紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統

技術方案

紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

1、項目總體目標

為紙機生產線（供應商：ANDRITZ公司）提供一套紙機生產線

設備狀態監測與故障診斷的整體解決方案。該系統通過對設備部件

(包括數百個滾動軸承軸承、軸、馬達和傳動鏈上的其它部件)狀態的

實時監測，并且通過使用先進的精密分析診斷工具，從而準確掌握

紙機運行狀態，以避免計劃外停機。

2、系統需求

1． 實現多通道滾動軸承的在線監測；

2． 能夠保留滾動軸承振動歷史數據；

3． 能夠提供測點振動趨勢圖；

4． 能夠提供生產線各單元測點分布；

5． 能夠提供各振動測點振動值及報警狀態；

6． 能夠提供測點振動的精密診斷方法。

3、紙機生產線特點

紙機生產線具有典型流程生產特性，其生產線長（200米左右），

并且需要監測的振動測點多（上百個），同時具有測量信號類型單一

的特點（均為ICP加速度信號），其示意圖如圖所示。

圖1 紙機生產線示意圖

1

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4、振動傳感器類型及分布

滾動軸承振動傳感器選擇為PCB公司的Sensor: M603C61，由

ANDRITZ公司負責提供；

傳感器個數：206個，其中分布為Winder: 4ts, Reel:10 ts,

Calander: 10 ts, Dry: 160 ts, Press: 14 ts, Wire: 8 ts。每個ICP

傳感器均帶有15米電纜（特殊部位采用凱裝方式）；

傳感器的安裝要求：每個軸承座上至少安裝1個，具體安裝方向

由ANDRITZ公司負責實施。

5、狀態在線監測診斷系統設計

以企業設備數據庫為核心，采用事件觸發方式，在定時存儲的基

礎上，通過ICP加速度信號的實時監測，對異常事件（報警數據）

進行有效保存，通過提供的軸承在線監測/診斷模塊進行振動數據的

分析、處理以及報表等工作。擬采用如下的設計原則：

? 由于紙機生產線較長，考慮到ICP傳感器的恒流源供電能力因

素，采用分布式數據采集方式，即在整個生產線上建立兩個數據

采集單元，其中一個數據采集單元監測96路的振動信號，另外

一個設計采集單元監測110路振動信號；

? 考慮到ICP傳感器的恒流源供電能力，ICP傳感器的信號專用電

纜最大不超過85米，及從傳感器端到機柜入口，信號傳輸的距

離不大于100米。在此原則下，由ANDRITZ公司負責設計及實

施；

? 采集的振動信號數據按事件觸發方式自動存入設備信息數據庫，

2

紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

同時在局域網中進行廣播；

? 用戶終端可以通過在線監測以及遠程診斷系統進行軸承狀態監

測與故障診斷；

? 采用英文windows XP操作系統。

6、實時監測診斷系統結構圖

Fig. 2 System Structure

6.1網絡結構

工業級標準TCP/IP網絡，網絡的布置由ANDRITZ公司負責設

計及實施。

6.2 監測診斷系統功能層次

整個系統可以劃分為4個功能層次：

a、信息傳感層（M603C61）

通過PCB公司的ICP振動傳感器（4~20mA恒流激勵）可靠地

3

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進行設備軸承運行狀態的信息實時采集，提供給分布式數據采集單

元DAQ Unit 1 and DAQ Unit 2。

b、數據采集層（DAQ Unit）

在線數據采集單元DAQ Unit將傳感器層的振動信息進行隔離、

放大、濾波、驅動等信號調理操作，根據系統設置進行采集、處理，

并以數據包的形式在網上進行實時自動發布和上傳存庫Databa

Server。

c、監測診斷層

提供的在線監測系統軟件可接收各個數據采集器發布的實時數

據包進行常規監測分析，以直觀了解設備軸承的運行狀態。同時還

可以系統數據庫為中心進行診斷分析，以指導設備的適時維護，保

證整個生產線的正常運轉。

d、數據管理層

中心數據庫管理和維護，具體包括整個系統的控制信息、設備

信息、運行信息、維修信息、故障信息、網絡配置等。

7、系統功能模塊

7.1數據采集單元

4

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數據采集前端的總體組成如圖所示，數據采集單元以PXI總線為

