Программное обеспечение для вибродиагностики технологического оборудования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет ДИМИТРОВГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ, УПРАВЛЕНИЯ И ДИЗАЙНА

(филиал) Ульяновского государственного технического университета Факультет технологический Кафедра информационных технологий Специальность 23 010 565

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Тема: Программное обеспечение для вибродиагностики технологического оборудования

Студент Колбасов Павел Афанасьевич Руководитель: Ракова О.А.

1. Информация о заказчике Выводы по разделу 1

2.

Введение

в предметную область

2.1 Схема диагностирования

2.2 Параметры и характеристики ЦБН Выводы по разделу 2

3. Обзор аналогичных продуктов

3.1 Прибор «Тест-СК»

3.2 Программа «Модальный анализ»

3.3 Виброанализатор «Диана-8»

3.4 «Атлант-8» — регистратор и анализатор вибросигналов Выводы по разделу 3

4. Обоснование средств разработки

4.1 Среда разработки Microsoft Visual Studio

4.2 Технология .Net Framework 2.0

4.3 Язык программирования С#

4.4 Nevron.Net Vision Q3 for VS2008

Выводы по разделу 4

5. Описание процесса разработки программы

5.1 Требования заказчика

5.2 Структура классов

5.3 Общий алгоритм работы

5.3.1 Ввод данных для диагностирования

5.3.2 Предварительная обработка информации для диагностирования

5.3.3 Расчет диагностических параметров

5.3.4 Подготовка и расчет диагностической матрицы

5.3.5 Отображение результатов диагностики и функций исходных данных

5.3.6 Сохранение результатов диагностики

5.4 Интерфейс программы

5.5 Тестирование программы Выводы по разделу 5

6. Экономический раздел

6.1 Оценка затрат на разработку продукта

6.2 Оценка экономической эффективности разработки Выводы по разделу 6

7. Безопасность жизнедеятельности

7.1 Гигиеническое нормирование условий труда программистов

7.2 Обеспечение нормируемой освещенности Выводы по разделу 7

Заключение

Список использованных источников Приложения

Работа сложных машин и механизмов в промышленности, на транспорте, в повседневной жизни неразрывно связана с эффектом вибраций, интенсивность и характер которых проявляются разным образом в зависимости от технического состояния оборудования. Поэтому, анализируя вибрации тем или иным методом, можно без вывода оборудования из рабочего режима, т. е. без демонтажа или без разборки, получить достаточно полную и достоверную информацию о его текущем состоянии и зарождающихся в нем неисправностях. Проводя такой анализ периодически, можно, исходя из динамики изменений вибраций во времени, спрогнозировать остаточный рабочий ресурс задолго (недели, месяцы) до выхода оборудования из строя. Своевременное выявление зарождающихся неисправностей и прогноз их развития являются двумя основными задачами технической диагностики.

Безразборная виброакустическая диагностика (ВАД) является достаточно молодым, но быстро развивающимся направлением в науке, имеющим большое прикладное значение. Используемые в ВАД методы позволяют существенно уменьшить затраты на обслуживание оборудования за счет повышения качества оценки состояния узлов машин и уменьшения временных затрат на диагностирование.

Безразборная виброакустическая диагностика узлов трения машин основана на виброакустических проявлениях работающих узлов машин. При разработке методов обработки и анализа виброакустического сигнала узла необходимо решить следующие задачи:

1) определить по динамическим характеристикам машины характерные для исследуемого узла частоты;

2) извлечь компоненты сигнала, относящегося к исследуемому узлу, из смеси шума других узлов, производственного шума и других шумовых фоновых возмущений;

3) определить влияния износа деталей на шумовые характеристики машины;

4) выбрать оптимальный метод и разработать систему виброакустической диагностики, обеспечивающей необходимую чувствительность для обнаружения износа деталей.

Самым простым и наиболее часто используемым виброакустическим диагностическим методом являются акустические технологии безразборного диагностирования трибоузлов «на слух», широко используемые, например, на железнодорожном транспорте при выявлении неисправных колесных пар. В 1998 году была разработана фонетическая диагностика, являющаяся разновидностью акустических технологий. В ней акустическая информация записана на контактный датчик, что позволяет прослушивать информацию многократно, избегать маскирующего воздействия посторонних шумов и создавать базу данных фонотек. Но у акустических технологий есть и существенный недостаток: человеческий фактор в диагностике состояния исследуемого объекта является определяющим.

Более прогрессивным является использование приборных технологий, которые подразделяются на три класса в зависимости от глубины исследования и используемых методов обработки виброакустической информации. К первому классу относятся приборные технологии первого уровня, позволяющие диагностировать машины с глубиной до трибоузла. Приборные технологии второго уровня, относящиеся, соответственно, ко второму классу, позволяют аналоговыми приборными средствами диагностировать машины до детали. Технологии третьего уровня, относящиеся к третьему классу приборных технологий, характеризуются использованием цифровых методов фильтрации и обработки виброакустической информации от трибоузлов с диагностикой до трибодетали. Третий класс, в зависимости от используемой математической модели обработки информации, подразделяют еще на три вида: частично-цифровой, насыщенно-цифровой и вэйвлетный.

При создании виброакустических диагностических методов, относящихся к приборным технологиям третьего класса, появляется проблема инструментария. Использование специализированных звуковых, ориентированных в основном на профессиональных музыкантов, и математических программ оказывается эффективным только для научных разработок виброакустических методов, которые тяжело применять на практике. Среди программ для обработки звука стоит отметить SoundForge, WaveLab и т. д. Среди математических пакетов общепризнанными лидерами являются MathCAD, MathLab, Mathematica и т. д. При решении прикладных задач становится очевидной необходимость создания с помощью языков программирования высокого уровня специализированного программного обеспечения для виброакустической диагностики.

