鋅冶煉廠電動(dòng)設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

楊 揚(yáng)，薛昊洋

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人力成本的不斷上升，現(xiàn)代鋅冶煉企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度變得越來越高，企業(yè)大部分的制造任務(wù)都由自動(dòng)化設(shè)備、半自動(dòng)化設(shè)備以及一些簡單的設(shè)備機(jī)器來完成作業(yè)。隨著鋅冶煉系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提升，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備依賴程度加深，設(shè)備的可靠性以及維修成本的降低成為鋅冶煉企業(yè)的管理目標(biāo)，在鋅冶煉廠實(shí)施全廠電動(dòng)設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可靠的實(shí)施手段及必然發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)能促進(jìn)設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行和生產(chǎn)，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和精度，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量，是企業(yè)降本增效，實(shí)現(xiàn)盈利的必要保障。

電動(dòng)設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由在線狀態(tài)檢測(cè)裝置、在線數(shù)據(jù)采集單元和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組成。該系統(tǒng)利用近年來不斷革新發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過網(wǎng)絡(luò)化在線分析功能的運(yùn)用，給企業(yè)提供生產(chǎn)機(jī)器狀況的完整信息。系統(tǒng)的核心是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，以之作為平臺(tái)，利用在線監(jiān)測(cè)分析技術(shù)，將預(yù)警、分析報(bào)告等各種診斷信息和檢修建議提至業(yè)主相關(guān)維修部門或相關(guān)生產(chǎn)管理部門，管理部門據(jù)此信息進(jìn)行決策，進(jìn)展檢修，跟蹤檢修，并驗(yàn)證檢修結(jié)果，形成閉環(huán)管理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Safety monitoring system

1 在線狀態(tài)檢測(cè)裝置

狀態(tài)檢測(cè)是設(shè)備安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將生產(chǎn)設(shè)備故障的產(chǎn)生、發(fā)展、變化的全過程的狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，調(diào)用故障類型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行特征分析和預(yù)警，優(yōu)化需檢修部件，檢修方式，檢修周期，得到更有效率的維修時(shí)間節(jié)點(diǎn)，減少維修頻次偏高或偏低現(xiàn)象，輸出維修方案。

鋅冶煉廠需要監(jiān)測(cè)的電動(dòng)設(shè)備主要包括泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、帶式輸送機(jī)等，不同類型設(shè)備的大致檢測(cè)內(nèi)容如下：

1.1 潛水泵

潛水泵長期在水下運(yùn)行，易因軸承、繞組溫度過高或電機(jī)、接線盒浸水等問題，造成潛水泵故障。在線連續(xù)監(jiān)測(cè)潛水泵運(yùn)行參數(shù)，包括運(yùn)行過程中的振動(dòng)、軸承溫度、繞組過熱、電機(jī)浸水、接線盒浸水等，可以有效地防止?jié)撍玫膿p壞。

監(jiān)測(cè)的部位包括預(yù)埋溫度傳感器，繞組過熱、電機(jī)浸水、接線盒浸水、油室浸水預(yù)埋傳感器輸出報(bào)警信號(hào)，在電機(jī)上機(jī)架安裝振動(dòng)傳感器，在流道進(jìn)口、葉輪進(jìn)口和葉輪出口安裝壓力變送器、水泵主軸安裝轉(zhuǎn)速傳感器等。

1.2 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)的典型故障包括電機(jī)潤滑不良，軸承損傷（損壞），軸承跑套，地腳松動(dòng)，螺絲松動(dòng)，軸角向不對(duì)中，軸平行不對(duì)中，軸頭彎曲，轉(zhuǎn)子不平衡，動(dòng)靜碰摩、氣隙偏心、轉(zhuǎn)速異常，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承磨損，地腳松動(dòng)，螺絲松動(dòng)，軸角向不對(duì)中，軸平行不對(duì)中，軸頭彎曲，轉(zhuǎn)子不平衡，葉片斷裂等。

監(jiān)測(cè)的部位包括電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端、電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承座輸入端、軸承座輸出端，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括三向振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速。

1.3 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)的典型故障包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的氣隙偏心、軸頭彎曲、軸向不對(duì)中、動(dòng)靜碰摩、轉(zhuǎn)子不平衡，電機(jī)軸承的潤滑不良、軸承損壞，電機(jī)地腳螺絲松動(dòng)，壓縮機(jī)軸承損壞、軸承潤滑不良，螺桿轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子損傷、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、動(dòng)靜碰摩，壓縮機(jī)地腳螺絲松動(dòng)等。

監(jiān)測(cè)的部位包括電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端、驅(qū)動(dòng)端軸承的三向振動(dòng)加速度、溫度；電機(jī)軸與聯(lián)軸器連結(jié)位置的轉(zhuǎn)速；陰轉(zhuǎn)子前后軸承位置的三向振動(dòng)加速度、溫度，陽轉(zhuǎn)子前后軸承處的三向振動(dòng)加速度、溫度；吸氣、排氣壓力，油壓，吸氣、排氣溫度、油溫、水溫等。