測控平臺，由ICP信號恒流激勵及程控濾波放大信號調理箱、PXI

機箱、PXI零槽控制器、PXI多通道數據采集卡、數據處理軟件等組

成，能長期穩定工作并實時可靠地采集和監測振動信號。

圖3 數據采集單元示意圖

具體硬件模塊如下：

1）PXI數據采集單元（美國國家儀器有限公司）

PXI機箱：NI PXI-1031 帶通用AC的4槽3U PXI機箱

PXI機箱：NI PXI-1042 帶通用AC的8槽3U PXI機箱

PXI控制器：PXI-8106 2.16 GHz雙核PXI嵌入式控制器

PXI數據采集卡：PXI-6254 16位, 1 MS/s (多通道), 1.25 MS/s

(單通道), 32路模擬輸入

PXI系統外部供電方式：AC220V

2）信號調理單元CM4016/L（美國QUATECH公司）

信號輸入：16路BNC輸入

信號輸出：37針連接器輸出

具有的功能：16通道程控濾波調理器、8階可編程抗混淆濾波、

帶傳感器激勵恒流源（ICP加速度4mA恒流激勵）、低增益1、2、4、

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8倍；

7.1.1 硬件設備的連接

由于采用2個數據采集單元方式，而每個數據采集單元的連接萬

全相同。下面以其中一個數據采集單元（96通道）的硬件連接做說

明：

UUT→nsor→100m cable→CM4016/L→37pin to 68pin cable →

PXI-6254→ethernet→databa rver computer其中，加速度傳感器自

帶15米電纜：

將多路傳感器的輸出BNC接頭連接到一個接線盒中。用100米

的雙芯屏蔽線從接線盒中引起信號進入到PXI數據采集單元機柜中

的一個接線端子上（該端子為16組螺絲端子輸入接口和16組的螺

絲端子輸出接口）；注：以上硬件供貨及現場安裝由ADRITZ公司負

責；

在機柜中，用96根1米的單頭BNC線纜共96米，一端連接到

螺絲端子的輸出上，另外一端BNC接頭連接到CM4016/L信號調理

單元的96路BNC輸入上；用一根定制的37針到PXI-6254 的68

針電纜將CM4016/L和PXI-6254的輸入進行連接。

6

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15 米電纜

Signal Cable

接線

盒

多

路

信

號PXI

調6254

理采集

接卡

線

端

子

機柜

信號

調理

單元

CM40

16/L

37-68

pin

cable

15 米電纜Signal Cable

接線

盒

15 米電纜

接線

盒

Signal Cable

15 米電纜

接線

盒

Signal Cable

多

路

信

號PXI

調6254

理采集

接卡

線

端

子

機柜

信號

調理

單元

CM40

16/L

37-68

pin

cable

圖4、多通道振動信號的硬件連接圖

圖5 、信號調理單元的信號連接現場案例

7.1.2數據采集單元的主要指標

? 零槽控制器：NI PXI-8196 Pentium M 2.0 GHz Controller with

Windows XP

? 模擬輸入通道：32通道/卡*7=224通道

? 程控量程：±10V~±0. 1V

? 抗混濾波：8階可編程抗混疊濾波

? 信號調理：帶傳感器橫流激勵源，程控放大，16通道每個調

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理箱，BNC信號輸入端子；

? A/D分辨率16位

? 掃描頻率：最高1.25MHz/單通道

? 模塊精度：直流誤差：＜0.03％；交流誤差：＜0.1％

? 通訊端口：LAN(10/100MB)

? 工作環境：-20℃～+70℃

7.1.3 硬件各單元功能及性能指標+

7.1.3.1 PXI-1031 和PXI-1042 機箱

（1）PXI-1031（2）PXI-1042

圖6、PXI帶通用AC的3U PXI機箱

7.1.3.2. PXI-8106控制器

圖7、PXI-8106

（2.16 GHz Dual-Core Embedded Controllers for PXI and PXI Express）

? 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400雙核處理器

? 標準配置為512 MB (1 x 512 MB DIMM) 雙通道667 MHz

DDR2 RAM, 最大為2 GB

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? 10/100/1000 BaTX (千兆)以太網, ExpressCard/34插槽, 4個

