提　要：对进口纸机振动智能监控系统，从传感器的作用与选择、分析子站的工作机理与工作站功能作了深入分析。关键词：传感器；分析子站；工作站；幅频特性；模数转换；窗函数；频谱分析；高速傅立叶转换；高频包络；在线；离线作者简介：陈道金，学士学位，工程师，在福建南纸股份有限公司从事机械、自动化设计和维护工作。　　福建南纸股份有限公司的PM5纸机的设计速度为1800m/min，这么高的车速，对纸机的维护提出了更高的要求，特别是机械设备的维护。　　目前世界正在发展一种24h不间断纸机运行状态在线跟踪监控系统。技术比较成熟的有：ABB公司的MTC监控系统；SKF公司的轴承监控系统；Neles Automation公司的Sensodec 6s监控系统。他们依据的原理大同小异，整个系统由工作站(workstation)、分析子站(analysis subsatation)、传感器(sensors)组成。传感器与分析子站间由电缆连接，工作站与分析子站以TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol，即传输控制约定/英特网约定)协定连接成信息共享的局域网，网络间有一个Windows NT网络服务器。工作站可根据需要建立多个，下面以Sensodec 6s为例分析这类系统(如图1所示)。图1　纸机状态监控系统网络图　传 感 器　　整个系统的传感器由压力传感器(pressure sensors)、振动传感器(vibration sensors)、触发器(trigger)组成。　　压力传感器用于检测上浆泵、压力筛和流浆箱的压力脉冲。对检测到的各点压力脉冲进行分析，则可分辨出湿部上浆系统的压力波动故障所在。这种传感器是用压电材料(如石英、钛酸钡等)制成的具有压电效应的传感器。　　触发器包括光学触发器和测速器(tachometer)，光学触发器用于检测毛布的转速。我们知道毛布打折引起的振动故障频率与毛布转动频率是一致的，那么测得毛布转动频率与振动信号进行比较分析，就容易得出振动是否由毛布打折引起的。同样，检测辊子的转速是因为辊子不平衡和不对中产生的振动故障，分别会引起振动频谱中转速一倍频率和二倍频或三倍频分量幅值明显增大，同时，轴承的故障频率又是转速频率函数，且轴承退卸套松动产生的摩擦，也会引起振动频谱中转速频率的高次谐波频率分量幅值增大。因此，转速频率是分析和诊断机器振动故障的重要参数。　　振动传感器这里用的就是压电式加速度传感器(如图2)。这种加速度传感器以检测件的绝对加速度为输入，以质量块相对壳体的位移为输出，它的幅频特性方程为：A(w)a=（1÷Wn2）/{[1-(W/Wn)2]2+[2ξW/Wn]2}1/2式中：ξ—阻尼系数　　　Wn—传感器的固有角频率　　　W—被测件的角频率　图2 压电式加速度传感器构造1-压紧弹簧　2-质量块　3-压电片　4-基座　5-引出线图3　加速度传感器的幅频特性　　对试件的振动检测，从理论上可以选择检测试件的位移、速度或加速度中任何一个参数，因为位移、速度和加速度之间存在简单的相互转换的微分关系。但是从加速度传感器的幅频特性图(如图3所示)，我们不难看出，加速度传感器在高频段幅频响应更强烈。　　例如，频率为1000Hz、位移为0.001mm的振动加速度，与频率为1Hz、位移为1mm的振动加速度相比，前者是后者的1000倍。而高速纸机的齿轮、辊子和轴承的振动频率均在高频区，所以选用加速度传感器作为检测纸机振动的元件效果更理想。　分 析 子 站　　用数字方法处理振动信号已不成问题，分析子站就是用于完成这一任务。一个分析子站最多可处理来自80个传感器的信号。　　数字信号处理的具体步骤如下：　　第一步，对模拟信号进行预处理。对调制信号进行解调，解调后再进行如下处理：(1)抗混滤波，一般是将信号通过一个低通滤波器，而在这里是将信号经过一个带通滤波器；(2)消除常值分量，就是采用电容隔阻措施；(3)电压幅值处理，就是要使信号幅值与A/D转换器的动态范围相适应。　　第二步，采样和量化。A/D数模转换器对信号进行采样和量化处理，采样就是把连续时间信号X(t)或X(f)离散化的过程，采样过程可看作是用等间隔的单位脉冲序列G(t)或G(f)去乘模拟信号，这样，各采样点上的信号大小就变成脉冲序列的权值Xs(t)或Xs(f)(如图4所示)，这些权值将被量化成相应的数值。