高性價比網絡化離線精密監測系統的研發和應用

常英杰

（普迪美科技（北京）有限公司，北京 100081)

0 引言

VBT3X系列機器狀態趨勢監測儀器和軟件由普迪美專家設計，經過多年現場應用和驗證，證明是個成功的產品。VBT3X包括 VBT33，VBT35+，VBT36機器狀態巡檢儀和VBT-View機器狀態和趨勢分析軟件。工廠預測維修系統的實施，狀態監測和故障診斷技術的應用，取決于趨勢監測和報警的基礎工作。首先要發現問題，才有可能解決問題，同時，發現的問題還要準確，既避免漏報警，也要避免誤報警。

狀態監測是目前所有先進維修方式實踐的基石，先進管理和新技術的工業現場推廣最大的障礙是人力資源的匱乏和專業技能的不足。對狀態監測工作分級或分層、規范化、教育和培訓，則是項目成功實施和改進的必然選擇。

1 狀態監測工作4象限

將狀態監測工作做2個維度的劃分，即監測和診斷，簡易與復雜。監測是為了發現問題，監測其發生、發展以致解決的循環過程；診斷是為了確定問題的原因、部位、機理和根源，從而制定維護和修理行動方案。簡易是指用簡單的儀器和軟件，容易使用，操作簡單，對專業水平要求不高，可以規范和普及；復雜是指需要用復雜的儀器和軟件系統，對專業技術水平要求較高。如此2維度、4象限狀態監測工作定義（圖1），可以幫助企業理清需要和具備的條件，完成制定合理的系統解決方案。

圖1 設備狀態監測4象限

簡易監測是對一個或多個單值狀態參數的監測，包括趨勢跟蹤和報警，一般用簡易的儀器進行。比較理想的情況儀器具備數據記錄或路徑檢測功能，配套簡單的專用軟件能夠更有效的監測、報警和報告。

簡易診斷是當簡易監測發現異常后，利用已有單值監測參數和/或臨時增加的測點數據，利用簡單的容易掌握的經驗法則所進行的故障判斷。例如用高頻檢測參數和經驗標準進行的軸承狀態的判斷，利用不同測點、不同方向、不同界面的振動值比較發現振動的一致性、方向性、差異性的特征，從而判斷問題的性質。簡易診斷僅利用單值數據，是初步故障分析。

精密監測除了利用單值數據，還利用復雜圖譜，包括頻譜/波形、包絡解調譜等。從這些譜圖中可以提取更多個單值參數、特征值或頻帶值，并對這些參數建立報警限和報警規則或者對譜圖建立包絡報警。精密監測需要數據采集器和監測分析軟件，能夠完成數據庫建立、參數和報警設置、路徑數據采集和傳送、趨勢和報警、圖譜顯示和分析、異常數據提取和預診斷、報表和報告等任務。

精密診斷是當精密監測發現了異常之后，利用已有的監測數據，包括單值數據、圖譜和提取的特征值數據；也可能臨時增一些的測點，增加一些測試方法，如相位分析、啟停機試驗、敲擊測試等；利用振動特征分析方法，分析問題的性質、原因、部位、機理擬或根源。然后根據診斷結論提出維修建議，作為預測維修的依據。

2 VBT3X系列機器狀態巡檢儀

2.1 VBT3X系列機器狀態巡檢儀簡介

VBT3X系列機器狀態巡檢儀的設計目標是為了滿足簡易監測、簡易診斷、精密監測和部分精密診斷的需要，設計理念充分考慮現場實際。產品系列化，區分使用層次，功能夠而不冗余；趨勢監測靈敏，故障覆蓋率高；操作簡便快捷，系統實施門檻低，性價比高。VBT33機器狀態巡檢儀作為一款普及型狀態監測儀器，實現多單值參數多功能測量，但不必具有現場人員難以理解的頻譜/波形分析。簡單可靠，容易使用。

2.2 VBT3X系列機器狀態巡檢儀功能

（1）同時測量振動速度，加速度，和位移；并利用ISO 10816-3：2009振動標準即時評價機器振動狀態，如果超標，給操作者報警提示。

（2）同時檢測軸承高頻振動加速度值和軸承振動速度有效值，以及包絡解調值；并利用經驗準則評價滾動軸承健康狀態，提供軸承損壞早期報警。

（3）在聽診器模式，可以聽取原始的和濾波的振動聲音信號，操作者可結合振動測量直接感官評價軸承狀態。

（4）儀器內置紅外測溫傳感器和激光指示器，提供對軸承座或機器表面溫度的即時檢測。

（5）VBT33可按VBT-View軟件設置的數據庫和路徑，進行路徑數據采集。可以對機器設置RFID（Radio Frequency Identification Devices，無線射頻識別）電子標識，路徑采集時自動識別機器。也可以現場臨時增加非路徑數據采集。可存儲30個路徑，900臺機器，9000個測點和2.7萬個位置的巡檢數據。