高速USB端口

? 集成的硬盤, GPIB, 串口及其他外圍I/O

? 已安裝Windows OS和驅動; 基于硬盤的修復

7.1.3.3 PXI-6254 數據采集卡

圖8、PXI-6254 32 CHs M ries card

? 32 analog inputs at 16 bits, 1.25 MS/s (1 MS/s scanning1)

? 7 programmable input ranges (±100 mV 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 throughput

7.1.3.4 CM4016/L信號調理單元

圖9、CM4016多功能信號調理模塊

CM4016是一個用來為數據采集系統實現信號調理的多功能模

塊，其主要功能如下：

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?

輸入通道：16通道單端或差分輸入，BNC端子接入，可擴展

至256通道

?

8階高性能可編程抗混濾波器，1.2倍截止頻率的衰減率高達

-58dB

?

抗混濾波器的高端截止頻率范圍：1.526Hz～10kHz，有32763

種選擇，具體頻率由下式表示：f ＝50000／（N＋4）式中N

為1～32763的整數

?

?

?

最大輸入量程：±10V，輸入保護電壓±40V（無危險）

程控增益： 1，2，4，8

耦合形式：AC或DC耦合，用跨接器選擇，AC耦合時，高通

的低端截止頻率為0.16Hz，差分輸入時只有DC耦合

?

每通道可選擇4mA恒流源，直接接入ICP型加速度傳感器

7.1.4 采集軟件功能

7.1.4.1 206路振動加速度信號采集

PCB加速度傳感器直接將振動信號轉變成電信號，通過電纜連

接到CM4016/L的BNC接頭輸入，該較弱的電壓信號在信號調理單

元經過信號的放大和抗混淆濾波后，信號已經適合NI-PXI-6254采

集卡的輸入量程范圍。采集卡啟動連續采集將信號不斷的采集轉變

成數字信號方式進入到計算機中。

兩個PXI硬件采集單元可以分別獨立的通過PXI-6254采集卡完

成多路振動加速度信號的采集。

信號調理單元的放大倍數和濾波截至頻率可以在系統運行前測

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紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

