港口自動(dòng)化起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

楊洋洋 吳平平 張科昌

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

自動(dòng)化起重機(jī)是港口發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，對(duì)自動(dòng)化起重機(jī)的維護(hù)主要依賴傳統(tǒng)起重機(jī)事后維護(hù)流程和經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效的數(shù)據(jù)作為支撐。比如軸承、齒輪、聯(lián)軸器等重要部件都是根據(jù)傳統(tǒng)起重機(jī)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行維護(hù)，由于維護(hù)時(shí)間依賴的是傳統(tǒng)起重機(jī)靜態(tài)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化起重機(jī)出現(xiàn)缺陷后往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，無法避免自動(dòng)化起重機(jī)故障的發(fā)生[1]。為了保障自動(dòng)化起重機(jī)生產(chǎn)安全，對(duì)其進(jìn)行更加科學(xué)的檢修和維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)化起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化起重機(jī)缺陷和故障，合理安排維護(hù)和保養(yǎng)，使自動(dòng)化起重機(jī)能夠更長(zhǎng)時(shí)間健康運(yùn)行。

2 自動(dòng)化起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系由硬件和軟件構(gòu)成見圖1。硬件部分包括振動(dòng)加速度傳感器、速度傳感器、音頻收集器、智能監(jiān)控站、PLC、交換機(jī)、服務(wù)器、電腦等。軟件部分包括智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)運(yùn)算、服務(wù)端數(shù)據(jù)庫、在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)等。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用二路數(shù)據(jù)輸出，一路通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議將監(jiān)測(cè)站采集的波形數(shù)據(jù)送至服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫通過以太網(wǎng)上傳至在線分析軟件，進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷是否觸發(fā)報(bào)警；如觸發(fā)報(bào)警，可在軟件客戶端查看報(bào)警數(shù)據(jù)類型及波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確數(shù)據(jù)分析。另一路是傳感器將采集后的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)站進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果經(jīng)過ANYBUS模塊傳送至PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)閾值比較，比較后運(yùn)算結(jié)果和閾值偏差較大，PLC系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警或停機(jī)。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)軟件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，判斷電機(jī)、齒輪箱、卷筒、軸承等運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)知設(shè)備故障隱患、判斷故障嚴(yán)重程度，精確定位故障部位，避免非計(jì)劃停機(jī)作業(yè)，同時(shí)給維護(hù)人員提供合理的維護(hù)保養(yǎng)和故障檢修等依據(jù)。

在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)采用2種架構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶設(shè)備情況適配：①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是無需安裝專門的軟件，即可在任意地點(diǎn)進(jìn)行操作，只需1臺(tái)電腦能連接網(wǎng)絡(luò)就能使用，客戶端零安裝、零維護(hù)；②多服務(wù)器/客戶端分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，具備良好的開放性和擴(kuò)展性，也具備數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)管理功能，能夠進(jìn)行深層數(shù)據(jù)挖掘，優(yōu)點(diǎn)是可以分散服務(wù)器的壓力。

在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)模塊要素組成如下：

(1)數(shù)據(jù)庫。在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)含有多種傳動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫，整合了國(guó)內(nèi)外廠家的3萬多種軸承型號(hào)和參數(shù)，擁有完整的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，輸入對(duì)應(yīng)軸承及齒輪齒數(shù)等信息后，自動(dòng)計(jì)算出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)每個(gè)軸承、齒輪的缺陷特征頻率，方便快速識(shí)別軸承及齒輪缺陷。

(2)模板配置。在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)自帶模板建立和模板更新功能，并且還可以自定義設(shè)備模板，快速配置設(shè)備信息，完成單臺(tái)或多臺(tái)自動(dòng)化起重機(jī)數(shù)據(jù)采集策略進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，同時(shí)可利用系統(tǒng)導(dǎo)入導(dǎo)出功能對(duì)系統(tǒng)模板、報(bào)警閾限值更新。

(3)數(shù)據(jù)篩選分析。在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)篩選功能，通過設(shè)置篩選條件可輕松選出需要分析的數(shù)據(jù)，如采樣值、頻率、時(shí)間范圍、高通濾波等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(4)診斷工具。在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)域波形、頻譜、包絡(luò)解調(diào)等相關(guān)診斷工具對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，然后結(jié)合故障征兆、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，了解傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體故障部位、故障原因等。

(5)查詢檢索。查詢檢索是維護(hù)人員頻繁使用的功能塊之一，維護(hù)人員按照故障類型、故障時(shí)間、故障級(jí)別查找設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)頻繁發(fā)生的故障，然后根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)頻繁故障建立對(duì)應(yīng)的故障趨勢(shì)分析圖，幫助維護(hù)人員分析設(shè)備故障趨勢(shì)，及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行處理。