（6）通過USB接口，無線藍牙或WiFi（Wireless Fidelity，無線局域網）與VBT-View軟件通信，下載測試路徑任務和上傳路徑數據。儀器的固件也可通過USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）更新。

VBT35+機器狀態巡檢儀作為一款基礎型狀態監測儀器，在VBT33的多單值參數多功能測量之外，增加了對低頻400 Hz，中頻 1000 Hz，高頻 8000 Hz和解調 1000 Hz（1 k～12 k）Hz的800線頻譜監測和分析能力。多參數多頻譜監測保證覆蓋和靈敏響應旋轉機器可能發生的振動故障，展示機器的振動特征。每個測量參數明確一致，簡單和容易理解。VBT35+在能夠敏感檢測各種旋轉機器故障的同時，保持了簡單易用的風格。

VBT36機器狀態巡檢儀是一款基礎加強型狀態監測儀器，在VBT35+的監測和分析功能之外，增加了頻譜分析和解調分析的頻率分辨率，具有相同的頻率范圍，可以提供800，1600和3200譜線；另外增加了振動波形分析能力。這些增加的功能有助于常見故障的識別和精密診斷。

通過以上系列化和分級考慮，使得VBT3X成為現場狀態趨勢監測人員得心應手的儀器。優異的人機工程殼體和界面，傳感器、電纜、儀器及接口的每一個具體細節經精心設計和聽取現場的反饋得以改進，滿足現場的可靠和耐用性需要。儀器通過簡捷的按鍵和高分辨背光顯示屏圖標完成操作，鋰離子電池保證連續30 h使用，通過CE（Conformite Europeenne，歐洲統一）認證和EX認證（Explosion-proof Certification，防爆認證）滿足現場環境要求。

3 離線監測系統組織實施

狀態監測系統的組織實施，涉及到目標，人員組織，儀器系統，工作制度，教育培訓，審計和改善等多方面內容，既是項目的管理，也是一個技術系統。就技術系統而言，要設計好簡易與精密，監測與診斷，離線和在線，以及多種技術的關系、范圍和比重。這主要取決于設備的類型和數量，關鍵性程度，故障歷史，訂貨和備件，人力資源條件等方面因素。

對一般通用旋轉類設備，風機、泵浦、、齒輪箱傳動，便攜式離線監測具有最高的性價比和覆蓋范圍，應作為最基本的監測系統。雖然固定式在線監測、無線傳感器隨著成本的降低逐漸成為發展趨勢，但仍不能完全取代離線低成本測取多位置數據進而進行全面分析的優勢，未來離線與在線仍是一種互補關系。對于小范圍的應用，選擇VBT33，VBT35+或VBT36與VBT-View軟件，可組成最簡單的狀態監測離線系統。公司或總廠更大規模的應用，按兩級監測制組織是非常行之有效的方式。一級監測為分廠（車間，裝置）級，使用VBT33和/或VBT35+；二級監測為公司級，使用VBT36；配套VBT-View網絡版軟件，結合簡易和精密，組成網絡化離線狀態監測和診斷系統。

車間技術人員利用VBT33/35+進行日常定期監測，查看報警，對簡單的故障進行分析和跟蹤；公司振動分析師利用VBT36重點對關鍵機器進行監測和診斷，并對車間監測異常的機器進行分析診斷，提交診斷報告和維修建議。振動分析師和項目主管和作為項目核心，管理指導監測工作，也要與外部專家建立密切的聯系并獲取支持。

兩級監測制有利于覆蓋所有關鍵和重要設備，使項目能夠有組織、有序、有指導、有管理地展開，是項目成功實施的組織和制度保證。按照ISO 18436-2：2014國際標準關于狀態監測從業人員的培訓和認證要求，一級監測人員應該具備等同于Cat.I的知識技能，二級監測人員應具備 Cat.II的知識技能。

4 VBT-View狀態趨勢和分析軟件

VBT-View機器狀態監測軟件，支持VBT3X機器狀態巡檢儀，具備狀態數據管理，儀器數據連接傳輸，狀態趨勢，報警監測，故障分析，報表和報告等功能。VBT-View分為單用戶版和網絡版。

（1）采用 MS Access（單用戶），SQL Server或 MySQL（網絡版）數據庫，按樹結構管理數據，分為工廠，區域，機器，測點，方向（位置）和測量參數。網絡版采用C/S結構，具有用戶級別管理，檢測任務管理等，適于大范圍規范化分層次實施狀態監項目。

