加熱爐鼓風機在線監測系統設計

李遠慧， 傅連東， 陳新元

（武漢科技大學機械自動化學院，武漢430081）

1 引言

加熱爐鼓風機是鋼材生產線的關鍵設備之一，作用是給加熱爐供燃燒所需的空氣，設備工作狀態是24h連續工作，用于設備停轉進行檢修的時間短。如果鼓風機出現故障，會影響整個生產線的正常工作。加熱爐鼓風機現場使用表現的故障點有：鼓風機整體振動，工作噪音大，葉輪出現掉片、疲勞裂紋、磨損，工作中轉子運動不平衡、轉子發生彎曲、出現裂紋，支撐結構件松動，等。利用在線監測系統對設備的實時監測，依據監測信號判斷設備的工作狀態，對非正常工作狀態進行警示，使設備維檢人員能及時了解并及時處理設備問題，才能避免設備出現大的故障，保障整個生產線的工作。

圖1 在線檢測診斷系統工作框圖

2 在線監測與診斷系統設計

要實現有效故障診斷，監測參數選擇、測量點位置、數量、方向的確定都非常重要。測點數量及方向的設定應能近全面地對設備的工作狀態進行描述；測量點位置的確定應方便傳感器安裝、拆卸、引入干擾最小。為了實現對鼓風機運行的有效監控，我們在鼓風機上設置相應的傳感器，用于獲取鼓風機的工作參數。傳感器的采樣信號包括振動信號、溫度、電流、電壓等參數信號。鼓風機的每個軸承上布置3個振動檢測傳感器：分別監測軸向、水平徑向、垂直徑向的振動；對鼓風機的輸入軸、輸出軸，我們在每個軸上各取一個斷面，在每個斷面的左右水平位置點、上下垂直位置點各布置一個檢測振動參數的傳感器。此外，鼓風機及其驅動電機軸承所在位置各設置2個溫度傳感器，檢測軸承的溫度，鼓風機的驅動電機上還安置檢測電流和電壓的傳感器。

在線監測與診斷系統的主要結構框架分在線監測和故障診斷兩部分，共包含有五個主模塊。這五個模塊分別進行數據采集、讀取、數據分析、數據管理、故障診斷工作。系統工作流程框架如圖1所示。

2.1 數據監測與管理系統設計

數據采樣模塊負責各監測點數據的采集工作，所有信號都通過光電隔離后由數據采集卡采樣，信號轉換后通過數據采集、軟件濾波等預處理保存于數據庫，每隔100ms向系統的數據庫中的當前表中更新一次數據。

系統通過數據監測模塊讀取數據庫中的數據，并實現數據的顯示。在用戶的顯示界面上，所獲取的鼓風機的實時工作參數以曲線和數字的形式顯示出來。設備維護人員、操作人員通過所顯示的數據參數以及系統預設置的設備安全工作數據的對比，及時了解鼓風機的實時工作狀況。在用戶界面，曲線圖上繪制有鼓風機各運行參數的安全極限曲線，當實時測得的鼓風機運行參數超出該安全極限曲線，參數的實時變化曲線顏色發生改變，同時，監測模塊控制系統發出報警信號。

數據管理模塊分為兩個子模塊：（1）子模塊一：對用戶進行管理，不同等級的用戶授權不同，如：普通的檢查人員只能查閱現在設備的狀態數據，而責任工程師則可以利用數據對現場設備進行實時診斷，并可以修正報警極限值等；（2）子模塊二：負責管理設備的實時和歷史數據，并包含對診斷模塊中的樣本數據庫的更新和豐富。

2.2 故障診斷系統開發設計

故障診斷系統用于輔助現場設備維檢人員對設備的故障進行在線診斷，用戶可通過數據分析結果和故障診斷數據庫進行鼓風機的故障診斷。其中，數據分析模塊主要功能是對設備的工作狀態數據進行分析比較，將讀到的數據與數據庫中的報警極限數據進行對比，并將讀取的數據以波形圖或模擬數字表的形式顯示用戶對話框中，便于用戶進行數據分析；而故障診斷模塊則幫助用戶對鼓風機工作狀態做出診斷。

在故障診斷模塊中，樣本數據庫的建立非常重要。我們通過多條途徑建立數據庫：（1）將已有的各類故障數據整理到數據庫中；（2）利用仿真軟件建立鼓風機工作的模型，通過計算機改變該模型的相關工作參數，模擬鼓風機的工作狀態，獲取不同工況下的鼓風機的工作數據，充實系統的樣本數據庫；（3）在實驗室搭建小型鼓風機的實體模型，通過實體模型的工作，獲取鼓風機的相應工作參數，補充系統樣本數據庫；（4）利用計算機搭建智能診斷模式，使系統具有在線自學功能，利用在線監測數據自動充實系統的樣本數據庫。

智能診斷模式主要是利用模糊神經網絡建立。模糊理論主要依賴模糊規則和模糊變量的隸屬度函數，不需要精確的數學模型，是解決具有不確定性系統控制的有效方法。神經網絡是一種不依賴模型的自適應函數估計器，具有自適應能力和學習能力。首先根據鼓風機的工作信息建立相應的故障判斷征兆及原因集合，對所獲取的鼓風機工作信息進行模糊化，確定隸屬度函數，進行故障模糊綜合評判；同時，以前饋神經網絡作為基礎，建立一個含有輸入層、輸出層以及中間層的三級診斷網絡。首先將實驗和仿真所獲得的樣本數據輸入神經網絡進行訓練，通過訓練獲取合適的權值和閾值。在設備投入使用前，將訓練所獲取的權值和閾值作為初始值加載到診斷系統中。神經網絡的自學習能力，使診斷系統可以通過監測系統獲取的設備運行參數的實時數據自動生成設備工作狀態的新樣本，自主進行自我訓練學習，豐富系統的樣本數據庫，提高診斷系統進行故障判斷的準確性。

3 結論

針對加熱爐鼓風機的實際工況和故障特點，研究設計了鼓風機的在線監測系統，實時顯示鼓風機的工作狀態數據，并輔助設備維檢人員對設備進行在線故障診斷。通過在實際設備上使用該系統，有效地幫助了現場技術人員對設備工況的實時了解，并在設備故障的前期及時發現并處理，保證了設備的正常運行。

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