境选择选择好编程语言以后就要对程序的编译环境进行选择，C++的主流编译环境有：MicrosoftVisualStudio系列、VisualC++系列、BorlandC++、C．free等等。其中MicrosoftVisualStudio系列是VisualC++系列与其他语言的编译环境的合集(还包括C撑，VB等)都是由微软公司开发和推出的，BorlandC++是由Borland公司推出的一款BC编译器。各编译均以实现C++的程序为主要任务，没有太多区别。根据编译器的使用熟练程度选择MicrosoftVisualStudio2010编译器作为开发环境。MicrosoftVisualStudio(简称VS)是美国微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等。所写的目标代码适用于微软支持的所有平台，包括MicrosoftWindows、WindowsMobile、WindowsCE、．NETFrameworkMicrosoftSilverlight及WindowsPhone。、．NETCompactFramework和目前MicrosoftVisualStudio的最新版本 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案是由微软公司于2013年6月27日推出的MicrosoftVisualStudio2013。VisualStudio2010版本于2010年4月12日上市，其集成开发环境(IDE)的界面被重新设计和组织，变得更加简单明了。VisualStudio2010同时带来了NETFramework4．0、MicrosoftVisualStudio2010CTP(CommunityTechnologyPreview—CTP)，并且支持开发面向Windows7的应用程序。除了MicrosoftSQLServer，它还支持IBMDB2和Oracle数据库。VisualStudio2010具有如下特点：>利用当前最热门的Agile／Scrum开发方法，强化团队竞争力。>升级的软件测试功能及工具，能够为软件质量严格把关。>搭配Windows7，Silverlight4与Office，发挥了多核并行运算威力，>创建美感与效能并重的新一代软件。>支持最新C++标准，增强IDE，切实提高程序员开发效率。5．1．3上位机软件模块实现本着便于开发的目的，对上位机软件的功能实现进行模块化分类。下面对几大功能模块的实现进行叙述：通信模块：通信模块实现与激活节点之间的命令交互。通信模块能够良好运行的关键在于上位机软件与激活节点之间的通信能够保持良好的连通状态以确实保证上位机命令能够传送给激活节点同时使得激活节点的命令反馈能够被上位机软件接收。为了能够保证通信的连通性首先单独为通信开启线程，通过循环对端口2233进行监视并接收激活节点发送上来的心跳包。并且通过Timer()函数进行计时，当超过20s没接收到心跳包线程以后对端口2233进行监控上的更改由接收心跳包改为监控端口接收激活节点连接请求。并且对于接收上来的数据包进行解析如果是心跳包则返回数据包如果是命令码返回包则打印命令执行结果。如果需要发送命令则接收到心跳包以后反馈命令包。数据接收模块数据接收模块负责接收传感器的采集数据，直接与传感器通信。单独为每个传感器开启线程进行数据接收。首先将数据通过Recv函数进行循环接收直到接受完所有数据包；然后将接受完的数据包进行校验：找到包头、包尾、包号并且对校验位进行校验通过校验、校验通过则将该数据标记为接收成功并将数据包中 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘／2XML与Access，Oracle和SQLServer等数据库不同，数据库提供了更强有力的数据存储和分析能力，但它极其简单，这是一个看上去有点琐细的优点，但正是这点使XML与众不同。>XML与HTML的设计区别是：XML被设计为传输和存储数据，其焦点是数据的内容。而HTML被设计用来显示数据，其焦点是数据的外观。HTML旨在显示信息，而XML旨在传输信息。>XML和HTML语法区别：HTML的标记不是所有的都需要成对出现，XML则要求所有的标记必须成对出现；HTML标记不区分大小写，XML则大小敏感，即区分大小写。在本软件存储文件类型选择来讲则风机的现场振动数据存储于txt文件中是由于txt文件的文件结构的简单。