試后，調整好固化，如果需要改動，再通過程序控制改變；

數據采集主要通過NIDAQmx驅動采集卡來完成數據采集；并

通過多線程方式保證數據采集的完整性。

7.1.4.2 轉速計算

測點的轉速可以通過對該通道振動數據進行積分，即通過速度/

位移譜圖識別工頻分量，進而獲得工作轉速。

注：由于多方面因素的限制，利用振動加速度信號進行轉速識

別具有一定的不可靠性，需要進一步驗證其有效性。

7.1.4.3計算各個通道的狀態（報警）

將數據采集后，在各個PXI上，進行峰值、均方根等參數的計

算，并進行報警閾值的判斷，如果沒有超限，則不報警，否則報警。

7.1.4.4按事件類型入庫

如果在數據采集和監測過程中，按照采集數據的事件進行入庫，

即將數據到網絡數據庫服務器的寫入。

7.1.4.6廣播數據

通過共享變量或者datasocket技術完成數據的共享。

7.1.4.7事故追憶

主監控處通過網絡數據庫可以提取歷史數據，進行事故追憶。

7.2在線監測診斷分析系統

系統分析軟件采用英文界面，可動態實現監測軸承的動態數據和

狀態（報警）信息，以及對測點振動數據進行精密分析。

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? 提供紙機生產單元的各軸承運行狀態報警信息；

? 查看軸承類型，自動計算故障特征頻率；

? 查看測點振動值（bar棒圖）

? 查看測點振動變化值；

? 查看測點振動趨勢；

? 提供測點振動波形和頻譜的實時顯示；

? 提供單測點加速度分析方法（相關分析、解調分析）

? 自動計算滾動軸承故障特征頻率

? 測點報警信息查詢

? 自動生成報表文檔

? 在線幫助

7.4、企業設備數據庫

系統數據庫采用Microsoft SQL Server建立。遵循MIMOSA數據

標準來組織、傳輸和存儲設備狀態信息，保證最大程度地實現機械信

息的共享。本系統選取MIMOSA 的CRIS 2.1中的23張主要數據表，

并進行了相應的擴展和補充，實現了機械監測信息的組織、交換和存

儲。整個數據庫信息可分為五種：數據采集系統配置信息、設備信息，

測點配置信息、測點特征量和報警設置信息和測點數據信息。

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8、系統報價

8.1 All elements price list (except nsors)

Detail in Table 1

8.2 Engineering hours

The HMI Of Machinery Online Monitoring System is different

from that of DCS system, so we provide custom-made Online

Monitoring System. Table 1 shows system spec.

8.3 All rvers working list and price.

Content:

a) 軟件開發

由ANDRITZ公司提供紙機生產線各部以及各軸系的圖片

b) Installation supervisor.

hardware installation Covers(Basic engineering of on-line

monitoring system is not included. So the installation of nsors

and the construction of signal cable from nsors to the terminal

box of nsor, network layout should be provided by the end

ur):

– leads the cable into cabinets from the terminal box of nsor

– installation of signal conditioning/signal

acquisition/monitoring devices hardware

Software installation Covers:

– installation of operation system

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– installation of databa manager system

– installation of devices’ software driver

installation system software showed in table 1

c) Start up. Communication.

–Configure software and hardware

– Initial ur profiling

– Initial system databa

– 4 week on site debugging

d) Optimization etc.

Two week of update rvice is provided.

Price：

500 RMB/Manday x 28 day(4 week) x 2 Man = 28,000 RMB

8.4 Training in factory and on site.

Content：

1）On site training: Class training 3 days

2） Factory training: 2 weeks/ 2 person

Price：

500 RMB/Manday x 3 day x 2 Man = 3,000 RMB

Optional：

If end ur want accept training in Xi’an, , we can provide this

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rvice.

Price：

400 RMB/Manday x 14 day(2 week) x 2 Man = 11,200 RMB

8.5 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 24

month or 運行后18個月.

Warranty for software:

Provided by Xi’an Jiaotong University, and warranty time is 24

month or 運行后18個月.

8.6. Total Price

1,090,129.32RMB(hardware and software fee) +21,000 RMB

(rver fee) +14,000 RMB (training fee) = 1,125,129.32

RMB(total price)

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Table 1. Hardware and software elements price list

index Item Supplier Module type Description Unit price

Quantity Total(RMB)

RMB

1 Signal USAQUATECH CM4016C/L16 channel programming

Conditioning Unit filter condition

（16Channel/one）

8 rank programming filter

support ICP nsor

Connect 4016/L to PXI-6254 2 68 pin to 37 pin USAQUATECH

Extended warranty for one 3 Extended warranty

year from the expiration of for one year

the standard hardware

warranty

NI PXI-6254 (32 AI, 48 DIO)

NI PXI-8106 Core 2 Duo 2.16 5 PXI-Controller NI,USA PXI-8106

(Detail in

GHz 1x2=2

Table 3)

Controller with Windows XP

512 MB DDR2 RAM For NI 6 512 MB DDR2 NI,USA

8106 and NI 8105 Controller RAM

7 4 PXI DAQ card NI,USA PXI-6254

1x2=2

237,973.32

Hardware

cable

(Detail in

Table 2)

13 319,800

1x2=2

16

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7 4-Slot Chassis for NI, USA PXI -1031,USA NI PXI-1031 4-Slot 3U

PXI 1031 Controller Chassis with Universal AC

box Power Supply

8-Slot Chassis for NI, USA NI PXI-1042 8-Slot 3U 8 PXI -1042,USA

PXI 1042 Controller Chassis with Universal AC

box Power Supply

Power NI, USA 9

Cord,240V,10A,U.K.