Становится очевидным, что дальнейшее развитие виброакустических методов диагностирования, повышение качества диагностики, уменьшение временных затрат на обслуживание будут тесно связано с передовыми информационными технологиями. Поэтому к разработке методов, предназначенных для решения прикладных задач виброакустической диагностики, должны быть привлечены специалисты в области информатики и программирования. Данной деятельностью занимается заказчик ЗАО «ПромСервис», для кого и пишется данный программный продукт.

Конечным результатом данной дипломной работы должно стать получение готового, отвечающего последним требованиям отрасли программного продукта, реализующего применение методов и наработок заказчика в сфере виброакустической диагностики сложного промышленного оборудования для диагностики состояния центробежного нагнетателя.

1. Информация о заказчике

Закрытое акционерное общество (ЗАО) «ПромСервис» создано в 1992 бывшими сотрудниками НИИАР. Предлагает своим потребителям эффективные решения в области энергоресурсосбережения и диагностики.

Осуществляя комплексный подход к решению проблем энергосбережения, ЗАО «ПромСервис»

1) производит:

· приборы учета и регулирования тепла (погодного регулирования);

· автоматизированные системы диспетчеризации, контроля и вибродиагностики;

2) оказывает услуги:

· по монтажу, наладке, обслуживанию энергосберегающего оборудования;

· энергоаудита;

· в области промышленной безопасности и диагностики;

· по автоматизации, диспетчеризации, вибродиагностике.

Опыт, накопленный ЗАО «ПромСервис» в создании систем диагностирования сложного промышленного оборудования, позволил разработать и успешно внедрить широкую гамму интеллектуальных систем контроля, диагностирования и управления. На предприятиях России и стран СНГ работают сотни переносных систем диагностирования вращающегося оборудования «ДИЭС». Данная система позволяет на основе анализа виброакустических шумов выявлять несколько десятков видов механических и электрических дефектов оборудования роторного типа (турбины, воздуходувки, компрессоры, насосы, и т. п.).

Для оснащения ответственных промышленных агрегатов ЗАО «ПромСервис» выпускает стационарную систему автоматической диагностики и контроля оборудования «САДКО». Она позволяет в масштабе реального времени контролировать все технологические параметры — ток, давление, расход, температуру и т. п. Кроме того, на всех подшипниковых опорах устанавливаются датчики вибрации. Диагностирование в непрерывном режиме во время стационарных и переходных процессов позволяет исключить внезапные отказы. С помощью этой системы определяются практически все значимые механические дефекты и технологические отказы.

Автоматизированная система диспетчеризации и учета тепловых ресурсов на основе программно-аппаратного комплекса «САДКО-Тепло» предназначена для сбора, обработки, хранения и отображения данных о потреблении тепловой энергии и горячего водоснабжения для оснащения служб энергопотребляющих и энергоснабжающих предприятий, а также сбора данных о техническом состоянии узлов учета. Программное обеспечение системы совместимо практически со всеми часто используемыми в России марками теплосчетчиков и может быть легко адаптировано к реальным условиям, существующим в российских городах.

ЗАО «ПромСервис» имеет все необходимые лицензии, оборудование и высококвалифицированный персонал для выполнения энергоаудита различных объектов, включая отдельные здания, промышленные комплексы и города в целом.

Кроме того, осуществляет полный комплекс работ по энергоресурсосбережению, включая проектно-изыскательские, проектно-сметные работы, монтаж, демонтаж, пуско-наладку, сервисное, гарантийное и техническое обслуживание приборов учета газа, тепловой, электрической энергии и теплоносителя, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, систем контрольно-измерительных приборов и автоматики, вычислительной техники и технологического оборудования; пусконаладочные работы на газовом оборудовании для ТЭЦ, котельных, теплогенераторов с газогорелочными устройствами.

Сегодня ЗАО «ПромСервис» производит современное оборудование и создает новые технологии, обеспечивающие потребителям, работающим в самых различных сферах, получение максимального экономического эффекта. При этом постоянно совершенствует свои разработки, предоставляя своим партнерам и заказчикам приборы и сервисные услуги европейского качества.

Выводы по разделу 1

ЗАО «ПромСервис» в течение 10 лет занимается разработкой и внедрением стационарных и переносных систем безразборной виброакустической диагностики сложного технологического оборудования.

2.

Введение

в предметную область

В настоящее время наша страна — один из основных экспортеров природного газа. Для доставки газа потребителям, находящимся за многие тысячи километров от мест добычи, используются магистральные газопроводы.

Газ под давлением 75 атмосфер движется по трубам диаметром до 1.4 метра. По мере продвижения по трубопроводу газ теряет энергию, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа. Поэтому через определённые промежутки необходимо сооружать компрессорные станции (КС), на которых газ дожимается до 75 атмосфер устройством, называемым газоперекачивающий агрегат (ГПА). ГПА в свою очередь состоит из газовой турбины, используемой в качестве двигателя и центробежного нагнетателя (ЦБН). На рисунке 2.1 изображено устройство ГПА-Ц-16.

Рисунок 2.1 — Газоперекачивающий блочно-контейнерный агрегат ГПА-Ц-16:

1 — авиационный привод HK-16 CT; 2 — ЦБН природного газа Составные части ГПА, в нашем случае ЦБН, являются особо важными объектами, к которым необходим индивидуальный подход к каждой единице оборудования. Ведь выход из строя, временная остановка, простой сопровождаются большими экономическими потерями. Во всем мире для уменьшения риска внезапных остановок крупные и ответственные агрегаты находятся под постоянным контролем. Регулярно измеряются значения технологических и вибрационных параметров, которые сравниваются с допустимыми значениями, регламентированными технологическим процессом или соответствующими ГОСТами.

