狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析系統(tǒng)在主軋線設(shè)備的應(yīng)用

張兆良

（石橫特鋼集團(tuán)有限公司軋鋼廠，山東泰安 271612）

0 引言

隨著設(shè)備檢修體制的演變，逐步由故障維修轉(zhuǎn)變成預(yù)知維修，將設(shè)備的故障率和實(shí)際折舊率降至最低，將設(shè)備的可用性和可靠性增至最高。

主軋線的電機(jī)、減速機(jī)為軋鋼生產(chǎn)線的重點(diǎn)控制設(shè)備，日常點(diǎn)檢中記錄的振動(dòng)、溫度等參數(shù)僅是設(shè)備在某一時(shí)刻的技術(shù)參數(shù)，不能全面地體現(xiàn)出設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行狀態(tài)分析，而且溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)很難體現(xiàn)出軸承的早期故障，點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)不及時(shí)很容易造成設(shè)備突然停機(jī)，形成設(shè)備事故。

為有效監(jiān)控電機(jī)、減速機(jī)的運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握設(shè)備劣化趨勢(shì)，為預(yù)知維修提供依據(jù)和技術(shù)支持，為“設(shè)備零故障管理”提供有力保障并且結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)“五化”要求的“裝備配置先進(jìn)領(lǐng)先化、高度的自動(dòng)化與智能化”的目標(biāo)，配置了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)。

1 軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)的建設(shè)需求，整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）整體性原則。系統(tǒng)建設(shè)立足整體，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、整體設(shè)計(jì)、分布實(shí)施，實(shí)施成功后再結(jié)合系統(tǒng)成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他區(qū)域和設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改造，實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)效率和價(jià)值的最大化，更易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用和推廣的建設(shè)目的。

（2）全面感知。通過(guò)數(shù)據(jù)接口整合設(shè)備已有的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)暫無(wú)狀態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)備加裝專業(yè)數(shù)據(jù)采集硬件，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)部署相應(yīng)的各類算法引擎，提前感知異常趨勢(shì)，打造設(shè)備智能監(jiān)測(cè)的管理模式。

（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。構(gòu)建設(shè)備智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，整合多維數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入規(guī)范，消除數(shù)據(jù)孤島，并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的潛在價(jià)值挖掘。

（4）智能應(yīng)用。利用智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的多維數(shù)據(jù)，整合行業(yè)專家知識(shí)，構(gòu)建算法、模型，并應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常預(yù)警、故障診斷等，不斷優(yōu)化設(shè)備運(yùn)維模式，全面提升企業(yè)效益。

（5）開(kāi)放、擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)接入層專注于各類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種采集難題，采集既可以通過(guò)通用的方式將數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)平臺(tái)的消息中心，也可以支持各種定制采集需求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行定制化的專業(yè)采集方案。常用的接入方式有OPC、SCADA、MES、PLC、DCS、采集站等。

開(kāi)放層對(duì)外提供各類開(kāi)放的服務(wù)，目前提供API 接口服務(wù)，主要是提供獲取對(duì)外開(kāi)放的數(shù)據(jù)方式，提供的數(shù)據(jù)有智能報(bào)警數(shù)據(jù)等，為企業(yè)基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的業(yè)務(wù)完善和生態(tài)圈完善提供有力保障。

2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)總體配置要求

（1）測(cè)點(diǎn)布置：電機(jī)、減速機(jī)共需218 支振溫一體傳感器，48支低頻振溫一體傳感器，76 支振動(dòng)傳感器，38 支轉(zhuǎn)速傳感器，36個(gè)采集單元。

（2）主要組成：減速機(jī)及電機(jī)的振動(dòng)、溫度傳感器，現(xiàn)場(chǎng)采集器，服務(wù)器及客戶機(jī)，交換機(jī)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)專業(yè)軟件，交換機(jī)采用MOXA。

（3）工控機(jī)配置：設(shè)置1 臺(tái)服務(wù)器、2 臺(tái)客戶機(jī)。

（4）服務(wù)器配置：機(jī)架式，配置八核XeonE5-2630V3，2.4 GHz處理器，20 MB 高速緩存，16 G DDR4，2×240 G SSD，4×LAN Card 100/1000 Mbit，5×2 TB HDD，24"TFT 1920×1080。

（5）客戶機(jī)配置：Intel 酷睿i7 雙核CPU 3.0 GHz，內(nèi)存8 G，硬盤1 T，帶光驅(qū)100/1000 兆以上網(wǎng)卡，24"TFT 分辨率1920×1080 顯示器，預(yù)裝正版操作系統(tǒng)Windows 10 專業(yè)版，專用防塵操作全鍵盤，USB 接口不少于4 個(gè)、串口接口不少于2 個(gè)。

