離心壓縮機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與應用

楊文超

（埃理奧特機械設(shè)備維修服務（天津）有限責任公司，天津300000）

0 引言

完善的離心壓縮機設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)，可以提高設(shè)備的管理水平，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高設(shè)備的可靠性和易維修性，減少事故危害性。本文針對離心式壓縮機的特點，提出了狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計思路。

1 離心壓縮機狀態(tài)檢測及故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計壓縮機狀態(tài)檢測及故障診斷系統(tǒng)的最終目的是提高壓縮機運行過程中的可靠性，根據(jù)離心壓縮機的特點系統(tǒng)必須保證7×24 h不間斷地對壓縮機進行狀態(tài)檢測和故障特征識別，如果設(shè)備發(fā)生異常情況，可以及時做出相應處理，并為故障排除提出合理的建議等。

離心壓縮機設(shè)備的狀態(tài)檢測及故障診斷系統(tǒng)，根據(jù)功能可以分為兩大模塊：狀態(tài)檢測、故障診斷。對于整個壓縮機監(jiān)測診斷系統(tǒng)來說，首先要根據(jù)壓縮機的型號選取合適的傳感器，在關(guān)鍵部位布置傳感器。接著，要監(jiān)控壓縮機的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等信號并進行收集，信息經(jīng)過必要的處理后，存儲到數(shù)據(jù)庫中，提供給故障診斷模塊，進行機組運行判定，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程診斷/維護。其結(jié)構(gòu)可用圖1簡單示意。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件選取

壓縮機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)主要的硬件包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、信號調(diào)理器等。

2.1 傳感器

傳感器是實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵儀器，它負責采集設(shè)備的運行信息，傳輸給數(shù)據(jù)采集器做下一步處理。根據(jù)離心機狀態(tài)監(jiān)測所需要的物理量，本系統(tǒng)所需要的傳感器包括振動傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。本系統(tǒng)最重要的就是振動傳感器的選擇。

根據(jù)振動傳感器的工作原理及特性，旋轉(zhuǎn)機械主軸測振主要選用激光傳感器和電渦流傳感器，因為這兩種傳感器屬于非接觸式傳感器，安裝在推力軸承的機架等靜止部件上來測量靜止部件的振動情況。

由于壓縮機在運行過程中各部位都有一定的振動頻率，因此在選用傳感器的響應頻率時應充分考慮壓縮機的振動頻率。例如，如果壓縮機的轉(zhuǎn)動頻率是50 Hz，那么我們需要選用頻率在10～500 Hz之間的傳感器。

另外，在選用傳感器時要充分考慮傳感器的響應頻率，傳感器的輸出方式也是選擇傳感器的重要因素之一，建議選用雙向輸出傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)采集器及信號調(diào)理器

不論傳感器測量得到的是電壓還是電流，都必須傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中。本系統(tǒng)很重要的一個功能就是遠程監(jiān)控，因此數(shù)據(jù)采集器要支持基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信，而且對傳輸速度、可靠性和可安裝性方面有一定的要求，同時要有防水、防爆等功能。本系統(tǒng)采用MD39051A數(shù)據(jù)采集器。信號調(diào)理器是數(shù)據(jù)采集器的配套設(shè)置，主要用來對振動傳感器等的輸出信號進行隔離放大、信號調(diào)理，為信號遠距離傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。

本系統(tǒng)所采用的MD39051A數(shù)據(jù)采集器是整個系統(tǒng)的核心部件，它要完成對振動信號的AC/DC分離、可編程濾波等預處理以及對運行周期的采樣、相位及轉(zhuǎn)速等基礎(chǔ)信息的測量、主要特征值的計算、報警及異常數(shù)據(jù)判斷、收集信息控制、將所采集的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)等功能。

