【正文】 的記錄長(zhǎng)度和頻率分辨率 當(dāng) 采樣頻率 sf 和采樣點(diǎn)數(shù) N 確定之后，分析信號(hào)的記錄長(zhǎng)度（時(shí)間）就確定了，每一段樣本的長(zhǎng)度為 32 (1 / )sT N t N f? ? ? （ ） 同時(shí)還可以確定頻譜圖上的頻率分辨率，因?yàn)樽罡叻诸l率可以根據(jù)采樣頻率sf 確定，頻譜圖上的離散譜線數(shù)則為采樣點(diǎn)數(shù)的一般，因此分辨率就可以確定為 ( / 2) / ( / 2) 1 /sf f N T? ? ? （ ） 振動(dòng)信號(hào)的幅值域分析 幅值域分析時(shí)研究信號(hào)瞬時(shí)幅值最大值和最小值、幅值的平均值和波動(dòng)程度、平均能量以及幅值瞬時(shí)值的大小及其出現(xiàn)的次數(shù)。 均方根診斷 均方根（ RMS）診斷是根據(jù)機(jī)械的某些特征點(diǎn)上振動(dòng)響應(yīng)的均方根值與標(biāo)準(zhǔn)均方值的比較來(lái)判斷機(jī)械內(nèi)部狀態(tài)、進(jìn)行故障診斷的一種方法。信號(hào)的均方值 2x? 與信號(hào)的均值 2xm 、方差 2x? 之間有如下關(guān)系： 2 2 2x x xm???? （ ） 信號(hào)的均方根 2x? （信號(hào)的有效值）既反映了信號(hào)振動(dòng)的平均信息，又反應(yīng)了信號(hào)的波動(dòng)和離散程度。因此它可比較完整地反映機(jī)械內(nèi)部狀態(tài)，可用來(lái)作為判斷機(jī)械內(nèi)部狀態(tài)異常與否的依據(jù)。 均方根診斷簡(jiǎn)單易行，是一種實(shí)用性很強(qiáng)的診斷方法，它可適用于各種信號(hào)定期或永久的監(jiān)測(cè)，在目前的一些簡(jiǎn)易便攜式診斷機(jī)械中廣泛使用。均方根分析的主要缺點(diǎn)是振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定比較困難，它需進(jìn)行大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)才能 得到。 概率密度函數(shù)診斷 對(duì)于隨機(jī) 信號(hào)，定義信號(hào) x(t)落在區(qū)間 ( , )x x x?? 內(nèi)的概率為（圖 35）： 33 ( ( ) ) l im xT TP x x t x x T??? ? ? ? ? ? （ ） 則 ( ( ) )P x x t x x? ? ? ?為概率分布函數(shù) 式中 T—— 信號(hào)采樣的總時(shí)間； xT —— 信號(hào)落在 ( , )x x x?? 內(nèi)的時(shí)間：12x N iT t t t t? ? ? ???? ? ?。 圖 35 概率測(cè)量 概率密度函數(shù) ()px 定義為： 00( ( ) ) 1( ) l im l im xTTXXTp x x t x xpx x x T? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? （ ） 根據(jù)式（ ），當(dāng)區(qū)間 x? 為單位區(qū)間 ( 1)x?? 時(shí)，概率密度函數(shù)： ( ) ( ( ) ) l im xT Tp x p x x t x x T??? ? ? ? ? ? 因此，概率 密度函數(shù)表示單位區(qū)間上的概率，概率密度函數(shù)能在幅值域中完整描述隨機(jī)信號(hào)的分布規(guī)律。 不同特點(diǎn)的隨機(jī)信號(hào)有不同的概率密度曲線，因此，從概率密度函數(shù)可以區(qū)分隨機(jī)信號(hào)的一些特性。在動(dòng)態(tài)信號(hào)分析中，對(duì)于不同的動(dòng)態(tài)信號(hào)，有不同的概率密度函數(shù)。如正弦信號(hào)的概率密度函數(shù)為盆型；隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)為正態(tài)分布。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)機(jī)械處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其概率密度函數(shù)曲線是近似于正態(tài)分布的；而當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)異常周期信號(hào)時(shí)，就改變了原來(lái)概率密度函數(shù)曲線的形狀，概率密度函數(shù)就會(huì)出現(xiàn)中間凹兩邊高的雙峰形狀。因此當(dāng)實(shí)測(cè)的概率密度函數(shù)出現(xiàn)凹形 或雙峰形狀時(shí)，就說(shuō)明正常的隨機(jī) 34 信號(hào)中混入了周期信號(hào)，產(chǎn)生了周期性故障。 4 熱油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)作為生產(chǎn)過(guò)程和管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它從總體上可分為兩大部分：一是現(xiàn)場(chǎng)分布式的數(shù)據(jù) I/O 系統(tǒng)，即下位機(jī)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)處理顯示和管理系統(tǒng)，即上位機(jī)人機(jī)界面（ HMI）系統(tǒng)。下位機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程和管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到上位機(jī) HMI 系統(tǒng)中。必要時(shí)，下位機(jī)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信 號(hào)。上位機(jī)系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问饺缥淖?、聲音、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視、監(jiān)測(cè)的目的，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù) 35 的狀態(tài)（報(bào)警、正?；驁?bào)警恢復(fù)等），這些處理后的數(shù)據(jù)可能會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺(tái)上，還可能與別的系統(tǒng)結(jié)合形成功能更加強(qiáng)大的系統(tǒng)。同時(shí)， HMI 還可以接受操作人員的指示，將控制信號(hào)發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。 上位 機(jī) HMI 系統(tǒng)的功能主要靠上位機(jī)程序來(lái)完成。監(jiān)控組態(tài)軟件以其標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、通用性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、工作量小、開發(fā)調(diào)試周期短 ，成為開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序的主流開發(fā)工具，常見的有 WINCC，組態(tài)王，力 控， Controlx, MCGS 等。 