鋼鐵企業動旋轉設備振動信號采集技術研究及應用

馮 杰， 馬劉斌， 范小軍， 梁曉鳳， 王 鑫， 何英鋒

（太原鋼鐵（集團）電氣有限公司， 山西 太原 030003）

0 引言

鋼鐵制造過程涵蓋采礦、燒結、煉焦、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋、帶鋼、鋼管等工序。鋼鐵生產流程長、工序復雜、生產設備類型多樣、設備工況及運行環境差異大。隨著信息化與工業化的深度融合，信息技術滲透到了工業企業產業鏈的各個環節，工業傳感器、工業自動控制系統、工業物聯網等技術在工業企業中得到廣泛應用[1]。鋼鐵企業設備管理逐步向集約化、數智化、專業化方向發展。

目前設備狀態監測手段包括振動、潤滑、磨損、電流、紅外成像、超聲、黏度等監測方法，其中以“振動+溫度”的監測方法可感知鋼鐵企業動旋轉設備最為廣泛的設備故障，同時其技術可行性及經濟性最優。動旋轉設備包括電機、風機、泵、齒輪箱、軋機、卷取機、輥類、磨機、破碎機、壓縮機等，是鋼鐵企業中的關鍵生產、環保設備。在生產線高速運轉過程中，由設備所產生、采集和處理的數據量成指數增加，對計算機、網絡等軟硬件提出了更高要求。如何有選擇性地、高效智能地采集、傳輸、儲存有效信號，減少“垃圾”信號對系統資源的浪費成為企業面臨的巨大挑戰。

1 振動傳感器技術要求

鋼鐵企業動旋轉設備按運行工況可大體分為兩類，分別為恒速恒載設備和變速變載設備。恒速恒載設備主要分布在鐵前、煉鋼工序，包括風機、泵、皮帶機等；變速變載設備有分布在軋鋼工序的軋機、卷取機、輥類等和分布在輔助工序的磨機、破碎機等。不同工況特點和運行環境對傳感器應用技術提出極高要求。

振動傳感器的主要技術參數包括供電方式、通信方式、安裝方式、工作溫度、防護等級、量程、靈敏度、頻響范圍、采樣頻率、分析頻率、采樣長度等。無線傳感器具有布設靈活、安裝成本低的優點，尤其是在故障率高或安裝環境復雜的設備上，設備本體維護或檢修需要頻繁拆裝傳感器，一般情況下優先選擇無線傳感器。無線傳感器由電池供電，如果采集頻率過高，會使得電池電量消耗過快，不便于維護，相比變速變載設備監測要求高的采集頻率，無線傳感器更加適用于恒速恒載設備。在鋼鐵生產工序中，環境極其惡劣，要求傳感器有高的防護等級，一般要達到IP65 以上，部分環境對傳感器提出IP68 及防爆要求。部分高溫場景（如燒結脫硫增壓軸流風機軸承座振動監測）需要使用耐高溫傳感器。

振動傳感器的選擇需要同時考慮所監測設備的故障類別及運行條件。動旋轉設備常見故障包括不平衡、不對中（聯軸器故障）、結構松動、旋轉性松動等工頻故障以及滾動軸承故障、齒輪故障、泵的汽蝕和湍流等。恒速恒載動旋轉設備的轉速一般為600～3 000 r/min，工頻故障特征頻率一般在1～12 倍轉頻，且在速度信號中最為明顯；軸承早期故障特征在最大分析頻率為20 000 Hz 以下高頻加速度信號可以發現，2 000 Hz 以下可以發現大部分齒輪故障。因此恒速恒載設備監測要求傳感器有寬的頻響范圍（2～20 000 Hz），采樣頻率達到51.2 kHz（最大分析頻率×2.56），采樣頻率確定的情況下，采樣長度越長，頻率分辨率（與采樣時間呈反比）越高，換算公式如下：

式中：T 為采樣時間；TS為采樣點之間的時間間隔；N為采樣長度；n 為譜線數；Fs為采樣頻率；Fmax為最大頻率。

在動旋轉設備振動分析中，一般要求頻率分辨率最低達到0.5 Hz 以下，因此在測量定義時，應做好最大分析頻率和采樣長度的搭配。

相比恒速恒載動旋轉設備的監測，變速變載動旋轉設備有低速、重載、沖擊的工況特征，轉速范圍一般為0～1 500 r/min，對低頻信號的感知要求更高，要求傳感器頻響范圍下限更低，一般采用0.4～15 000 Hz，多變的工況特征要求更高的信號采集頻率，才能分析時刻變化的工況，因此多使用有線傳感器[2]。

2 多軌制采集策略的建立

實現報警實時監測，要求數據采樣周期短、回傳速度快，數據要“小”；實現精密診斷，要求波形長度足夠長，數據要“大”，存在數據“大”與“小”的矛盾；一種波形不能同時滿足不同種類故障診斷需求，根據動旋轉設備故障表現形式，將波形信號粗略分為高頻加速度波形、低頻加速度波形、速度波形。綜合用途和經濟性考慮，建立多軌制采集策略，將信號分為指標信號、波形信號、長波形信號，采集定義建議如表1、表2 所示。

表1 恒速恒載設備測量定義推薦

表2 變速變載設備測量定義推薦

3 采集策略自適應功能開發

既要高密度、多維度采集海量數據，避免有效信息的遺漏，也要最大程度避免無效信號的采集，降低系統傳輸、存儲、處理數據的資源浪費。研發智能采集策略，實現無效數據占比降低25%以上。

1）加密采集策略：異常指標自動觸發波形加密采集，及時抓取設備故障信息，快速推送診斷結論；

2）不采策略：配置啟停機自識別策略或關聯啟停機、電流等信號，智能規避無效的停機信號采集；配置誤信號與工況信號自識別策略，智能規避誤信號與工況信號采集；

3）關聯采集策略：關聯轉速、工況等信號，通過轉速、工況等信號按配置規則觸發采集，智能采集特定信號，提高信號質量。

4 采集技術應用案例

熱連軋橫切線精矯機電機功率為422 kW；轉速范圍為0～1 150 r/min，采用有線加速度傳感器，磁吸+膠黏的安裝方式，防護等級IP68，頻響范圍0.4～15 000 Hz，安裝位置選取電機自由端水平、電機負荷端水平、減速機高速軸輸入端水平。3 個測點按照表2 推薦配置測量定義，并配置加密采集策略。

2023 年3 月20 日3：01 電機兩端速度RMS 連續6 點（3 min）升高（見圖1、圖2），且速率升高超過25%，觸發指標報警（報警規則為持續3 個點超10 mm/s），同時啟動波形加密采集（采集到3：04 的波形，見圖3），速度頻譜顯示2 倍轉頻能量較高（見圖4），分析為聯軸器故障并推送診斷報告。檢修發現聯軸器與軸配合松動，鍵槽磨損嚴重。

圖1 電機自由端水平向振動速度有效值趨勢

圖2 電機負荷端水平向振動速度有效值趨勢

圖3 電機兩端水平向加密采集的振動速度波形

圖4 電機兩端水平向振動速度頻譜

5 結語

綜合考慮設備屬性、工況特征及運行環境等因素，選用合適的振動傳感器并配置合理的測量定義，捕捉到我們關注的故障特征，采用多軌制采集策略可同時滿足報警實時監控和精密診斷的數據要求并精準捕捉設備異常振動信號，通過自適應采集策略的配置，可最大程度避免無效數據采集，提升設備監測質量和效率。