1.4 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)的典型故障包括：電機(jī)潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動(dòng)、螺絲松動(dòng)，軸的角向不對(duì)中、軸的軸向不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡，軸頭彎曲，動(dòng)靜碰磨，氣隙偏心；減速器的齒輪故障包括：潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動(dòng)、螺絲松動(dòng)，軸的角向不對(duì)中、軸的軸向不對(duì)中，轉(zhuǎn)子不平衡，軸頭彎曲，驅(qū)動(dòng)滾筒的潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動(dòng)，轉(zhuǎn)子不平衡，軸系運(yùn)行穩(wěn)定性、軸系強(qiáng)度安全，改向滾筒的潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡，軸系強(qiáng)度安全，漲緊滾筒的潤滑不良、軸承損傷、軸承跑套、地腳松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡，軸系強(qiáng)度安全，皮帶的跑偏、撕裂、軸承損傷等。

監(jiān)測(cè)的部位包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的三相振動(dòng)、溫度，減速器輸入端、減速器輸出端的三相振動(dòng)、溫度，軸承座的三相振動(dòng)、溫度，軸系的彎矩，皮帶的跑偏、撕裂，振動(dòng)等。

振動(dòng)信息為最主要的狀態(tài)判斷依據(jù)。振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)的主流方法之一，在滾動(dòng)軸承整個(gè)壽命周期內(nèi)可直觀、有效地監(jiān)測(cè)并反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)信號(hào)時(shí)域、頻域和時(shí)頻域中均可呈現(xiàn)出豐富且有效的信息，而在不同域中提取軸承振動(dòng)信號(hào)等特征信息是準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承性能退化狀態(tài)的基礎(chǔ)[1,2]。

設(shè)備在一定的運(yùn)行狀態(tài)下，不同的部件（如軸承、齒輪箱等）會(huì)有不同的受損情況，當(dāng)這些部件受損時(shí)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)以不同頻率的振動(dòng)表現(xiàn)出來，振動(dòng)問題是造成各類設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因之一。通過振動(dòng)信息，識(shí)別和確定哪些部件已經(jīng)壞了和這些部件的損壞進(jìn)展情況，諸如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、磨損和一些其它問題都有可能是造成部件受損的根本原因，只有識(shí)別和減少了這些狀態(tài)，才能更大限度地延長設(shè)備壽命并保障設(shè)備安全運(yùn)行。

以上狀態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目中，溫度檢測(cè)使用熱電阻，壓力檢測(cè)使用智能壓力變送器，轉(zhuǎn)速檢測(cè)使用電渦流傳感器，振動(dòng)檢測(cè)采用壓電式加速度傳感器，跑偏檢測(cè)采用跑偏開關(guān)，撕裂檢測(cè)采用撕裂傳感器，彎矩檢測(cè)采用彎矩傳感器，扭振檢測(cè)采用扭振傳感器。

2 在線數(shù)據(jù)采集單元

狀態(tài)檢測(cè)的傳感器通過電纜連接到在線數(shù)據(jù)采集單元上，在線數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)傳感器的供電和信號(hào)采集，并且將數(shù)據(jù)、波形、開關(guān)量狀態(tài)等顯示在液晶屏上。數(shù)據(jù)采集模塊預(yù)留以太網(wǎng)、總線通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可方便地與全廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在廠房控制室的操作員站上能對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集單元有輸入模塊和輸出模塊，根據(jù)信號(hào)源的不同，輸入模塊進(jìn)一步細(xì)分，主要有DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊，以上模塊是連接現(xiàn)場傳感器和CPU的橋梁。數(shù)字量模塊用于接收和輸出開關(guān)信號(hào)，模擬量模塊用于接收和輸出熱電阻、各類變送器提供的模擬電流和電壓信號(hào)。該數(shù)據(jù)采集單元有獨(dú)立的系統(tǒng)保護(hù)功能模塊，具備有上電抑制和斷電保護(hù)功能，并內(nèi)置系統(tǒng)自檢、通道自檢及大容量存儲(chǔ)模塊，以保證足夠的存儲(chǔ)空間，并存有天、月、年劃分的歷史數(shù)據(jù)庫。

3 安全檢測(cè)系統(tǒng)軟件

安全檢測(cè)系統(tǒng)長期記錄對(duì)設(shè)備管理、診斷有用的數(shù)據(jù)，提供專業(yè)的診斷圖譜，通過預(yù)警提前識(shí)別各類設(shè)備的狀態(tài)信息、不同故障對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值的偏差，通過調(diào)用故障數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行比對(duì)后，做出對(duì)故障原因、故障嚴(yán)重程度、故障發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)判斷，得出最優(yōu)維修方案。

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)常用分析方法及優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）波形分析。時(shí)域波形具有直觀、易于理解等特點(diǎn)，包含的信息量大，對(duì)于轉(zhuǎn)子碰磨、軸承磨損沖擊類故障，在波形圖中很容易識(shí)別出來，但是不太容易看出所包含信息與故障頻率的聯(lián)系。