风机振动数据特征值则选用XML文件进行存储一方面由于特征值数据存储的数量很多而且相互之间的关系较为复杂两一方 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案面特征值数据的关系呈树形结构，这与XML文件的数据存储格式很是契合所以选择了XML文件进行特征数据存储。(3)多线程运行所谓线程是指程序中一个单一的顺序控制流程。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作称为多线程。线程是进程中的实体，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构；它与父进程的其它线程共享该进程所拥有的全部资源。线程的运行状态可以分为：(1)就绪状态；(2)备用状态；(3)运行状态；(4)等待状态；(5)转换状态；(6)终止状态。多线程的优势：一个采用了多线程技术的应用程序可以更好地利用系统资源。其主要优势在于充分利用了CPU的空闲时间片，可以用尽可能少的时间来对用户的要求做出响应，使得进程的整体运行效率得到较大提高，同时增强了应用程序的灵活性。更为重要的是，由于同一进程的所有线程是共享同一内存，所以不需要特殊的数据传送机制，不需要建立共享存储区或共享文件，从而使得不同任务之间的协调操作与运行、数据的交互、资源的分配等问题更加易于解决。使用多线程的劣势：①如果有大量的线程，会影响性能，因为操作系统需要在它们之间切换；②更多的线程需要更多的内存空间；⑧线程可能会给程序带来更高的复杂性；④线程的中止需要考虑其对程序运行的影响；⑤通常块模型数据是在多个线程间共享的，需要防止线程死锁情况的发生；⑥多线程的使用使得程序的调试难度加大。VC++编程中多线程的应用由于大多数支持多处理器的操作系统都提供编程接口来让进程可以控制自己的线程与各处理器之间的关联度。因而VC++编程中多线程的使用依靠对于系统函数(API)的调用进行。例如通过CreateThread函数创建线程，通过KillThread关闭线程等等。在整个VC程序中共有心跳线程、监听线程、接收线程、主线程、计时线程等等多个线程。(4)软件绘图在软件开发中使用的是vC++中的类CDC完成绘图工作。所谓类是指一种复 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案杂的数据类型，它是将不同类型的数据和与这些数据相关的操作封装在一起的集合体。类相对于结构体具有更高的抽象性，类中的数据具有隐藏性，类还具有封装性。CDC类是类库afxwin．h中提供的类，下面对CDC类介绍如下：CDC类定义设备上下文对象选件类是从cobject直接继承而来的因而继承了CObject类的各种特性，如动态创建等等。另外CDC类有很多的成员函数包括绘制点、直线、矩形、椭圆、多边形、文本以及位图。在本系统软件的设计中使用了LineTo(取线的起点)、MoveTo(从起点画向终点)两个函数进行线条绘制；并通过SelectClipRgn函数指定画图区域；使用SelectObject函数选择画笔即绘图线条：使用ExtTextOut函数画出所需要的文字说明。CDC类常见的子类有：CClientDC⋯⋯．代表操作窗口的DC；CMetaFileDC⋯⋯响应MetaFile的DC，MetaFile是一些GDI消患：CPaintDC⋯⋯．响应wMPAINT消息的DC；CWindowDC⋯⋯代表整个屏幕的DC等。5．2传感器节点软件实现5．2．1传感器节点软件需求分析传感器节点负责振动信息的收集，为了能够使得振动采集的任务能够顺利完成。传感器节点需要具备如下功能：1)能够对被测风机振动情况进行监测。显然传感器节点的首要功能需求就是要能够对于风机的振动情况进行一段时间的连续监测。由于振动情况是连续的，持续一段时间的因此要求对风机的监测需要持续一段时间并且保证采集市场需要可调。这就要求单片机的软件程序中需要能够对某一管脚进行一段时间的监测。2)能够使得传感器节点的工作模式在工作模式和低功耗模式之间进行切换以最大可能的节省电力保证传感器节点的长时间运行。一是要对单片机自身进行管理在工作模式和低功耗模式下切换；二是要实现对电源模块的管理，在低功耗模式下切断不需要模块和期间的电源。3)传感器节点的软件需要支持对传感器进行配置。传感器节点的各项采集参数需要根据不同的使用环境和使用要求实现参数的动态配置。需要配置的参数有：采样频率、采样时间等等。4)对传感器的一些状态如休眠、采集、收到命令等以方便系统的后期联调和维护。