（6）監(jiān)測(cè)范圍：振動(dòng)監(jiān)測(cè)方式為振動(dòng)加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，振動(dòng)傳感器安裝在各軸系軸承、轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電機(jī)輸出軸聯(lián)軸器。

3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)概述

（1）IMx-8/16 Plus 數(shù)據(jù)采集單元。Multilog IMx-8/16 Plus是一款體積小的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，安裝更為靈活，它提供了一個(gè)完整的早期故障檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)自動(dòng)建議矯正現(xiàn)有或臨近狀況，提高旋轉(zhuǎn)設(shè)備的可靠性、可用性和性能。IMx-16Plus 提供8/16 個(gè)模擬通道和2/4 個(gè)數(shù)字通道，可連接至移動(dòng)設(shè)備和手提電腦，便于監(jiān)測(cè)和配置。

（2）SKF CMSS 2100 加速度傳感器。該傳感器具有全密封的不銹鋼殼體，防護(hù)等級(jí)可滿足鋼鐵的防水、防噴濺、防腐蝕等惡劣環(huán)境的要求，具有較小尺寸的外殼、頂端出線。該傳感器最高耐溫達(dá)到120 ℃，在高溫下能保持良好的偏置電壓特性。

（3）CMSS 2100T 振溫一體式傳感器。該傳感器具有全密封的不銹鋼殼體，防護(hù)等級(jí)可滿足鋼鐵的防水、防噴濺、防腐蝕等惡劣環(huán)境要求。

（4）CMPT 2323T 低頻振溫一體式加速度傳感器。

（5）系統(tǒng)架構(gòu)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般可以自成一個(gè)LAN 網(wǎng)，監(jiān)測(cè)單元之間、監(jiān)測(cè)單元與服務(wù)器之間通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接在一起。通過(guò)安裝在服務(wù)器上的OPC 服務(wù)器協(xié)議，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以與第三方的監(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。同時(shí)第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（如進(jìn)鋼信號(hào)、溫度、轉(zhuǎn)速等），也可以通過(guò)OPC 服務(wù)器協(xié)議傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)

傳統(tǒng)的振動(dòng)頻譜分析方法是基于0～2000 Hz 的較低頻率范圍，通常用于監(jiān)測(cè)如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)，軸彎等機(jī)械故障。加速度包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)則加強(qiáng)了重復(fù)出現(xiàn)的高頻瞬態(tài)畸變小信號(hào)的能量，將其與傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)結(jié)合，能及時(shí)監(jiān)測(cè)到軸承存在的早期損傷及潤(rùn)滑問(wèn)題，從而大大提前設(shè)備的故障預(yù)警期、延長(zhǎng)軸承使用壽命，并防止突發(fā)性的停機(jī)事故。

包絡(luò)采用了4 個(gè)加速度包絡(luò)過(guò)濾器，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)速的不同，可以選用不同的包絡(luò)過(guò)濾器（表1）。針對(duì)滾子、軸承和齒輪的監(jiān)測(cè)，根據(jù)其轉(zhuǎn)速可選取相應(yīng)的包絡(luò)過(guò)濾器。在實(shí)際應(yīng)用中，除選取相應(yīng)的包絡(luò)過(guò)濾器外，還可以同時(shí)選取包絡(luò)濾波器3。這樣就可以根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出每個(gè)軸承部件的損傷頻率。

表1 加速度包絡(luò)設(shè)置

5 案例分析

（1）案例1：主軋線齒輪箱軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析。主軋線齒輪箱二軸驅(qū)動(dòng)側(cè)振動(dòng)總值持續(xù)上升，頻譜圖中保持架缺陷頻率明顯（圖1）。停機(jī)檢查后確認(rèn)保持架故障，安排后續(xù)停線更換。

圖1 主軋線齒輪箱軸承振動(dòng)趨勢(shì)

（2）案例2：主軋線電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析。狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)顯示，軋機(jī)主電機(jī)非軸伸端振動(dòng)趨勢(shì)持續(xù)升高、超出預(yù)警值，但頻譜沒(méi)有明顯的軸承部件等缺陷頻率（圖2）。推測(cè)可能為軸承潤(rùn)滑不良或電機(jī)安裝問(wèn)題，檢查電機(jī)并增加軸承潤(rùn)滑，發(fā)現(xiàn)固定電機(jī)地腳螺栓松動(dòng)。

圖2 主軋線電機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析專家系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全面、完善、準(zhǔn)確地收集軋鋼主軋線電機(jī)、減速機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)集成的先進(jìn)算法和缺陷數(shù)據(jù)建模整理、分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)備參數(shù)進(jìn)行智能診斷，在早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，同時(shí)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行跟蹤報(bào)警、預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)，最終提高設(shè)備的可開(kāi)動(dòng)率、安全性、穩(wěn)定性，避免設(shè)備事故，為電機(jī)、減速機(jī)的預(yù)知維修提供依據(jù)和技術(shù)支持。