本章先介紹了五種常用的過(guò)程控制系統(tǒng)的概念、組成和應(yīng)用特點(diǎn)，之后根據(jù)熱油泵系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求，選擇基于 PLC 和工控機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 基于 PLC 的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 可編程控制器 PLC 全稱為 Programmable Controller，是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算 、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。 目 前 PLC 在 國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)，使用類型分為開關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)。著名 的 PLC 生產(chǎn)廠家有 AB 通用電氣、日本三菱、德國(guó)西門子、韓國(guó)三星等。 36 系統(tǒng)組成 一 套完整的 PLC 控制系統(tǒng)主要由 PLC 硬件、通訊設(shè)備、 HMI 組成。 PLC硬件按功能不同主要分為單機(jī)和冗余。單機(jī)系統(tǒng)指 CPU 與 I/O 模塊在同一機(jī)架。冗余系統(tǒng)由兩個(gè)相同的本地機(jī)架和若干遠(yuǎn)程 I/O 機(jī)架組成。本地機(jī)架上不能有 I/O 模塊，當(dāng)主機(jī)架故障時(shí)，從機(jī)架自動(dòng)接管工作，保證系統(tǒng)連續(xù)工作。 PLC 的硬件組成主要由 CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口、電源部分組成。其中 CPU 是核心，輸入輸出單元是連接現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備與 CPU 之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位機(jī)等外設(shè)相連接。對(duì)于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，對(duì)于模塊式，各部件 獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過(guò)總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?。硬件系統(tǒng)框圖見圖41。 PLC 軟件由系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序組成。系統(tǒng)軟件由 PLC 制造廠商設(shè)計(jì)編寫，并存入系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接讀寫或更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。用戶程序是用戶利用編程語(yǔ)言，根據(jù)控制要求編寫的。常用編程語(yǔ)言有梯形圖、語(yǔ)句表、邏輯圖、功能表圖、高級(jí)語(yǔ)言等。 37 圖 41 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 應(yīng)用特點(diǎn) （ 1）可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)。 （ 2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 。 （ 3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。 （ 4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。 （ 5）體積小， 重量輕，能耗小，是機(jī)電一體化的特有產(chǎn)品。 基于 PC 總線的板卡與工控機(jī)組成的控制系統(tǒng) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) Industrial Personal Computer(簡(jiǎn)稱 IPC),是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行測(cè)量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工控機(jī) .它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器，在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。工控機(jī)由 CPU 卡、無(wú)源底板、工業(yè)電源、全鋼機(jī)箱、其他配件組成。常 用的工控機(jī)品牌有 IBM、 SIMENS、研華等。 38 基于 PC 總線的板卡是指計(jì)算機(jī)廠商為了滿足用戶需要，利用總線模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用功能模板。按板卡處理信號(hào)不同，分為模擬量輸入板卡（ A/D卡）、模擬量輸出板卡（ D/A 卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各種工況參數(shù)如溫度、壓力、流量、成分、轉(zhuǎn)速等由傳感器或一次測(cè)量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)變送器統(tǒng)一變換為 4~20mA 電流信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)則對(duì)被測(cè)信號(hào)按一 定的控制規(guī)律（如 PID 控制）計(jì)算，計(jì)算出送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，控制量由計(jì)算機(jī)輸入，經(jīng) I/O 接口送往輸出通道，形成閉環(huán)控制。 該系統(tǒng)是典型的 DDC 控制系統(tǒng)，工控機(jī)通過(guò)基于 PC 總線的板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并按照一定規(guī)律實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過(guò)板卡輸出，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程直接進(jìn)行控制。該系統(tǒng)具有組成靈活、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。 系統(tǒng)硬件、軟件組成 基于工控機(jī)和板卡的控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 （ 1） 硬件部分 硬件系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、 I/O 通道、參數(shù)檢測(cè)、輸出驅(qū)動(dòng)、人機(jī)接 口組成。 （ 2） 軟件部分 軟件部分包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件。系統(tǒng)軟件有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開發(fā)支撐軟件。