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案5．2．2传感器节点的运行流程流程图图4．3传感器节点流程图流程介绍：首先开机以后传感器发出命令对Zigbee模块进行开启，其他模块进入休眠状态以保证低功耗。每隔lOs开启Zigbee一次查看是否有相关命令进入。但进入命令经过解析是采集命令时开启传感器进行采集，并开启wifi模块，采集完成以后通过wifi模块对服务器进行连接，连接成功以后开始进行数据传输。传输 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案结束以后等待上位机发出的接收结束命令，如没有收到结束命令jH,4等待15s以后自行关闭。当收到的命令为配置命令时，则即刻对命令进行更加分解取出命令码以及相应的修改参数并依照命令码和修改参数对传感器节点进行配置。5．2．3传感器节点的开发和运行平台介绍(1)传感器节点的运行环境传感器的运行平台由于没有操作系统即传感器节点的程序直接运行于单片机内存中。因此传感器节点的程序运行环境结尾MSP430149单片机。(2)传感器节点的开发语言传感器节点的程序的开发语言选用C语言开发。C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D．M．Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。(3)传感器节点的开发环境传感器节点的程序的开发势必需要在PC机上完成则需要一套完整的开发环境才能够完成对程序的开发、调试以及下载程序到单片机的过程。经过堪比，选择了由全球领先的嵌入式系统开发工具和服务提供商IARSystem开发的IARFOR430开发环境。该开发环境包括带有C／C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具等工具，提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。目前IAR的最新版本为V5．11版。5．3激活节点软件实现5．3．1激活节点软件设计要点激活节点作为命令的转发节点主要功能就是对上位机发出的命令进行转发并在转发前对命令进行简单的解析和判断。为了实现功能要求对于激活节点做出62 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案如下功能要求：1)激活节点需要与服务器软件之间保持Socket通信。根据Socket通信特征如果长时间未通信会主动切断Socket连接因此需要激活节点间隔固定时间向服务器发送心跳包，服务器节点接收到心跳包并解析后会返回心跳包至此一次心跳包互发完成。如果间隔时间过程未收到服务器回复心跳包则认定网络断开进行重新连接。2)对发送上来的命令进行校验避免错误命令对系统的损害。首先对发上来的命令进行包头包尾的校验，然后对校验位进行校验，最后对命令位进行校验。3)对命令的应对。发送上来的命令经过分类主要可分为两种：当发送上来的命令为心跳包时表示本次心跳完成不需要进行其他操作；当发送上来的是其他命令则需要开启Zigbee将命令发送给传感器节点由传感器节点进行相应的操作。5．3．2激活节点运行流程激活节点流程图 转炉除尘风机无线振动在线监测系统转炉除尘风机振动监测系统软件实现方案是5．4激活节点运行流程图激活节点运行流程描述：激活节点连接电源之后开始连接服务器节点，连接成功以后为保持连接的存在一直与服务器软件之间进行心跳包互发。当服务器有命令发出后，激活节点收到后开始校验。校验通过后对命令进行分类：如果是心跳包返回命令包则表示完成本次通信开始重新计时；如果是命令包则开启Zigbee模块将命令传送给激活节点。进行解析当校验未通过则不作操作。5．4本章小结本章分别对于上位机软件、激活节点软件以及传感器节点软件的设计进行介绍。整理各个节点的需求、根据需求选定开发平台和运行平台、绘制软件运行的流程图并对软件进行实现。本章对各节点的软件及其实现都进行了详细介绍。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验6现场应用试验系统设计开发完成以后在武汉某钢厂风机工作现场(如图所示)进行了试验和系统的实地试运行。该钢厂是一座现代化水平很高的国有大型钢铁企业，拥有当今世界先进水平的炼铁、炼钢、轧钢等完整的钢铁生产工艺流程非常具有代表性。在钢厂进行了系统安装和调试并采集了若干组数据供分析使用。图6．1风机安装示意图6．