（2）振動報警設置可按照ISO 10816-3：2009標準，軸承狀態報警可參照經驗準則，在測點界面中方便地設置。報警監測，以色碼顯示包括區域、機器、測點、位置和參數等每個數據庫等級的報警狀態。通過簡單的鼠標點擊，可以查看數據趨勢圖。

（3）提供頻譜圖、多頻譜圖、和波形圖等，幫助進行異常數據識別，分析機器故障根源，操作簡單直接。多頻譜圖可按疊加、堆棧、和瀑布圖形式顯示，各種光標和峰值列表便于數據的細節分析。

（4）產生測量數據報告和異常報警報告。任何報告和繪圖還可以轉換為Word文件，也可以對報告和繪圖使用拷貝/粘貼剪切板功能，編輯一份內容詳實的狀態監測報告。

5 應用案例

（1）某大型化工企業采用數十臺VBT35+EX的前代產品VBT35EX進行旋轉設備的日常監測，為設備的穩定運行保駕護航。以其中一個及時發現和準確診斷為例，可以看到精密監測所起到的作用。K601壓縮機電機，轉速2980 r/min，在2017年2月底進行了保養，3月3日開機，當天檢測正常，但第二天檢測就多次出現異常諧波（圖2），振動幅值很小，總值并沒有報警，進入關注狀態。

圖2 K601壓縮機電機異常

同時看到軸承狀態包絡解調值趨勢突然升高（圖3），并超過二級報警限。在3月9日檢測頻譜中出現了明顯10.28×頻率峰值及其倍頻，并伴隨轉速的邊頻帶。比對了N216E軸承內圈故障頻率是10.292×，故障特征與軸承內圈故障吻合，確定是軸承內圈故障。3月17日維修發現軸承內圈存在剝落，現場處理結果滿意。事后分析原因，是軸承安裝不良，造成軸承內圈端面損壞。

圖3 軸承包絡解調值趨勢突然升高

（2）某跨國集裝箱生產企業，利用2臺VBT36對其主要生產和輔助旋轉設備進行狀態監測，發現和解決了軸承、轉子、齒輪等各種設備異常問題，減少了停機損失、維修成本和能源消耗。預處理生產線的斗式提升機，軸承狀態參數二級報警，見圖4。

圖4 軸承狀態參數二級報警表

從振動速度頻譜和解調譜進一步分析確認（圖5、圖6）。VBT35+和VBT36比早期的VBT35除了增加頻率分辨率，也增加的幅值測量動態范圍（自動量程下，AD由12位變為16位），因此這些案例的頻譜/波形更清晰。

檢修發現2盤軸承都發生了磨損和疲勞剝落，潤滑油含大量金屬磨粒。此故障的發現和解決至少避免生產線60 min非計劃停機。更換軸承后，狀態參數回到正常狀態，見圖7。

圖5 振動速度頻譜

圖6 解調譜

圖7 更換軸承后狀態參數正常

另一臺皮帶輸送機，振動二級報警，軸承狀態包絡解調值一級報警（圖 8）。

圖8 軸承狀態包絡解調值一級報警

振動頻譜發現豐富的本底噪聲，和頻率調制邊帶。振動波形中確認存在軸轉頻周期性沖擊和幅值調制。現場能聽到傳送帶軸承異常噪聲，觀察到皮帶輪的跳動。相關譜圖見圖9、圖10。檢修發現軸承失掉幾個滾珠，其他軸承被油污染卡阻。更換軸承后狀態參數和趨勢恢復正常。

圖9 皮帶輸送機振動頻譜

某中外合資化工公司采用數十臺VBT35EX實施裝置級機泵設備監測網絡化系統。維修技術中心經理講到，“VBT-35現場振動巡檢儀和VBT-VIEW狀態監測軟件已經成為裝置動設備監測的重要工具和確保動設備長穩運行的重要手段；2017年1月至今，動設備機泵的完好率已經從平均95.03%上升到98.73%。關鍵是現場紅區機泵得到了有效監測、分析和處理。”

圖10 皮帶輸送機振動速度譜

6 總結

從簡易與精密、監測與診斷2個維度定義了狀態監測工作的4象限，普迪美公司基于此理念研發了VBT3X系列機器狀態巡檢儀和狀態監測趨勢軟件，覆蓋工業現場基于振動技術的簡易監測、簡易診斷、精密監測和部分精密診斷工作。通過分2個層次和級別可以有效地組織和網絡化實施現場的狀態監測系統。多年的現場實施和大量的成功案例為VBT3X系列機器狀態巡檢儀的成功做了背書。