用戶程序一般都由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、資源配備情況開發(fā)完成。 39 應(yīng)用特點(diǎn) 基于 PC 總線的計(jì)算機(jī)控制是一個(gè)典型的 DDC 系統(tǒng)，有以下特點(diǎn)： （ 1）時(shí)間上有離散性。 （ 2）采用分時(shí)控制方式。 （ 3）具有人機(jī)對(duì)話功能。 （ 4）控制方案靈活。 （ 5）危險(xiǎn)集中。 集散式控制系統(tǒng)（ DCS） 集 散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System ,DCS） ,又稱為 分布式控制系統(tǒng)，它以微機(jī)為核心，把過(guò)程控制裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入輸出通道、控制儀表等有機(jī)得結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，還通過(guò)通信系統(tǒng)把各 個(gè)分散的信息集中起來(lái)，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，以實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律的控制。 集散式控制系統(tǒng)組成 一 個(gè)基本的 DCS 系統(tǒng)應(yīng)包括至少一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，一個(gè)操作員站，一個(gè)工程師站，一條網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)四大部分。其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。 40 圖 42 集散 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級(jí)分布式控制系統(tǒng)。監(jiān)控計(jì) 算機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)各控制站的工作，以達(dá)到過(guò)程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化?？刂普緞t完成過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。操作站是人機(jī)接口裝置，它可以完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù)。數(shù)據(jù)采集站用來(lái)采集非控制過(guò)程信息。 應(yīng)用特點(diǎn) 集散控制系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。與傳統(tǒng)的儀表控制和一般的計(jì)算機(jī)控制相比，集散控制系統(tǒng)有以下突出特點(diǎn)： （ 1）分散控制，集中管理。 DCS 將控制任務(wù)分散到下層的各個(gè)控制單元，各控制單元獨(dú)自完成各自工作， 一旦現(xiàn)場(chǎng)控制單元發(fā)生故障，僅影響所管轄的控制回路，真正做到危險(xiǎn)分 散。另一方面，在集散控制系統(tǒng)中采用了多功能 操作站，它集中了生產(chǎn)過(guò)程所有信息， 并以多畫面方式顯示，真正做到集中管理。 （ 2）采用局域網(wǎng)通信技術(shù)。分布于各地域的現(xiàn)場(chǎng)控制單元與操作站間的數(shù)據(jù)通信采用了局域網(wǎng)通信技術(shù)，傳輸實(shí)時(shí)信息，操作站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元進(jìn)行操作、控制和管理，保證整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。 （ 3）采用模塊化結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)擴(kuò)展方便。集散系統(tǒng)的軟件和硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行硬件組態(tài)和軟件組態(tài)，組成各種控制回路。由于采用局域網(wǎng)技術(shù)，可通過(guò) 網(wǎng)絡(luò)連接器將網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)接入相應(yīng)的工作站或其他網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的擴(kuò)展 十分 方便。 DCS 經(jīng) 過(guò)多年發(fā)展，具有集中監(jiān)控、分散控制、操作簡(jiǎn)便、可靠性高等 41 優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn) DCS 結(jié)構(gòu)的不足之處如控制不能做到徹底分散、危險(xiǎn)仍然相對(duì)集中；由于系統(tǒng)不具有開放性，不同廠家的產(chǎn)品無(wú)法互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。 嵌入式系統(tǒng) 根據(jù)國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（ IEEE）定義，嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置。一般定義為，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)技術(shù)。 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)， 80 年代早期出現(xiàn)實(shí)時(shí)核，實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征， 90 年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并作為一種軟件平臺(tái)發(fā)展成為嵌入式系統(tǒng)的主流。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于 Inter 之外，但隨著 Inter 技術(shù)的發(fā)展以及 Inter 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與 Inter 的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成 ,嵌入式系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見圖 43. 硬件是整個(gè)嵌 入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的平臺(tái)，不同的應(yīng)用有不同的硬件環(huán)境。硬件部分包括處理器 /微處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 接口及輸入輸出設(shè)備，其中處理器是系統(tǒng)的核心。 嵌入式系統(tǒng)的軟件由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成。嵌入式操作系統(tǒng)完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核