图4　采样过程图5　不产生混叠的条件fs>2fc　　　　　　　这里重要的是要选择合适的采样间隔Ts。采样间隔的选择要满足采样定理，即采样频率fs(fs=1/Ts) 必须满足fs>2fc (如图5)，fc为信号所含成分的最高频率，以防产生混叠现象。考虑到滤波器有一定的过滤带，故实际可用fs=(4～５)·fc。　　第三步，确定分析信号的长度T和数据点数N。采样间隔Ts确定后，则分析信号时间长度T=N·Ts，所以也就确定了分析信号的长度。在频域分析中所得谱线总是离散谱线，两相邻谱线间距 Δf=1/T，因而所处理的时间长度T越长，分辨率就越高。但是，采样间隔Ts太大，平移距离1/Ts 过小，那么移至各采样脉冲所在处的频谱X(f)就会有一部分的相互交叠，即混叠现象。如果采样间隔Ts过小，则对定长的时间记录来说其数字序列就很长，计算工作量迅速增大。由于是进行FFT(高速傅立叶变换)运算，最好选用N=2a,a为正数，常用N=1024或512，少数用N=2048。　　第四步，选择窗函数。对信号的时域或频域截取实际上就是用矩形窗函数和原信号相乘。为减少泄漏误差可进行某种加权处理，也就是采用其它的窗函数处理。如有三角窗和汉宁窗等，尤其是汉宁窗的旁瓣比矩形窗的旁瓣小的多，从而对泄漏误差有一定的抑制作用，使所得信号频谱图形比较匀滑。窗函数的宽度T=N·Ts，N为序列点数，Ts为采样间隔。　　矩形窗函数为：W(f)=2T·[Sin(2πfT)]/2πfT　　三角窗函数为：W(f)=T·[(SinπfT)/πfT]2　　汉宁窗函数为：W(f)=1/2Q(f)+1/4[Q(f+1/2T)+Q(f-1/2T)]　　其中Q(f)=[Sin(2πfT)]/πf　　第五步计算。进行FFT(fast fourier transform，即高速傅立叶变换)计算，以及HFE(high frequency envelop，即高频包络)FFT计算。因为轴承及辊子等的振动均在高频区，进行高频包络FFT计算得到的频谱分辨率更高。　　同时，分析子站也有报警输出的作用。　工 作 站　　工作站就是带有专用分析软件的PC机，操作系统为Windows视窗软件系统，工作界面友好，操作方便。　　分析诊断作用。工作站不间断地收集和存贮来自不同分析子站检测点的频谱、趋势图和其它数据。要对这些不同的频谱数据进行诊断分析，就必须输入作为比较分析的原始参数。引起振动的原因很多，如有：轴承的故障、辊子的不对中、轴套的松动、齿轮的损坏、润滑不足等，其中轴承的故障包括轴承内圈、外圈、滚子框架和滚子的损坏，在纸机的压榨部还包括毛布的打折或腐浆团块等引起的振动故障，这些均可由工作站的专用分析软件诊断得出结果，直观显示在屏幕上。关于振动频谱中故障频率处的幅值超出何值为故障，这里参考了ISO7919和ISO10816机械振动国际标准。同时，我们知道任何设备在相同工况下都有各自的故障频率，所以在工作站电脑中必须输入各检测点诸如：辊子的外径、辊子的长度、轴承型号、齿轮的齿数和模数、减速箱的速比、毛布的周长等参数，算出它们的故障频率，与收集到的振动频谱信号进行分析比较，就可对振动故障根源作出准确判断。　　控制分析子站的作用。分析子站要不间断地对从各检测点收集到的信号数据进行FFT计算或HFE的FFT计算。不同的检测点，就要有不同的采样间隔和采样信号长度，采样间隔Ts和采样信号长度N·Ts，都必须由操作者从工作站输入再传送到分析子站。此外，窗函数的选取也在工作站，然后传送到分析子站，其它一些特殊检测和诊断指令(比如报警等)，也要由工作站下达给分析子站。　　监视与报警作用。在Windows视窗界面中，我们可以双击任何一个系统的任何一个装有传感器的检测点，观察它们的即时振动情况，调出它们的历史数据，分析它们的振动时域或频谱图。如有不正常的振动，立刻报警，哪个系统出现故障，那么这个点和这个系统就出现报警色(如黄色和红色)。同时也可接继电器发出光和声音报警，严重时可发出停机控制信号。　　这种监控技术还在不断完善，虽然各个公司产品的工作机理大同小异，但是如何做到更加及时、准确、可靠、有效和操作界面更加友好，是各个公司竞争的主要方向。