工业设备振动矢量与在线监测

1. 实时获取设备三轴振动时序信号，计算振动矢量与方向。
2. 提取关键诊断特征：RMS、PPV、峰值、包络谱、1/3倍频程、阶次谱、频带能量等。
3. 识别常见故障类型：不对中、失衡、轴承故障、齿轮磨损、松动、共振等。
4. 多级预警并联动维修工单/停机策略，减少停机损失。
5. 提供长期趋势分析和寿命预测支持（基于累积能量/疲劳模型）。

• 连续运行关键设备需在线、无盲区监测；
• 希望早期识别轴承/齿轮/耦合问题并降低突发停机率；
• 需实现远程查看、历史回放与数据对接（ERP/CMMS）；
• 设备工况复杂，需矢量/方向信息以定位故障源（例如基座共振导致竖向振幅异常）。

1. 布点原则
   • 主要振动源（轴承座、支撑座、联轴器、齿轮箱壳体）每处至少布1个三轴传感器；关键或大型设备两侧对称布点以实现方向与相位分析。
2. 传感器类型
   • 三轴加速度计（低频响应好用于结构/震动）或三轴速度计（对RMS/VC评估友好）；必要时并联位移或应变传感器。
3. 采样与同步
   • 采样率：建议 2 kHz（一般机械故障频谱<1 kHz）；轴速相关（阶次分析）要求采集编码器或转速信号用于同步。
   • 同步精度：多点联合分析需时间同步误差 ≤1 ms。
4. 边缘处理
   • 本地计算RMS、PPV、瞬时矢量、包络谱、1/3倍频程能量并在阈值或事件时上传原始波形。
5. 通信架构
   • 现场：RS485/Modbus/4-20mA → 采集主机；采集主机 → 云：以太网/4G（LTE）/Wi-Fi。
6. 平台功能
   • 实时大屏、历史回放、趋势/频谱/包络/阶次图、告警管理、工单联动、第三方API（REST/MQTT）推送。

• 三轴瞬时速度/加速度矢量：$\mathbf{a}(t)=[a_x(t),a_y(t),a_z(t)]$ 或 $\mathbf{v}(t)=[v_x(t),v_y(t),v_z(t)]$。
• 合成值（峰值）：$PPV_{vec}=\max_t\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}$。
• 水平合成：$PPV_H=\max_t\sqrt{v_x^2+v_y^2}$。
• 竖向分量：$PPV_V=\max_t|v_z|$。
• 瞬时方向（方位角）：在峰值时刻 $t^*$，$\theta=\operatorname{atan2}(v_y(t^*),v_x(t^*))$。
• RMS（区间内）：$RMS=\sqrt{\frac{1}{T}\int_{0}^{T}v^2(t)dt}$。
• 包络分析：对加速度信号做Hilbert包络或带通—整流—低通处理，提取轴承故障特征频率（BPFO/BPFI等）。
• 阶次分析：当机械转速可知时，计算各阶次幅值及其相位，有利于辨别不平衡/励磁/齿轮问题。

• RMS (mm/s)：反映持续能量，常用于长期趋势与VC等级参考。
• PPV / Peak velocity (mm/s)：瞬时冲击强度，判断突发冲击或撞击。
• 振动方向角（°）：定位振动源方向，有助于区分基座/壳体/轴承问题。
• 包络谱特征：轴承故障频率（BPFO/BPFI/FTF）峰值上升表明滚动体/保持架/内外环损伤。
• 阶次能量/相位：不对中（2nd order或多阶次）与不平衡（1st order）判别。
• 频带能量（1/3倍频程）：找出结构共振区间并判断是否与工频或机械频率重合。
• 峰值次数与持续时间：连续高频冲击更危险，需关注累计冲击能量。

• 三轴加速度传感器（工业级，IEPE或兼容）× 若干
• （可选）速度传感器或加速度+实时积分模块
• 转速编码器/光电传感器（阶次分析）
• 信号调理器 / 防雷接地器
• 24-bit 数据采集器（多通道，带抗混叠滤波）与边缘计算网关
• 采集主机（RS485/Modbus 支持）+ 4G/以太网通信模块
• UPS / 供电模块，防护箱（IP65）与安装支架
• 云平台与移动/PC端可视化软件

• 传感器量程（加速度）：±2 g、±10 g 可选；分辨率 ≤0.001 g。
• 频率响应：0.5 Hz ~ 5 kHz（轴承故障需要到 kHz 级别时采样提高）。
• 采样率：推荐 2 kHz（可按设备调整至 5–10 kHz 用于高频冲击识别）。
• ADC：24-bit；动态范围大于 110 dB。
• 时间同步：GPS/PTP/NTP（多点同步时使用GPS）。
• 通信：RS485（Modbus RTU/TCP）、MQTT/REST API。
• 边缘CPU：能执行FFT、包络、阶次变换的单板或嵌入式PC。

注：阈值须结合设备类别、厂商推荐、ISO/IS0 10816 / ISO 20816 类标准与历史基线进行调校。示例仅供参考。

• 绿色（正常）：RMS < 1.0 mm/s，PPV短冲突 < 2 mm/s；
• 黄色（关注）：RMS 1.0–3.0 mm/s，出现单次PPV 2–5 mm/s 且频谱无轴承特征；加强巡检；
• 橙色（预警）：RMS 3–8 mm/s 或 持续PPV>5 mm/s，包络谱出现轴承频率上升；建议停机检查或限载；
• 红色（报警）：RMS>8 mm/s 或 PPV 突破历史峰值且伴有谐波/包络异常；立即停机并检修。

1. 现场点位与安装（刚性固接、靠近结构实心位置、防水防尘、接地防雷）。
2. 传感器接入信号调理器→采集器→边缘网关（本地计算特征并缓存）。
3. 常态数据（指标）周期上传（如每1分钟），事件/告警时上传原始波形包。
4. 云端存储、可视化、报警规则执行、工单生成与API推送第三方（ERP/CMMS）。
5. 运维：定期校准、固件升级、数据质量审计。

• 实时仪表盘：三轴时域、FFT、包络谱、阶次图；振动矢量极坐标图；趋势曲线与告警日志。
• 事件回放：可下载事件原始波形（MSE格式或CSV），回放并二次处理。
• 诊断知识库：规则库（不平衡/不对中/轴承/齿轮/松动）+ 机器学习模型（基于历史标签数据）提供辅助判决。
• 报表导出：日/周/月报、能耗/振动健康评分、维修建议清单。
• 第三方接口：RESTful API、MQTT、OPC-UA（可选）用于下发告警或同步至企业系统。

• 传感器每6–12个月校准一次；关键点异常后需立即拆检。
• 软件阈值初期运行 1–3 个月收集基线并微调。
• 定期检查接地、防水与机械连接件；检查数据完整性与时钟同步。

• 矢量化定位更准确：能指示振动方向与传播路径，便于定位故障源。
• 多域诊断能力强：时域/频域/包络/阶次结合，提高早期故障识别率。
• 边缘+云协同：降低通信量、缩短响应时间、事件可追溯。
• 可对接企业运维：支持工单自动生成、运维闭环。

• 工业生产线设备（电机、压缩机、泵、风机）监测；
• 发电厂机组、冷却系统、变速箱与齿轮箱；
• 制药、半导体与食品行业关键旋转设备；
• 造纸、矿山、冶金等重工业设备在线监控。

• ISO 10816 / ISO 20816 系列：机械振动评价标准；
• ISO 13373：振动诊断与轴承故障分析；
• ASTM 与 IEC 相关仪器校准规范；
• 经典教材：Machinery Vibration, B. Singh 等。