2）頻譜分析。頻譜分析技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展起來的有效手段。采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傅里變換，得到動(dòng)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖，通過分析設(shè)備振動(dòng)信號(hào)中幅值較大的頻率成分，即表征設(shè)備故障信息，達(dá)到對(duì)動(dòng)設(shè)備故障診斷分析，可以找到部件對(duì)應(yīng)的故障原因、位置和類型[3]。另外，電信號(hào)雖由機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，但管道內(nèi)的流體介質(zhì)、承載結(jié)構(gòu)等成為了振動(dòng)信號(hào)的干擾因素，需把干擾信號(hào)分離出來，以識(shí)別機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3）故障頻率分析。對(duì)于滾動(dòng)軸承和齒輪而言，都有對(duì)應(yīng)的故障頻率。滾動(dòng)軸承有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架的故障頻率，齒輪有嚙合頻率、低速齒輪轉(zhuǎn)頻、高速齒輪轉(zhuǎn)頻。這些特征頻率能夠根據(jù)設(shè)備的零件參數(shù)計(jì)算出來?？蓪⑾到y(tǒng)內(nèi)置常見軸承數(shù)據(jù)庫，根據(jù)所設(shè)置設(shè)備零件信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算相應(yīng)的故障特征頻率，并將這些特征頻率在圖譜上展示出來，能夠幫助現(xiàn)場人員快速定位故障點(diǎn)。

4）包絡(luò)譜分析。振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征能描述軸承的性能狀態(tài)，如可以用有效值在一定程度上描述軸承的故障嚴(yán)重程度，但是對(duì)于時(shí)域特征參數(shù)不能精確診斷出軸承的故障部位，因此需對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。在滾動(dòng)軸承的故障診斷方法中，包絡(luò)譜分析能夠有效地識(shí)別邊頻，從而找出調(diào)制信號(hào)的特性，進(jìn)行軸承故障模式分類[4]。例如，在提取調(diào)制信號(hào)后，會(huì)得到脈沖信號(hào)，這些信號(hào)常常表征旋轉(zhuǎn)部件表面的損傷，如點(diǎn)蝕、裂紋、磨損、剝落等。

5）自相關(guān)分析。平穩(wěn)狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)往往與寬帶隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)相近，出現(xiàn)周期性沖擊故障時(shí)，在滯后量為其周期的整倍數(shù)處，自相關(guān)函數(shù)就會(huì)出現(xiàn)較大峰值，據(jù)此識(shí)別周期性的沖擊故障。選擇有偏估計(jì)或無偏估計(jì)的自相關(guān)函數(shù)，以增加其抗干擾能力，提升其信號(hào)分析能力，有助于故障診斷[5]。

6）倒頻譜分析?？梢蕴幚韽?fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)，能分析具有同族諧頻、異族諧頻、多成分邊頻等復(fù)雜信號(hào)。如齒輪箱發(fā)生故障時(shí)，信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻和齒輪嚙合頻率及其倍頻形成邊帶信號(hào)。由于大部分齒輪箱中存在多個(gè)軸和多個(gè)齒輪，就會(huì)產(chǎn)生很多大小和周期都不同的周期成分混雜在一起，難以分離，倒頻譜分析能夠清楚地監(jiān)測(cè)和分離出這些周期信號(hào)，對(duì)于齒輪箱的故障檢測(cè)和分析信號(hào)是比較有效的。

除了以上分析方法外，常用的分析方法還有如下：功率譜分析，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行諧波分解，可詳細(xì)了解各個(gè)部件的狀態(tài)；細(xì)化譜分析，常用于解決邊帶特征提取和分析調(diào)制變頻帶和多種諧波族；全矢譜分析，該分析方法與傳統(tǒng)方法相比，用多通道的信號(hào)代替了單通道信號(hào)，表達(dá)的信息更多，準(zhǔn)確性更高。

3.2 軟件基本功能

軟件具備的功能包括：

1）概覽統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)展示，包括所有設(shè)備關(guān)鍵信息的集中展示功能。

2）可具備數(shù)字、趨勢(shì)曲線、棒狀圖等多種豐富且直觀的顯示方式，可同時(shí)顯示傳感器狀態(tài)、設(shè)備信息、通道名稱、采集時(shí)間、通道報(bào)警狀態(tài)等多種信息。

3）具備設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能預(yù)警功能，支持閾值預(yù)警，趨勢(shì)增幅預(yù)警、趨勢(shì)增速預(yù)警、自學(xué)習(xí)閾值預(yù)警。

4）可預(yù)留所需信號(hào)，如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速信號(hào)的4mA～20mA輸出和緩沖輸出，供其它系統(tǒng)使用，每個(gè)模塊提供二級(jí)開關(guān)量，報(bào)警邏輯和報(bào)警動(dòng)作延遲時(shí)間可設(shè)定。

4 結(jié)論

鋅冶煉廠工藝復(fù)雜，火法設(shè)備和濕法設(shè)備類型繁多，通過該系統(tǒng)對(duì)二氧化硫風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、各類介質(zhì)輸送泵、氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、物料輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，判斷趨勢(shì)，診斷故障，能提高設(shè)備運(yùn)行完好率，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，降低維修成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。