2.3 系統(tǒng)的硬件連接

整個系統(tǒng)可以大致分為三層。第一層，現(xiàn)場測試，主要包括布置在現(xiàn)場的振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等測量儀器儀表，負責對原始數(shù)據(jù)進行收集和預處理；第二層，車間監(jiān)控，主要包括信號采集器和信號調(diào)理器，負責對傳感器測得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行信號處理、分析、報警，監(jiān)測數(shù)據(jù)保存及故障診斷等，安裝必要的傳輸設(shè)備和調(diào)控設(shè)備，讓現(xiàn)場工作人員可以及時觀測壓縮機運行狀態(tài)，并對壓縮機完成相關(guān)的啟/停以及狀態(tài)調(diào)節(jié)等操作；第三層，遠程監(jiān)控，主要包括光纖、雙絞線等傳輸媒介，實現(xiàn)將現(xiàn)場處理完好的信號送到遠方，達到遠程監(jiān)控的目的。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷中所用的傳感器能捕捉到的信號比較微弱，必要時須另加電荷放大器。

3 軟件設(shè)計

依照圖1的系統(tǒng)設(shè)計思路，筆者將整個系統(tǒng)分為組態(tài)、分析、管理三個部分。

3.1 組態(tài)

主要針對各種信息設(shè)備及參數(shù)的設(shè)置，并通過一些設(shè)置增強系統(tǒng)的適應性和兼容性。具體功能主要包括：

（1）信息鏈的建立，信息傳輸過程中采集器、機組、裝置、車間、公司等節(jié)點信息的設(shè)置錄入。

添加采集器是建立信息鏈的必要步驟，相當于將監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器連接在一起，使得整個系統(tǒng)可以獲得傳感器測得的信號。

在組態(tài)中，最關(guān)鍵的就是信息鏈的建立，而在信息鏈構(gòu)建過程中，最關(guān)鍵的則是添加采集器，并設(shè)定其分析頻率和動態(tài)增益。對于15 000 r/min以下的機組，通常分析頻率選1.5～2 kHz為宜。動態(tài)增益則是根據(jù)信號的大小選擇一個恰當?shù)念l率增益，在振動小于50 μm時，選擇16；而在50～100 μm時，選擇8；大于100 μm時，選擇4。

（2）除了添加采集器外還包含其他參數(shù)的設(shè)置，例如機組參數(shù)、硬件參數(shù)、信號通道參數(shù)、報警值、軸振動與軸位移、用戶自定義特征頻率設(shè)置等。

組態(tài)的存在極大地豐富了系統(tǒng)的兼容性和可擴展性。

3.2 分析

主要用于檢測數(shù)據(jù)的查看、分析及報表查閱，完成系統(tǒng)的主要監(jiān)控任務。它的功能主要有：

（1）查看實時測量數(shù)據(jù)。所使用的實時數(shù)據(jù)的來源有三類：數(shù)據(jù)庫、服務器緩存、采集器。通常情況下，我們查詢時使用的是數(shù)據(jù)源最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫查詢，或者直接觀察關(guān)鍵參數(shù)的實時變化情況。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢。用戶可以根據(jù)自身需要設(shè)置篩選歷史條件，查看所要查詢的數(shù)據(jù)。

（3）故障診斷及查詢。系統(tǒng)提供故障集，針對每一種故障還給出了其表現(xiàn)特征、故障原因和消除故障的具體措施。用戶可以根據(jù)故障現(xiàn)象選擇查詢條件，搜尋出故障原因及詳細信息。

（4）查看檢測報告和清單。查看機組檢測的日、周、月、年等報表，報警清單的詳細信息。

3.3 管理

用于管理整個軟件的操作設(shè)置，包括碼表管理、用戶管理、權(quán)限設(shè)置、報表管理、服務器管理等功能。

4 結(jié)語

壓縮機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)是計劃檢修制度向?qū)崟r優(yōu)化維護制度轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。本文在分析壓縮機在線監(jiān)測要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，可以實現(xiàn)離心式壓縮機設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)測、短時趨勢分析、頻譜分析等功能，并基于傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗，實現(xiàn)實時報警和故障診斷。

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