2.1 Схема диагностирования

Все ГПА оснащены штатными стационарными системами вибромониторинга. Например, ЦБН 7V-3, разработанный в компании Mitsubishi, оснащен стационарной системой вибромониторинга и контроля технических параметров «Bently Nevada». Газовая турбина оснащена системой виброконтроля СДКО с датчикам — пьезоакселерометрами, установленными на фланцевых соединениях (cм. рисунок 2.2 и таблицу 2.1).

Рисунок 2.2 — Схема расположения датчиков Таблица 2.1 — Обозначения датчиков на агрегате Экономический эффект от применения таких систем возрастает, если функции мониторинга дополнены возможностями диагностирования объекта, определения его фактического состояния без остановки технологического процесса. И даже системы контроля, изначально спроектированные и внедренные без диагностики, могут быть существенно расширены без существенного изменения аппаратной части: датчиков, контроллеров и т. п. Поэтому, ЗАО «ПромСервис» поставило задачу разработать и внедрить методику безразборной вибродиагностики центробежных нагнетателей газотурбинных установок.

В частности приведенная выше схема может быть расширена следующим образом. Измерительный канал СДКО подключается к системе «Bently Nevada» после первичной обработки сигнала. Нормализованный сигнал через аналого-цифровой преобразователь поступает на обработку и хранение в систему СДКО. Сигналы, полученные системой СДКО, поступают в распоряжение программы диагностирования, анализируются и на основе анализа программа выдает результаты. Блок-схема алгоритм диагностики приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Общий вид алгоритма диагностирования

2.2 Параметры и характеристики ЦБН

Принцип действия ЦБН заключается в переводе энергии газа из кинетической в потенциальную. Газ, проходя через всасывающий патрубок, попадает по оси вращения на рабочее колесо компрессора, где ударяется о вращающуюся лопатку, за счет чего приобретает скорость, и направляется по радиусу колеса от центра. Затем, в обратном направляющем аппарате, происходит превращение энергии из кинетической в потенциальную, за счет чего и обеспечивается рост давления. Проходя через ряд колес и при необходимости охлаждаясь в промежуточном теплообменнике, сжатый газ покидает компрессор через нагнетательный патрубок (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 — Схема ЦБН:

1 — корпус, 2 — рабочее колесо, 3 — вал, 4 — направляющий аппарат,

5 — обратный направляющий аппарат, 6 — всасывающий патрубок,

7-нагнетательный патрубок Исходя из конструкции ЦБН, все дефекты можно разделить на два типа:

1) связанные с аэродинамикой среды, например, срыв потока на лопатках рабочих колес или в направляющем аппарате;

2) механические неисправности, причиной которых является износ пар трения, появление несбалансированных моментов на валу, ослабление крепления и т. д.

Первый тип неисправностей сложно непосредственно обнаружить из-за высокой шумовой составляющей в информативном частотном диапазоне. Однако по косвенным признакам и с учетом анализа технологических параметров такие дефекты с определенной вероятностью выявить можно. Правда, для достоверного диагностирования дефектов большинство методик по их идентификации требуют нестационарных режимов работы установки и высокой квалификации оперативного персонала.

В данной работе основное внимание уделяется механическим неисправностям, возникающим в процессе функционирования центробежных нагнетателей, которые можно определить во время непрерывной работы агрегата при штатном режиме его работы.

Для правильного определения состояния ЦБН необходимо на основании технических характеристик выбрать наиболее информативные частотные диапазоны. С этой целью рассмотрим конструкцию ЦБН и основные технологические характеристики более подробно.

Вал ЦБН представлен на рисунке 2.5 и состоит из следующих узлов:

1) вал;

2) упорные подшипники;

3) опорный подшипник;

4) рабочие колеса;

5) муфта;

6) редуктор для подключения маслонасоса.

Рисунок 2.5 — Вал ЦБН:

A, B — опорные подшипники; C — упорный подшипник Рассмотрим характеристики узлов ЦБН 7V-3:

1) Вал:

· 1-я критическая скорость вала — 4100 об/мин (68.3 Гц);

· 2-я критическая скорость вала — 14 800 об/мин (246 Гц);

· частота вращения вала меняется в пределах 4980−5580 об/мин (83−93 Гц);

· допустимый уровень вибрации по амплитуде 25,4 мкм.

2) Подшипники:

· число вкладок опорной части (подшипники, А и В) — 5 шт.;

· число вкладок упорной части (подшипник С) — 6 шт.

3) Рабочие колеса:

· число ступеней сжатия — 3;

· число направляющих лопаток на каждой диафрагме — 28;

· количество лопаток каждого рабочего колеса — 13.

4) Муфта.

5) Маслонасос:

· подключение выполнено через зубчатую пару;

· число зубьев шестерен:

§ ведущей — 19;

§ ведомой — 26.

Отклонения от нормальной работы могут быть зафиксированы во время переходных процессов, при выходе на заданный режим. Это можно проконтролировать, только анализируя основные технологические параметры. К ним относятся:

1) температура переднего опорного подшипника нагнетателя;

2) температура заднего опорного подшипника нагнетателя;

3) температура упорного подшипника нагнетателя со стороны насоса;

4) температура упорного подшипника нагнетателя со стороны привода.

Нагруженность ЦБН характеризуется параметрами, которые могут свидетельствовать об изменении условий работы:

1) давления газа перед нагнетателем;

2) давления газа после нагнетателя;

3) температуры газа перед нагнетателем;

4) температуры газа после нагнетателя.

Таким образом, совместный контроль перечисленных параметров и отслеживание их трендов позволят выявить отклонения от нормальной работы агрегатов.