Extend warrany NI, USA PXI -1031 Extended warranty for one 10

1

1

1x2=2

year from the expiration of

the standard hardware

warranty

Extended warranty for one 11 Extend warrany NI, USA PXI -1042

year from the expiration of

the standard hardware

warranty

CPU type: Xeon 12 Databa Server

CPU Frequency: 3200MHz 48,000 HP ProLiant 1 48,000

CPU Number: 2 BL480c

CPU Type: Xeon 13 Operation Station

CPU Frequency: 1600MHz HP ProLiant 11,100 2 22,200

CPU Num: 1 ML150 G3

1x1=1

1x1=1

HP，China

HP，China

17

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14 Cabinet

（由

ANDRITZ2

公司提供）

1740 1x2=2 3,480

1,600 3 4,800

15 PXI Monitor

16 UPS Power Shenzhen C1KR Ups Power Output voltage: 213-226V

17 CISIO WS-C2960-24TT-L RAM 64 MB , Flash Memory

交換機

HP，China 19英寸

HP w1907

power blocks (KVA) : 1

SanTak C1kR，

32 MB; Ports Qty 24 x

Ethernet 10Ba-T, Ethernet 1,800 1 1,800

100Ba-TX

Data Transfer Rate 100 Mbps

用于4016調理卡的接入信

號線頭制作

用于連接4016調理卡和機

柜中傳感器信號接入端子，

每條連接線1米，206路×1

米＝206米

用于QUATECH4016調理卡 Power 電源插座

PXI采集單元使用 鼠標鍵盤

Signal condition with 22 Data Acquisition

magnify, filter, and data Software 450,000 1 450,000 software University

acquisition

18 BNC connector

19 Shield cable

3 192 576

5 220m 1100

20 25 4 100

21 150 2 300

Xi’an Jiaotong

18

紙機滾動軸承狀態在線監測診斷系統技術方案

23 Monitor and Highly visual-easy to u for

Xi’an Jiaotong

diagnostic software University routine monitoring

Machine state dependent

alarming system

Special tools available for

in-depth analysis, like:

? Real Time Analyzer

? Bearing fault feature

Databa

? Multi analysis modules

Standard Windows

95/98/2000 platform

24 Databa softrware SQL Server Provide by End Ur

25 Databa maintenance:

Maintenance Control Information University

software Machinery Information

2005

System Runtime Information

Network Configuration

Information. etc.

1,090,129.32

Xi’an Jiaotong

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Table 2. Condition hardware list

Quatech---4016/L信號調理單元 報價表

CM4016/L 22,800/one *13 帶稅RMB 296,400

16 CHs Low Pass filter ,ICP interface,

soft-changeable amplifier

800/one*13 帶稅RMB 10,400 68 pin to 37 pin cable Connect 4016/L to PXI-6254

帶稅RMB 13,000 1000/one *13

Extended warranty for Extended warranty for one year from the

one year expiration of the standard hardware warranty

Total:319,800

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Table 3. DAQ hardware list

NI---PXI DAQ單元報價表

The price for NI PXI hardware & NI software develop

778932-01 1 RMB 9,921.60*1=9,921.6

763064-1 Power Cord,240V,10A,U.K. 2 RMB 52.65*2=105.3

778636-01 1 RMB 21,890.7*1=21,890.7

NI PXI-1031 4-Slot 3U Chassis

with Universal AC Power Supply

NI PXI-1042 8-Slot 3U Chassis

with Universal AC Power Supply

NI PXI-8106 Core 2 Duo 2.16 GHz

Controller with Windows XP

512 MB DDR2 RAM For NI 8106 and NI 8105

Controller

NI PXI-6254 M ries DAQ card with daqmx

driver

779886-01 2 RMB 44,875.35*2=89,750.7

779302-512 2 RMB 1983.15*2=3,966.3

779118-01 7 RMB 12957.75 *7=90,704.25

960041-01 1 for PXI-1031 RMB 9,570.60

Extended warranty for one year from the

expiration of the standard hardware warranty

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960041-01 1 for PXI-1042 RMB 12,063.87

Extended warranty for one year from the

expiration of the standard hardware warranty

Total: 237,973.32

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