大功率立磨減速機遠程在線狀態(tài)智能監(jiān)測裝置及系統(tǒng)設(shè)計

文|吳昊 余小輝 . 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 . 南京高速齒輪制造有限公司

立磨減速機作為立式磨機的核心部件之一，用于傳送動力，將電機轉(zhuǎn)速降到磨機所需的研磨轉(zhuǎn)速，并對磨機磨盤行程支撐。立式磨機需要極高的額定功率和極高的可用性，研磨過程中所產(chǎn)生的較高軸向力和部分徑向力通過推力軸承和齒輪外殼傳送到磨機基礎(chǔ)。立磨減速機廣泛用于建材行業(yè)、電力行業(yè)及冶金行業(yè)的行業(yè)。現(xiàn)階段，大部分的在線監(jiān)測類產(chǎn)品和技術(shù)通常只從振動一個維度對齒輪箱故障問題進行監(jiān)測，該種方式極易產(chǎn)生大量誤報警和漏報警的現(xiàn)象，尤其對大型立磨齒輪箱在復(fù)雜工作環(huán)境中各部件易損壞的問題,無法進行精準監(jiān)測和故障部件定位。

基于上述原因，本文利用多傳感器信息融合技術(shù)，基于工業(yè)級ARM和FPGA芯片，同時應(yīng)用專業(yè)的數(shù)字信號處理DSP嵌入式技術(shù)開發(fā)了獨特的在線狀態(tài)監(jiān)測信號智能采集及處理裝置，該設(shè)備采用了特殊的模塊化電路設(shè)計，將振動傳感器單元、油液金屬磨損顆粒單元和鉑熱電阻測溫等單元有機集成至一套電路板中。上位機系統(tǒng)集配置與數(shù)據(jù)分析于一體，系統(tǒng)運用時域波形、頻譜、包絡(luò)解調(diào)、溫度趨勢和磨粒統(tǒng)計等相關(guān)工具進行診斷分析，結(jié)合可選的故障征兆，進而對機組的工作狀況進行精確診斷，了解機組的具體故障、部位和原因等信息

一、系統(tǒng)架構(gòu)

遠程在線狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下部分組成，如圖1所示。

圖1 遠程在線狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

立磨齒輪箱運行狀態(tài)信號采集單元分布及監(jiān)測點位置如圖2所示。各采集單元功能描述如下：

（1）采用霍爾電流互感器實時檢測驅(qū)動電機的運行電流，通過上位機軟件實時監(jiān)控電機運行狀態(tài)，預(yù)防應(yīng)電機過載導(dǎo)致齒輪箱輸入端過載損壞。

（2）應(yīng)用耐腐蝕、耐惡劣環(huán)境的應(yīng)力傳感器用于實時檢測齒輪箱輸入端扭矩，防止齒輪箱負載過大，導(dǎo)致齒輪箱輸入端扭曲變形等損壞現(xiàn)象。

（3）齒輪箱運行轉(zhuǎn)速采用應(yīng)用接近開關(guān)式傳感器進行監(jiān)測，該傳感器具有很強的通用性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速傳感器采用——鋼結(jié)構(gòu)支架固定在齒輪箱輸入端處。

（4）針對齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及易發(fā)生故障的部位(如軸承端、二次側(cè)傳動軸和軸瓦等)，內(nèi)置了多個鉑熱電阻，實時采集內(nèi)部部件運行溫度指標，鉑熱電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度變化引起電阻變化。

（5）加速度傳感器，用于采集齒輪箱運行狀態(tài)的振動數(shù)據(jù)，針對立磨齒輪箱結(jié)構(gòu)及故障部位損害特點，在齒輪箱裝備或大修階段，預(yù)先將7只振動加速度傳感器埋置在齒輪箱內(nèi)部，這7只傳感器由于需要浸泡在齒輪箱潤滑油中，因此對該傳感器本體外殼進行特殊處理，同時對傳感器引出線接口進行特殊密封方式處理，以便達到耐油高溫、耐油腐蝕及耐油滲透等特點；另外1只傳感器采用表貼式方式，固定在輸入軸端附近。

（6）磨粒傳感器用于收集齒輪箱內(nèi)部磨損金屬顆粒數(shù)量和尺寸數(shù)據(jù)，針對齒輪箱底部潤滑油流動性差的特點，采用電磁式結(jié)構(gòu)磨粒傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)原理簡單、實時性好、靈敏度高以及反應(yīng)快速等優(yōu)勢。

圖2 信號采集單元設(shè)置及監(jiān)測點位置

二、狀態(tài)監(jiān)測裝置硬件設(shè)計

硬件設(shè)計基于工業(yè)級ARM和FPGA芯片,同時應(yīng)用專業(yè)的數(shù)字信號處理DSP嵌入式技術(shù)開發(fā)的在線狀態(tài)監(jiān)測信號智能采集及處理裝置，如圖3所示，具有以下特點：