Разработанная методика предназначена для центробежных нагнетателей, работающих в стационарном режиме. В процессе диагностирования принимает участие определенный набор параметров, рассчитываемый на каждой опоре. Каждое состояние характеризуется своим определенным множеством параметров. Проведенный анализ данных показал, что все диагностические параметры можно разделить на несколько групп:

1) Оборотная частота вращения вала — Fo.

2) Размах виброперемещения Sр — величина, определяемая Руководством по эксплуатации ЦБН и свидетельствующая об общем состоянии опоры и агрегата. Параметр измеряется в направлениях вертикальном и горизонтальном (для двух опор); рассчитывается из спектров виброперемещения или выбирается из технологических параметров.

3) Амплитуда пика в спектре виброперемещения S (Fo) и виброускорения A (Fo), которая определяется из амплитудных спектров, являющихся расчетными функциями из сигнала виброперемещения, и содержащих информацию для диагностирования.

4) Наличие пика на определенной частоте R (Fo), которое определяется в виде отношения амплитуды спектра на соответствующей частоте к среднему уровню спектра в окрестности данной частоты.

5) Параметр, определяющий число гармоник указанной частоты М (Fo), присутствующих в конкретном спектре.

6) Параметр, характеризующий превышение амплитуды определенной частоты над другими информативными пиками EXCS (Fo).

7) Параметр, характеризующий технологический режим и определяемый как отношение выходного значения к входному, G (P).

На основании анализа всех параметров был составлен перечень всех неисправностей, которые возможно распознать в автоматическом режиме, т. е. без участия оператора. Он представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Перечень неисправностей ЦБН, определяемые системой

Выводы по разделу 2

Исходя из конструкции ЦБН, дефекты можно разделить на механические и связанные с аэродинамикой среды. Только механические дефекты можно диагностировать в штатном режиме работы оборудования, поэтому данная работа посвящена им.

Система диагностирования представляет программу на ПК, которая через специальное устройство получает данные от датчиков, расположенных на передней и задней опоре ЦБН, и информацию о технологических параметрах от встроенной штатной системы мониторинга ЦБН.

Для правильного определения состояния ЦБН необходимо:

1) на основании конструкции ЦБН и технических характеристик его узлов выбрать наиболее информативные частотные диапазоны, т. е. установить в каком частотном диапазоне наиболее полно проявляется неисправность конкретного узла ЦБН;

2) контролировать основные технологические параметры, такие как давление и температура газа до и после ЦБН.

На основании анализа всех параметров была разработана методика диагностирования и составлен перечень всех неисправностей, которые возможно распознать в автоматическом режиме.

3. Обзор аналогичных продуктов

3.1 Прибор «Тест-СК»

Прибор «Тест-СК» (см. рисунок 3.1) предназначен для проведения диагностики технического состояния оборудования станков-качалок и проведения диагностики состояния и балансировки вращающегося оборудования.

Основная функции прибора — регистрация и анализ ваттметрграмм работы станков-качалок (СК) и регистрация вибросигналов с вращающегося оборудования. Важным преимуществом применения прибора «Тест-СК» является то, что он позволяет диагностировать техническое состояние не только штангового насоса, как при динамографировании, но и редуктора и приводного электродвигателя.

Для удобства работы в приборе реализованы дополнительные алгоритмы, удобные для практического применения. В состав этих алгоритмов входят: балансировка с использованием отметчика фазы, расчет амплитуды и фазы гармоники, расчет спектра огибающей вибросигнала, определение частот собственного резонанса, маршрутная технология.

Рисунок 3.1 — Внешний вид прибора «Тест-СК»

Прибор позволяет:

1) Диагностировать дефекты штанговых насосов. Достаточно уверенно диагностируется до 80% дефектов, определяемых по динамограммам. Преимуществом данного метода является сравнительно невысокая трудоемкость и оперативность проведения работ.

2) Проводить анализ и контроль технического состояния редуктора. В процессе такого анализа оценивается состояние зубчатых пар и подшипников по валам, оценивается износ и остаточный ресурс редуктора.

3) Эффективно проводить динамическое уравновешивание СК. Реально, до 60% всех СК разбалансировано. Это объясняется низкой эффективностью уравновешивания при помощи токовых клещей.

4) Определять КПД всего станка-качалки, включая электродвигатель, редуктор, штанговый насос и гидравлическое сопротивление колонны штанг и, частично, самой скважины.

5) Регистрировать вибросигналы (виброускорение, виброскорость или виброперемещение) по одному измерительному каналу в выбранном частотном диапазоне с возможностью сохранения результатов измерения в энергонезависимую память прибора и последующего их просмотра.

6) Преобразовывать и анализировать зарегистрированные вибросигналы (спектр, спектр огибающей, мощность в полосе).

7) Проводить работы по динамическому уравновешиванию роторов агрегатов в собственных подшипниках или на балансировочных станках (в приборе реализован алгоритм одноплоскостной балансировки).

8) Определять амплитудно-фазо-частотные характеристики механического оборудования в режимах разгона/выбега.

9) Определять собственные частоты колебаний конструкций методом импульсного возбуждения.

10) Сохранять зарегистрированные сигналы в базе данных персонального компьютера (в приборе реализованы интерфейсы RS-232 и USB).

3.2 Программа «Модальный анализ»

Программа «Модальный анализ» предназначена для анализа импульсных и переходных характеристик сигналов, поступающих с входных каналов модулей АЦП и анализаторов спектра (в реальном масштабе времени или в режиме воспроизведения записанных временных реализаций). Внешний вид программы показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Внешний вид программы «Модальный анализ»

Программа позволяет определять собственные частоты и логарифмические декременты свободных колебаний механизмов и конструкций методом ударного возбуждения. Дополнительное окно «Спектр» предназначено для отображения спектральных характеристик сигналов с опорного и измерительного каналов.

