纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案

纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案

纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统

技术方案

纸机滚动轴承状态在线监测诊断系统技术方案

1、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

1

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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: 4ts, Reel:10 ts,

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

传感器均带有15米电缆（特殊部位采用凯装方式）；

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，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，

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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 Structure

6.1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PCB公司的ICP振动传感器（4~20mA恒流激励）可靠地

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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Databa

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

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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：AC220V

2）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、

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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单元（96通道）的硬件连接做说

明：

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

PXI-6254→ethernet→databa rver 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CM4016/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。

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15 米电缆

Signal Cable

接线

盒

多

路

信

号PXI

调6254

理采集

接卡

线

端

子

机柜

信号

调理

单元

CM40

16/L

37-68

pin

cable

15 米电缆Signal Cable

接线

盒

15 米电缆

接线

盒

Signal Cable

15 米电缆

接线

盒

Signal Cable

多

路

信

号PXI

调6254

理采集

接卡

线

端

子

机柜

信号

调理

单元

CM40

16/L

37-68

pin

cable

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：±10V~±0. 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

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理箱，BNC信号输入端子；

 A/D分辨率16位

 扫描频率：最高1.25MHz/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℃～+70℃

7.1.3 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 (1 x 512 MB DIMM) 双通道667 MHz

DDR2 RAM, 最大为2 GB

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 10/100/1000 BaTX (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 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：

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

输入通道：16通道单端或差分输入，BNC端子接入，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：1.526Hz～10kHz，有32763

种选择，具体频率由下式表示：f ＝50000／（N＋4）式中N

为1～32763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

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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。

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 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MIMOSA 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。

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8、系统报价

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) 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 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 运行后18个月.

Warranty for software:

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

month or 运行后18个月.

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

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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

交换机

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调理卡的接入信

号线头制作

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

用于QUATECH4016调理卡 Power 电源插座

PXI采集单元使用 鼠标键盘

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

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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信号调理单元 报价表

CM4016/L 22,800/one *13 带税RMB 296,400

16 CHs Low Pass filter ,ICP interface,

soft-changeable amplifier

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

带税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单元报价表

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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