2.3 指標(biāo)參數(shù)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分別是:振動(dòng)速度總值、峭度值、超低頻段、低頻段、中頻段、高頻段、速度總值等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前是以振動(dòng)速度總值的數(shù)據(jù)做自動(dòng)報(bào)警信息，振動(dòng)速度總值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率最高，峭度值和其他報(bào)警信息的準(zhǔn)確率不及振動(dòng)速度總值報(bào)警率，但也是不可缺少分析數(shù)據(jù)的一部分，ISO10816國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中也以振動(dòng)總值和峭度值作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

指標(biāo)參數(shù)需全面反映故障類型，并按照頻繁故障進(jìn)行分類。根據(jù)實(shí)踐調(diào)研分析，主要可分為工頻故障、電機(jī)故障和機(jī)械部件損傷。

工頻故障是主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)、軸不平衡、軸心線不重合、軸心電流腐蝕引起的共振導(dǎo)致機(jī)器故障，一般可分為4種(見表1)。

表1 工頻故障描述

在自動(dòng)化起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，電機(jī)是最主要的動(dòng)力設(shè)備，所有的機(jī)構(gòu)運(yùn)行都要依靠電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀況，掌握電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的損壞和磨損情況，判斷電機(jī)定子是否松動(dòng)和偏心、電機(jī)轉(zhuǎn)子是否斷裂和發(fā)熱。電氣故障描述見表2。

表2 電氣故障描述

機(jī)械部件的損傷也是在自動(dòng)化起重機(jī)設(shè)備中經(jīng)常碰到的問題，每一個(gè)出現(xiàn)故障都會(huì)對(duì)自動(dòng)化起重設(shè)備機(jī)械上造成不同程度損傷。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間采集異常數(shù)據(jù)，從而幫助維護(hù)人員進(jìn)行全面分析，使維護(hù)人員更容易發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理(見表3)。

表3 機(jī)械部件損傷故障描述

3 傳感器安裝及位置分布

3.1 傳感器類型

對(duì)自動(dòng)化起重機(jī)起升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械房?jī)?nèi)的其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和音頻測(cè)量，并結(jié)合故障類型和故障發(fā)生的頻率，決定選用4種類型的傳感器：振動(dòng)加速度高頻傳感器(附帶溫度檢測(cè))、振動(dòng)加速度低頻傳感器(附帶溫度檢測(cè))、速度傳感器、音頻傳感器。振動(dòng)加速度傳感器是傳動(dòng)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最廣泛使用的一種傳感器，具有頻率范圍寬、信號(hào)采集穩(wěn)定、寬量程、內(nèi)置IEPE電路、隔離輸出、恒流源供電等特點(diǎn)，可充分滿足現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境使用。速度傳感器和音頻傳感器需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況來選擇傳感器參數(shù)和性能，同時(shí)在選型中還需要注意現(xiàn)場(chǎng)安裝方式和安裝位置。

3.2 傳感器位安裝方式

為了保證傳感器采集數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性和可靠性，振動(dòng)加速度高頻傳感器和振動(dòng)加速度低頻傳感器采用柱頭螺釘式安裝，將傳感器擰入被測(cè)設(shè)備中進(jìn)行軸振動(dòng)和齒輪箱振動(dòng)及溫度檢測(cè)，柱頭螺釘式安裝能夠使傳感器采集到最廣的振動(dòng)頻率范圍(見圖2)。為了不影響維修和機(jī)器正常運(yùn)行，速度傳感器采用牢固的支架安裝方式，速度傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置以連接軸螺栓為觸發(fā)點(diǎn)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速(見圖3)。

圖2 柱頭螺釘安裝方式

圖3 速度傳感器安裝方式

3.3 傳感器安裝位置分布

對(duì)維護(hù)和返修數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，維修故障頻率主要發(fā)生在自動(dòng)化起重機(jī)起機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)。由于起升機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高濕和腐蝕環(huán)境下大電流載荷生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、齒輪箱、卷筒和聯(lián)軸節(jié)等機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件有著很大的影響，因此該系統(tǒng)分別對(duì)起升機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)部署相對(duì)應(yīng)傳感器進(jìn)行監(jiān)控(見圖4)。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布圖

4 結(jié)語

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于傳感器采集的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過智能監(jiān)測(cè)站將數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)化起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)具有3個(gè)主要特點(diǎn)：對(duì)重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析；發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)異常報(bào)警機(jī)制，對(duì)自動(dòng)化起重機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警或停止作業(yè)，將報(bào)警信息展示在客戶端界面；維護(hù)人員對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、參數(shù)、歷史運(yùn)行維護(hù)信息，準(zhǔn)確判斷自動(dòng)化起重機(jī)故障原因及部位，確定故障根源，及時(shí)排除故障，保證自動(dòng)化起重機(jī)正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。