Программа предназначена для обработки, визуализации вибросигнала, спектра вибросигнала, автоматического определения собственных частот, фаз, отношения пиковых амплитуд двух сигналов и декремента затухания различных механизмов, деталей, конструкций и прочих объектов методом измерения частот свободных колебаний, в режиме ударного возбуждения.

Данная программа может быть с успехом применена при проведении испытаний на удар; в области снижения вибрации, связанной с резонансом конструкций; для контроля изготовления и сборки ответственного оборудования; а также в научных целях при проведении экспериментальных исследований.

Измеряемые параметры:

1) амплитуда импульса — амплитуда (пиковое значение импульса) опорного и измерительного каналов, в единицах измерения;

2) ширина импульса сигнала опорного и измерительного каналов, в миллисекундах;

3) СКЗ шума — среднеквадратическое значение шума (СКЗ) сигналов

4) опорного и измерительного каналов до прихода импульса, в единицах измерения;

5) нижний и верхний пороги опорного и измерительного каналов, в единицах измерения;

6) соотношение амплитуда/помеха опорного и измерительного каналов, в дБ;

7) соотношение амплитуд измерительного канала к опорному;

8) время прихода импульсов опорного и измерительного каналов, в миллисекундах;

9) разность времен прихода импульсов, в миллисекундах;

10) частоты свободных колебаний и логарифмические декременты затуханий импульсов опорного и измерительного каналов;

11) фаза сигналов опорного и измерительного каналов.

3.3 Виброанализатор «Диана-8»

Восьмиканальный синхронный регистратор — анализатор вибросигналов «Диана-8» предназначен для решения практических задач диагностики состояния оборудования. Несмотря на «загруженность» прибора сложными функциями регистрации и обработки сигналов, он прост в работе и доступен для использования специалистами различного уровня вибрационной подготовки.

Таблица 3.1 - Технические параметры виброанализатора «Диана-8»

3.4 «Атлант-8» — регистратор и анализатор вибросигналов

Многоканальный синхронный регистратор-анализатор вибросигналов «Атлант-8» является современным прибором, предназначенным для решения наиболее сложных задач в вибрационной диагностике состояния оборудования. Основу виброанализатора «Атлант» составляет переносный компьютер типа «ноутбук», в котором объединены функции регистрации сигналов, обработки, хранения. Функции первичной обработки вибросигналов, фильтрации и синхронного цифрового преобразования реализуются во внешнем блоке. К этому блоку подключаются вибродатчики и отметчик фазы, используемый при балансировке. Применение компьютера для обработки сигналов снимает практически все ограничения, свойственные обычным переносным приборам виброконтроля. Это — малое количество входных каналов, низкое быстродействие, ограниченный объем памяти. Возможность проведения непрерывной регистрации сигналов в течение десятков секунд или минут позволяет использовать такие приборы для регистрации переходных процессов в оборудовании, для контроля вибрационных процессов в тихоходных механизмах и т. д.

Для удобства работы в состав ПО включены уже готовые вибродиагностические системы:

1) автоматизированная система диагностики технического состояния и поиска дефектов вращающегося оборудования по спектрам вибросигналов;

2) язык написания диагностических правил, при помощи которого пользователь может использовать все свои диагностические наработки;

3) система ранней диагностики дефектов состояния и монтажа подшипников качения по спектрам огибающей вибросигнала;

4) проведения балансировки и успокоения роторов в собственных подшипниках — до 14 плоскостей коррекции и 42 точек контроля.

Выводы по разделу 3

На данный момент существует много разработок для вибрационной диагностики промышленного оборудования. Их можно разделить на два типа:

1) выполненные в виде отдельного прибора;

2) программы для ПК, получающие данные из сторонних источников.

Разрабатываемая программа относится ко второму типу. Приведенные в этом разделе программы и приборы можно использовать для получения виброакустических сигналов, но интерпретация полученных данных ложится на пользователя, так как эти программные продукты и приборы не заточены под конструктивные особенности ЦБН.

4. Обоснование средств разработки

Одним из важных этапов разработки любой серьезной программы является оптимальный выбор средств и методов разработки. Для реализации данного программного продукта в качестве таковых были выбраны и согласованы с заказчиком следующие: среда разработки Microsoft Visual Studio 2008, профессиональный набор компонентов для создания интерфейса и визуализации результатов Nevron Vision Q3 и язык программирования C#.

4.1 Среда разработки Microsoft Visual Studio

Среда разработки Microsoft Visual Studio — это набор инструментов и средств, предназначенных для помощи разработчикам программ любого уровня квалификации в решении сложных задач и создания новаторских решений. Разработчикам программного обеспечения часто приходится решать ряд проблем, чтобы создавать удачные программы. Роль Visual Studio заключается в том, чтобы улучшить процесс разработки и упростить разработку высокоэффективных программ.

Как в Visual Studio улучшен процесс разработки:

1) Производительность Средства Visual Studio позволяют разработчикам работать с большей отдачей и затрачивать меньше усилий на повторяющиеся задачи. Следует отметить высокопроизводительные редакторы кода, поддержку технологии IntelliSense, мастеров и различных языков кодирования в одной интегрированной среде разработки (IDE), а также продукты управления жизненным циклом приложений (ALM) в Microsoft Visual Studio Team System. В новых версиях Visual Studio постоянно появляются новые средства, позволяющие разработчикам сосредоточиться на решении основных проблем, а не на рутинной работе.

2) Интеграция Разработчики, применяющие Visual Studio, получают в свое распоряжение интегрированный продукт, включающий инструменты, серверы и службы. Продукты Visual Studio отлично работают вместе — не только один с другим, но и с прочими программами Майкрософт, включая серверные продукты и приложения Microsoft Office.