1系统安装系统安装主要涉及到传感器的固定以及局域网组网等工作，由于无线组网和软件安装比较简单，系统安装的主要工作就是除尘风机监测位置的选定以及传感器节点的固定。6．1．1传感器节点安装位置选择显然传感器的需要综合考虑安装位置信号的强弱、安装的方便性、传感器的运行环境[58]以及监测位置的典型性等等因素。就信号的强弱来说一般风机轴承座[59]和风机外壳两侧[60】振动较为强烈并且是风机振动测试测测点的常选位置可以作为备选方案[61]，在实际安装的时候发现风机的两侧位置的由于留有原有 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验的螺钉安装位置且空间较大比较适合安装传感器因此选择风机外壳两侧进行传感器节点安装如图所示。图6．26．1．2安装方式选择机械之间可供选择的连接方式有很多种，按能否拆卸可分为可拆卸连接和不可拆卸连接。不可拆卸连接如：焊接、胶接、铆接等；可拆卸连接如：螺纹连接、销、链等。其中螺纹连接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点被广泛的应用。本次安装选择螺纹连接进行传感器的连接方式并对传感器的螺纹连接进行了机械上的设计(如图所示)。当需要安装时候首先将底座通过中心孔安装到风机上，再将传感器节点通过底座四周的螺纹孔用螺钉安装到底座上，当传感器节点成功安装到底座上之后，将传感器的上盖进行安装并密封结合处。钢瑟立一矗 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验图6．3底座设计图6．2系统数据采集将传感器节点固定好之后将系统开启进行数据的采集，采集前的相关准备工作：1)系统启动开启上位机软件和路由器；开启传感器节点当传感器绿灯隔约10s闪烁一次时证明传感器节点运转正常；2)上位机设置将上位机连入传感器网络并将IP设定为“192．168．1．2”；3)传感器设置在上位机软件传感器管理模块图中将该传感器节点加入到传感器序列中并对该传感器相关信息进行设置：首先在左侧树形框中选择需要监测的风机；选择好风机以后在右侧设备管理栏添加传感器并选择风机的位置；在右侧采集设置栏目中进行相关的采集设置如采样间隔设为5min，灵敏度进行核查，传感器位置设定等等。遴幽豳鎏鹇鹣灞■—敝一．竺．二耋麓魁苎!!垫!l要塞塾塑l霎堕兰曼Ii设备管理，接作区l；型!量量|‘l!系统签到。“。“。。。。““。。。。。“。。。i“““”““”“““”““一l一墨竺苎!i!_=：：．_‘：运行对期：∞Eoo删319时S7分42抄⋯濯豳囊—■途⋯⋯⋯⋯⋯⋯溢龇浏幽酾烫黉謦罄⋯一曩亲藁设置一’⋯～一⋯⋯_“～{i顷艇r———一堕虹墓翻i所辟目厂————刁二删厂———一簋西剧厂———一剧童剜r———一劂蒯阱筒爵黼j薹ir剧J_____-_●_--_-●-●_●-●_●-___-___-——厂———一剧蒯r————j厂——————一牡t功厂———1厂———]厂———一，m剧童翻r————————————一厂_r_rrr-剧蒯设置完成以后对数据进行采集。图6．4配置界面图67 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验6．3系统测试分析由于受试验条件限制等原因，未能长时间测量形成完整的趋势图。以12月的两次测量的结果为例对系统测试过程进行介绍：如图6．5所示系统测试过程中某一次进行测试时候测点62640545的截图画面，上面三个小的框图分别对应该传感器节点年度趋势、月度趋势、日趋势、小时趋势。可以看到月度趋势上有两个突起对应该测点在该月的两天中进行了测试，中间大图则是该测点在12月10日15时小时内的趋势图进行测量z轴位移主频的一次截图画面。由图中可以看出在该小时内其位移主频未有明显变化，基本呈现平缓。塑塑鲤基曼鬯幽～㈡月廛趋琦一日圈匿雹■■■■●■■■■■__r加速度r蘧赓显示操作区j常鞠r主颤：一载掘区～j厂i|f’瑚r啪s瑚==：==：=：二：．==：：：==：=二==：二：：．：：二．。．：：=^==二．．：．：==：=：．==二二===辫当前所显示靛洼靖：簋一车l飘—号风矾、l胡蜘2640s45图6．5风机监测小时趋势图如上图所指示的，双击选择第4分钟即15时四分的数据进行显示，分析。如图6．6、图6．7、图6．8所示，分别为z轴位移、速度、加速度的幅值。其中速度和位移的幅值图都为正弦波动，速度的幅值峰值为4．807mm／s其均方根值为3．40mm／s而根据表2．