（1）信號采集采用全采集技術(shù)，能真正實現(xiàn)捕獲故障數(shù)據(jù)，做到實時監(jiān)控。

（2）可擴展的多路和多種信號輸入接口，獨特設(shè)計的信號隔離采集電路、變送器電路以及A/D轉(zhuǎn)換器電子電路，可將各采集信號進行融合處理。

（3）對外接口采用全覆蓋的高等級防雷電路設(shè)計，有效的提高了設(shè)備的可靠性。

（4）內(nèi)置寄存器功能，可對采集信號策略進行有效配置，通過設(shè)置采樣值、頻率、時間范圍、高通濾波等篩選條件實現(xiàn)智能化采集。

（5）可設(shè)置多參數(shù)報警值和多形式報警值，實現(xiàn)智能故障預(yù)警。

（6）內(nèi)置的SIM卡無線通訊模塊，可將有效數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)推送到手機APP客戶端。

圖3 在線狀態(tài)智能監(jiān)測裝置

三、狀態(tài)監(jiān)測裝置軟件設(shè)計

軟件設(shè)計級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用B/S分布式架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)自帶模板設(shè)備，并可自定義模板設(shè)備，可快速配置設(shè)備信息，可完成單臺或多臺機組采集策略更新，如圖4所示。利用內(nèi)置的軸承數(shù)據(jù)庫資源，結(jié)合多種傳動結(jié)構(gòu)型式模型算法，可方便快速識別軸承及齒輪缺陷。系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)分析功能，時域波形、頻譜、倒譜、包絡(luò)解調(diào)、交叉相位、瀑布圖、多波形、多頻譜、軸心軌跡、轉(zhuǎn)速圖譜、轉(zhuǎn)速/趨勢組合圖譜、溫度監(jiān)測、磨粒數(shù)量及尺寸統(tǒng)計等20余種分析方法。通過設(shè)置篩選條件，如采樣值、頻率、時間范圍及高通濾波等，可輕松選出需要分析的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集配置與數(shù)據(jù)分析于一體，支持OPC服務(wù)器軟件功能，也支持ISO 10816等標準絕對報警值設(shè)定。

圖4 上位機軟件設(shè)計架構(gòu)

四、遠程監(jiān)測中心設(shè)計

遠程監(jiān)控中心采用分布式網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可擴展性和定位存儲信息特性，系統(tǒng)的可靠性高、存取效率高，可實現(xiàn)集群式工廠智能監(jiān)控和管理，如圖5所示。

診斷工程師基于遠程診斷平臺對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，診斷系統(tǒng)針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸承、齒輪擁有400多項監(jiān)控指標，當(dāng)機組出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)可自動進行智能診斷，并自動生成診斷報告，通過內(nèi)置的無線SIM卡模塊自動觸發(fā)報警并通過短信、郵件等方式通知現(xiàn)場設(shè)備管理員或減速機廠家服務(wù)人員，根據(jù)報警信息對設(shè)備狀態(tài)進行專業(yè)分析。

圖5 遠程中心軟件示例

五、現(xiàn)場測試

某國內(nèi)廠家立磨減速機，現(xiàn)場已安全運行近5年時間，某日遠程監(jiān)控發(fā)現(xiàn)大齒圈上的測點振動開始出現(xiàn)震蕩上身，同時其他相關(guān)測點無同步性變化，診斷分析工程師通過時域、頻譜和包絡(luò)解調(diào)等數(shù)據(jù)分析方法，鎖定內(nèi)齒圈12點鐘方向

存在損傷，故障波形圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測故障波形

經(jīng)客戶現(xiàn)場服務(wù)工程師檢查，大齒圈12點鐘方向多個齒輪面出現(xiàn)剝落，部分齒輪面存在壓痕，現(xiàn)場檢查圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場檢查結(jié)果圖片

現(xiàn)場檢查結(jié)果與診斷分析結(jié)果一致，經(jīng)故障排查，該故障屬于齒輪正常疲勞剝落，針對該故障，遠程診斷中心分析師給出了專業(yè)的判斷依據(jù)和結(jié)論，并給出了合理化的維保建議。

六、結(jié)論

本文利用多技術(shù)融合的方式從振動、磨粒、溫度等多個維度對立磨減速機的運行狀態(tài)進行統(tǒng)一管理，設(shè)計并開發(fā)了基于多傳感器信息融合的在線狀態(tài)智能監(jiān)測裝置，能有效的對大功率立磨減速機等大型設(shè)備進行多維度監(jiān)測，該種監(jiān)測方式能在復(fù)雜工作環(huán)境中對易損壞部件進行精準定位，大大降低了事故性停機和非計劃性停機概率，降低維保成本，提高了用戶生效率和經(jīng)濟效益。