3) Комплексность В Visual Studio содержатся инструменты для всех этапов разработки программного обеспечения (разработка, тестирование, развертывание, интеграция и управления) и для разработчиков любого уровня квалификации, от новичков до опытных специалистов. Visual Studio поддерживает разработку для различных типов устройств — ПК, серверов, сетевых и мобильных устройств.

4) Надежность

Visual Studio разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить высокую надежность и совместимость. Visual Studio обладает удачным сочетанием безопасности, масштабируемости и взаимодействия. В Visual Studio всегда поддерживаются новейшие технологии, но везде, где это возможно, обеспечивается обратная совместимость.

4.2 Технология .Net Framework 2.0

Microsoft.NET Framework — программная технология, предназначенная для создания как обычных программ, так и веб-приложений (в качестве платформы для разработок впервые предложена корпорацией Microsoft).

Одной из основных идей Microsoft.NET является совместимость различных служб, написанных на разных языках. Например, служба, написанная на C++ для Microsoft.NET, может обратиться к методу класса из библиотеки, написанной на Delphi; на C# можно написать класс, наследованный от класса, написанного на Visual Basic.NET, а исключение, созданное методом, написанным на C#, может быть перехвачено и обработано в Delphi. Каждая библиотека (сборка) в.NET имеет сведения о своей версии, что позволяет устранить возможные конфликты между разными версиями сборок.

.NET является патентованной технологией корпорации Microsoft. Тем не менее, после заключения договоренности с компанией Novell, была признана технология Mono как реализация.NET на Unix-подобных системах (GNU/Linux, Mac OS X). Однако договорённость касается Novell и клиентов Novell, также технологии ASP.NET, ADO.NET и Windows. Forms не были стандартизированы ECMA/ISO и использование их в Mono находится под угрозой претензий со стороны Microsoft. Mono предоставляет реализацию ASP.NET, ADO.NET и Windows. Forms, но в то же время рекомендует обходить эти API.

Среды разработки.NET-приложений:

1) Microsoft Visual Studio (C#, Visual Basic.NET, Managed C++).

2) SharpDevelop.

3) MonoDevelop.

4) Eclipse.

5) Borland Developer Studio (Delphi for.NET, C#).

6) PascalABC.NET и т. д.

Приложения также можно разрабатывать в текстовом редакторе и использовать консольный компилятор.

Так же как и технология Java, среда разработки.NET создаёт байт-код, предназначенный для исполнения виртуальной машиной. Входной язык этой машины в.NET называется MSIL (Microsoft Intermediate Language), или CIL (Common Intermediate Language, более поздний вариант), или просто IL. Применение байт-кода позволяет получить кроссплатформенность на уровне скомпилированного проекта (в терминах.NET: сборка), а не только на уровне исходного текста, как, например, в С. Перед запуском сборки в среде исполнения CLR байт-код преобразуется встроенным в среду JIT-компилятором (just in time, компиляция на лету) в машинные коды целевого процессора. Также существует возможность скомпилировать сборку в родной (native) код для выбранной платформы с помощью поставляемой вместе с.NET Framework утилиты NGen.exe.

Преимущества.Net:

1) Полные возможности взаимодействия с существующим кодом. Существующие двоичные компоненты СОМ отлично работают вместе с двоичными файлами.NET.

2) Полное и абсолютное межъязыковое взаимодействие. В отличие от классического СОМ, в.NET поддерживаются межъязыковое наследование, межъязыковая обработка исключений и межъязыковая отладка.

3) Общая среда выполнения для любых приложений.NET, вне зависимости от того, на каких языках они были созданы. Один из важных моментов при этом — то, что для всех языков используется один и тот же набор встроенных типов данных.

4) Библиотека базовых классов, которая обеспечивает сокрытие всех сложностей, связанных с непосредственным использованием вызовов API, и предлагает целостную объектную модель для всех языков программирования, поддерживающих.NET.

5) Отсутствие сложности, присущей СОМ. IClassFactory, IUnknown, код IDL и VARIANT-совместимые типы данных (BSTR, SAFEARRAY и остальные) не используются в коде программ.NET.

6) Действительное упрощение процесса развертывания приложения. В.NET нет необходимости регистрировать двойные типы в системном реестре. Более того,.NET позволяет разным версиям одного и того же модуля DLL мирно сосуществовать на одном компьютере.

1. Строительные блоки.NET (CLR, CTS и CLS)

Технологии CLR, CTS и CLS очень важны для понимания смысла платформы.NET. С точки зрения программиста.NET вполне можно рассматривать просто как новую среду выполнения и новую библиотеку базовых классов. Среда выполнения.NET как раз и обеспечивается с помощью Common Language Runtime (CLR, стандартная среда выполнения для языков). Главная роль CLR заключается в том, чтобы обнаруживать и загружать типы.NET и производить управление ими в соответствии с вашими командами. CLR берет на себя всю низкоуровневую работу — например, автоматическое управление памятью, межъязыковым взаимодействием, развертывание (с отслеживанием версий) различных двоичных библиотек.

Еще один строительный блок платформы.NET — это Common Type System (CTS, стандартная система типов). CTS полностью описывает все типы данных, поддерживаемые средой выполнения, определяет, как одни типы данных могут взаимодействовать с другими и как они будут представлены в формате метаданных.NET.

Важно понимать, что не во всех языках программирования.NET обязательно должны поддерживаться все типы данных, которые определены в CTS. Common Language Specification (CLS) — это набор правил, определяющих подмножество общих типов данных, в отношении которых гарантируется, что они безопасны при использовании во всех языках.NET.