1可知该风机处于C区，即此时风机不适宜作长时间连续运行，需要有采取补救措施从该参数上看该风机的运行状况需要维修，需要再根据其他参数得出最终的结轮。 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验e钢铁集匿第一车闻s一号R镌l；测点6264052#测点4167343；测点13101j第二车间年度趋势bi大圉口4趋势r加逮度r蘧廛节獐臻r主援——二叫隐藏操作区rx轴r瑚瘩z轴散掘区运行哥|潮0关01灯8：王816|亨鼢36秽当薜所曩云蟛溅熏：篝一牟氰—弓#群乱lI涵点6264054j盛无菇摄动在袭监鼹景缱1日xx钢铁集团}s第一车间目一号风极一年度趋势l#测点6264052#测点4167343#测点131015￡第二车闻系统暂停图6．6Z轴位移幅值图潮鳓躺鳓黼酾鳓黼辅鬃目黼㈣㈣灞嘲嘲嘲自瓣黔蝴黼辫蠹∞月度趋势一～⋯⋯r日趋势@磷ii幽加逮壤r蠢虞r位移r垂墓技掘区隐藏操作区运行封露，o天ol=o|MOi嗣寸32分5瓣当茧所显示的躲：薹一辜i飘—号5Wnl硝毪席62柏os4s图6．7Z轴速度幅值图69啪rY轴F瑚溺 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验鱼霆塑堡燮塑墨篓xx钢铁嶷透i第一车闻⋯⋯年度趋势E一号风飒l：揍《点6264052：测点4167343：震《点1310ii8第二革滴ji复大圈q度趋势B寸趋势壁J复鲤照幽加蘧度r瓷廛r位咎r主霸鼓担区系统暂停隐藏操作基．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．、．．．．．．．．．．一送行对岛：∞∈04：3l；驰20e{3分22转当蘸酐显示昀嚣l点．{篝—车围、一{鼠桐^l捌毫，案62640545图6．8Z轴加速度幅值图x曲rY辘$z轴接着选择中间大图下面的数据类型单选按钮分别选择z轴和主频两个单选按钮，即选择Z轴主频如图6．9所示：堂塑塑!鳖塑薹霍铁集团一车间一号风枫l#测点6264052#测点416734+3#测点131015二车间系统暂停——塑鲤豳骥夔塑豳塑鲤鳖塑篓塑燮燮§自麴鲢二塑壁燮年虞趋势⋯}?月基蕴羹二二二二二二二二二二二二二二ji王遁鲤P攀■■■爨卜，。。一。≯1．．．．．．．．：．。．：．．．．．．．．．．．．j．．．二．．．．．，．．．．．：．．．二加逮度?、速度隐藏搡作区7位移霈主叛敛担区趸爵嘣霉O天0l：00：2tl嘲32分3朔；聋蜘钎墨录挎藏点一著—革峨—瓢函乳、l#黼62640s45图6．9Z轴频谱图70)(袖rY静s瑚 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验可以看到Z轴的本次主频为2．441Hz，该频率应该为风机运行的工频。从图中可以看出风机的主频未出现二倍频以及三倍频等信息可以排除不对中故障以及轴裂纹、轴松动等故障。综合以上分析结果应该是转炉除尘风机出现不平衡故障，推测转炉除尘风机出现不平衡故障的其原因应该是除尘风机长期在多尘环境中运行造成风机叶轮有积垢现象出现造成了转炉除尘风机叶轮不同叶轮之间质量上的不平衡。并且猜测如果能够长期测量形成一倍频幅值趋势图可以发现一倍频对应的幅值呈现不断的上升趋势。经过和钢厂转炉除尘风机管理人员调查发现管理人员也普遍反应风机的运行的振动幅值出现变大现象这与风机的监测结果相符合。经过与管理人员协商对风机进行检修对风机进行拆卸后发现风机的叶轮出现积垢与猜测相符合。将叶轮进行清洗，发现振动情况有明显好转如图所示：叠然黧鹜黛塑差窭二鎏遵l!l鳖!m：_：二i登夔夔鬟燮羹鍪壁lll黉iIi篓⋯Iji熏I兰羞篓熏翌塑翼塑黧鬟譬雾!ii蒌：．照；夔垂辫r加蘸度P速度r位穆r主搏r拽据区显示操作区l图6．9速度振动曲线 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验日趋势～⋯一，_饵娃斡粤⋯～⋯显示操作区|6．10位移振动曲线发现z轴的峰峰值为2．233，显然现在处于B区正常。因此证明根据系统数据所做猜测正确。6．4部分系统运行图图6．11登陆界面图 转炉除尘风机无线振动在线监测系统现场应用试验图6．12初始界面图6．4本章小结本章节详细介绍了在风机监测系统进行使用的一系列使用流程。首先，在第一小节中对风机监测系统的安装进行了详细介绍包括安装位置、安装方式等等；紧接着，在第二章节中介绍了安装完成以后对风机监测系统的上下位机进行的设置，最后在第三小节中对如何使用风机监测对风机的运行状况进行判定做了说明。