2. Библиотека базовых классов.NET

Помимо спецификаций CLR и CTS/CLS платформа.NET предоставляет в распоряжение программиста также и библиотеку базовых классов, доступную из любого языка программирования.NET. Библиотека базовых классов не только прячет обычные низкоуровневые операции, такие как файловый ввод-вывод, обработка графики и взаимодействие с оборудованием компьютера, но и обеспечивает поддержку большого количества служб, используемых в современных приложениях.

4.3 Язык программирования С#

Специально для платформы.NET Microsoft был разработан новый язык программирования С#. С# - это язык программирования, синтаксис которого очень похож на синтаксис Java (но не идентичен ему). Например, в С# (как в Java) определение класса состоит из одного файла (*.cs), в отличие от C++, где определение класса разбито на заголовок (*.h) и реализацию (*.срр). Однако называть С# клоном Java было бы неверно. Как С#, так и Java основаны на синтаксических конструкциях C++. Если Java во многих отношениях можно назвать очищенной версией C++, то С# можно охарактеризовать как очищенную версию Java.

Синтаксические конструкции С# унаследованы не только от C++, но и от Visual Basic. Например, в С#, как и в Visual Basic, используются свойства классов. Как C++, С# позволяет производить перегрузку операторов для созданных типов (Java не поддерживает ни ту, ни другую возможность). С# - это фактически гибрид разных языков. При этом С# синтаксически не менее (если не более) чист, чем Java, так же прост, как Visual Basic, и обладает практически той же мощью и гибкостью, что и C++.

Подводя итоги, еще раз выделим основные особенности С#:

1) Отсутствие указателей. В программах на С#, как правило, нет необходимости в работе с ними (однако если вам это потребуется — возможность работы с указателями в наличии).

2) Управление памятью производится автоматически.

3) В С# предусмотрены встроенные синтаксические конструкции для работы с перечислениями, структурами и свойствами классов.

4) В С# осталась возможность перегружать операторы, унаследованные от C++. При этом значительная часть возникавших при этом сложностей ликвидирована.

5) Предусмотрена полная поддержка использования программных интерфейсов. Однако в отличие от классического СОМ применение интерфейсов — это не единственный способ работы с типами, используя различные двоичные модули,.NET позволяет передавать объекты (как ссылки или как значения) через границы программных модулей.

6) Также предусмотрена полная поддержка аспектно-ориентированных программных технологий (таких как атрибуты). Это позволяет присваивать типам характеристики для описания в будущем поведения данной сущности.

Возможно, самое важное, что необходимо сказать про язык С#, — это то, что он генерирует код, предназначенный для выполнения только в среде выполнения.NET. Например, вы не сможете использовать С# для создания классического СОМ-сервера.

4.4 Nevron.Net Vision Q3 for VS2008

Nevron.Net Vision Q3 — профессиональный программный набор компонентов для создания современных стильных GUI-программ. Состоит из Nevron Chart for.NET и Nevron UI for.NET.

Nevron Chart for.NET — ведущий компонент по построению графиков для.NET. Он обеспечивает обширную функциональность, подходящую для презентаций, научных, финансовых и деловых графиков. Поддерживает рендеринг GDI+ и OpenGL, множество видов построения графиков со встроенными логическими блок-схемами, гибкими осями, и прочее. Благодаря сочетанию встроенной возможности презентации качественно созданных графиков и мощной серверной поддержки, этот компонент является единственным в своем роде.

Возможности Nevron Chart for.NET позволяют вмещать в интуитивную и исчерпывающую модель программирования большое количество свойств. Компонент виртуально отображает любые 2D или 3D графики (см. рисунок 4.2), включая: Bar, Line, Step Line, Area, Pie, Point, Bubble, Stock, Floating Bar, Radar, Polar, High Low, Mesh Surface, Grid Surface, Shape, Smooth Line, Float Bar, Venn и Error, со множеством изменений (таких как Scatter XY и XYZ Line, Stacked Bars и т. д.).

Рисунок 4.2 — Графики в Nevron Chart for.NET

Nevron UI for.NET — это решение для приведения приложений.NET в соответствие с последними стандартами и технологиями GUI. Набор предоставляет множество расширенных управляющих элементов, таких как MS Outlook 2003 Navigation Pane, Windows XP Explorer Bar и полный набор элементов управления Windows Forms, упрощая создание безупречного, стильного и современного уровня представления для конечного пользователя.

Выводы по разделу 4

Выбранные средства и методы разработки позволяют достаточно быстро разрабатывать эффективные приложения. Visual C# мощный инструмент для создания приложений на базе Windows и.NET. К тому же платформа.NET сейчас является фактическим стандартом при разработке программ для новых операционных систем Microsoft Windows. Набор компонентов Nevron Vision Q3 позволяет виртуально отображать любые 2D или 3D графики и создавать стильные и современного уровня интерфейсы для конечного пользователя.

5. Описание процесса разработки программы

5.1 Требования заказчика

Программа «Триггер 2В» предназначается для диагностирования состояния центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях.

Заказчик ЗАО «ПромСервис» поставил следующие требования к программному продукту:

1) реализовать удобный пользовательский интерфейс;

2) использовать среду визуального проектирования Visual Studio.NET 2008;

3) реализовать получение исходных данных из текстовых файлов и Excel-файла;

4) реализовать разработанную заказчиком методику диагностирования;

5) визуализировать результаты в виде графиков и диаграмм;

6) использовать ОС Windows 2000/2003/XP/Vista с Framework 2.0.

5.2 Структура классов

Основными объектами данных в данной программе выступают однородные наборы данных — массивы. Но часто с ними нужно совершать или на основе их получать новые данные. Например, с набором сигналов, считанных с опор оборудования, нужно производить следующие действия:

1) добавлять данные;

2) обращаться к конкретному сигналу;

3) получать значения статистических параметров набора, таких как максимальный/минимальный элемент, дисперсия, среднее арифметическое, коэффициент асимметрии и коэффициент эксцесса.

Для работы с такими набором данных был создан класс Massiv.

class Massiv: IEnumerable

{

protected ArrayList Mas; //контейнер данных

private double Max; //статистические параметры

private double Min;

private double Sred;

private double Dispersia;

private double KoefAssimetr;

private double KoefEcses;

private double xSred;

public Massiv ()

{

Mas = new ArrayList ();

}

}

Данный класс содержит элемент ArrayList в качестве контейнера данных. ArrayList позволяет реализовывать массив переменной длинны для хранения неоднородных объектов, не заботясь о выделении памяти. Но сигналы являются однородными объектами типа double, поэтому требуется проверять однородность данных. Это реализовано через интерфейс IEnumerable. IEnumerable позволяет индексировать массив, т. е. через запись mas[i] получать значение i-того элемента массива в требуемом типе данных, в нашем случае типе double. Для предотвращения ошибок, связанных с возможно неправильным типом данных было применено «защитное программирование» — связка try{}…catch{}.

public double this[int num]

{

get{

try {return (double) Mas[num]; }

catch { return 0;}}

set

{

try

{Mas[num] = value; }

catch{}

}

}

Расчет статистических параметров происходит в процедуре Set_StatistikParameter (), а выдача самих параметров реализована через соответствующие свойства.

public double Disp //дисперсия

{

get

{

return Dispersia;

}

}

public double Koef_Assimetr //коэф ассиметрии

{

get

{

return KoefAssimetr;

}

}

На основе класса Massiv были созданы еще два класса: MassivTP и MassivYstavok.

Класс MassivTP предназначен для хранения технологических параметров агрегата, в связи с этим в него была добавлена функция вывода по номеру соответствующего технологического параметра.

class MassivTP: Massiv

{

public string Parameter (int num);

}

Класс MassivYstavok используется в программе для хранения уставок диагностических параметров. Уставка — заданные технологические параметры, характеризующие полностью исправный агрегат. По превышению уставки над реальным полученным значением можно судить о том или ином дефекте. Диагностических параметров очень много, но для удобства программирования доступ к ним реализован через свойства класса.

public double U_Rfo

{

get

{

return (double)Mas[3];

}

}

public double U_R2fo

{

get

{

return (double)Mas[8];

}

}

Еще из нововведений функция получения названия уставки по номеру public string Parameter (int num), процедура вывода уставок в компонент ListBox public void SetListBox (NListView list) и процедура изменения значения выбранной пользователем уставки public void SetUstavki (int num, double znach).

class MassivYstavok: Massiv

{

private double ОП;

private double УП;

private double fl1;

private double fl2;

private double fl3;

private double fna;

private double fz;

private double ред;

private double KOEFF;

public void SetUstavki (int num, double znach)

{

Mas[num] = znach;

}

public void SetListBox (NListView list){…}

public string Parameter (int num)

{

string ret = «» ;

switch (num)

{

case 0:

ret = «U1_Sfгг» ;

break;

}

}

Для хранения и безопасного использования всех данных предназначен класс Dannie. Наряду с исходными данными, считанными из файла или заданными по умолчанию (сигналы с опор, дата измерения и название агрегата, массивы уставок и технологических параметров), он содержит множество дополнительных переменных для хранения промежуточных данных. Все переменные скрыты от внешнего изменения с помощью ключевого слова private. Весь функционал и взаимодействие с пользователем реализован через открытые внешне процедуры и функции.

public partial class Dannie

{

private string U_NAME; // название аппаратуры

private string DiagDate; //Дата и время измерения

private int CountInMas; // число измерений в массивах сигналов

private int CountInMasTehParametr; //числоТП

private MassivTP TP; // Значения технологических параметров

public int kodZ;

//- 1 — нет сигнала ЗО верт;

//- 2 — нет сигнала ЗО гориз;

//- 4 — нет сигнала ЗО осев;

//- 8- нет сигнала ПО верт;

//- 16 — нет сигнала ПО гориз;

//- 32 — ошибки чтения ТП

private Massiv X_MSEK; // E6: E8197 Отсчеты сигналов, мсек

private Massiv SI_ZOV; //Cигналы с опор

private Massiv SI_ZOH;

private Massiv SI_ZOA;

private Massiv SI_POV;

private Massiv SI_POH;

}

Класс Dannie очень большой — около 500 переменных и более 200 функций, поэтому с помощью ключевого слова partial разбит на несколько файлов, а сами файлы сгруппированы по папкам в соответствии с выполняемыми в них действиями (см. рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 — Внешний вид проекта В последующих разделах весь функционал проекта будет рассмотрен подробнее.

5.3 Общий алгоритм работы

В соответствии с методикой диагностирования, разработанной заказчиком, программа для получения конечного результата должна пройти через шесть шагов:

Шаг 1. Ввод данных для диагностирования.

Шаг 2. Предварительная обработка информации для диагностирования.

Шаг 3. Расчет диагностических параметров.

Шаг 4. Подготовка и расчет диагностической матрицы.

Шаг 5. Вывод результатов диагностики и графиков функций исходных данных.

Шаг 6. Сохранение результатов диагностики Рассмотрим эти шаги подробнее.

5.3.1 Ввод данных для диагностирования

Для выявления дефектов оборудования необходимо загрузить из файлов следующую информацию:

1) виброакустические данные с опор оборудования и технологические данные агрегата;

2) конфигурацию агрегата;

3) справочник диагностических состояний.

1. Загрузка сигналов Данные сигналов и технологические параметры содержатся в Excel-файле, который имеет структуру, изображенную в таблице 5.1. Полностью функции загрузки данных из Excel приведены в приложении А.1.

Таблица 5.1 — Структура файла сигналов