自動化儀表設備狀態(tài)檢測方法的研究與應用

王彩琴，吳鴻鵬

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪，271104）

1 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，設備能否安全可靠地以最佳狀態(tài)運行，對于確保產品質量、提高企業(yè)生產能力、保障安全生產都具有十分重要的意義。如何有效地提高設備運行可靠性，及時發(fā)現(xiàn)和預測出故障的發(fā)生是十分必要的，這是加強設備狀態(tài)監(jiān)測和設備管理最要重要的環(huán)節(jié)。設備從正常到故障會有一個發(fā)生、發(fā)展的過程，因此很有必要對設備的運行狀況進行日常的、連續(xù)的、規(guī)范的工作狀態(tài)的檢查和測量。萊鋼自動化部鐵區(qū)車間在進行常規(guī)工況設備檢測的基礎上，結合萊鋼冶金企業(yè)自動檢測的特點進行了一系列創(chuàng)新，顯出了較好的成效。

2 設備狀態(tài)檢測必要性和先進的檢測手段

目前，萊鋼大多數(shù)檢測設備都是常規(guī)設備，只有少部分智能設備具有自診斷功能，而且對一些機組設備只能靠現(xiàn)場觀察進行大致判斷，每年萊鋼生產事故中設備問題占很大比例。這樣很有必要對重點設備進行實時檢測跟蹤，實現(xiàn)性能分析、提前預報等。自動化部鐵區(qū)車間針對現(xiàn)場設備特點和生產需求，分四類進行設備狀態(tài)檢測。一是智能型設備如帶診斷功能的通過自身性能進行設備狀態(tài)檢測；二是大多數(shù)常規(guī)設備，主要是通過PLC系統(tǒng)進行綜合判斷；三是研發(fā)設備自動點檢系統(tǒng)；四是針對機組綜合性能運行分析的重點研究。

先進的設備狀態(tài)檢測一方面進行設備的實時監(jiān)控與性能分析，另一方面把相關設備的狀態(tài)、性能通過因特網相連引入各班組及車間執(zhí)行中心和自動化部指揮中心，基本解決了萊鋼目前相關自動化設備的智能檢測、診斷與預防性維護。

3 設備狀態(tài)檢測方法與性能分析

3.1 充分挖掘設備自身功能，實現(xiàn)設備狀態(tài)的可視化及自診斷

（1）控制系統(tǒng)的供電電源，我們采用電源冗余或并列方式供電，同時把24 V電源箱工作信號指示即電源箱開關閉合信息經機旁PLC傳輸，開發(fā)完成電源系統(tǒng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，完成對電源工作穩(wěn)定性的判斷。

（2）帶診斷功能的配電器，通過設備自診斷軟件實現(xiàn)對配電器的參數(shù)設置和在線診斷，如量程修改，參數(shù)補償?shù)取?/p>

（3）利用PLC硬件信息進行遠程設備診斷，通過ⅠE瀏覽器，只需輸入PLC系統(tǒng)的ⅠP地址，就可在線檢查所有PLC硬件設備的運行狀態(tài)，包括電源、CPU、通訊、模擬量輸入（輸出）及開關量輸入（輸出）等。其中模板所有檢測信號與現(xiàn)場一一對應，模板各種指示一目了然。

（4）開發(fā)設備故障預判系統(tǒng)，針對CPU狀態(tài)、網絡診斷、回路診斷等特點，開發(fā)系統(tǒng)的硬件診斷信息。通過軟件編程對ACⅠ、ATⅠ模塊本身的狀態(tài)字判斷各通道的斷線警告和量程警告；通過DDⅠ、DDO模塊的指示燈判斷各通道的運行情況；通過網絡節(jié)點信息判斷網絡節(jié)點的通斷等。目前實現(xiàn)了對施耐德PLC系統(tǒng)、ABB系統(tǒng)、橫河DCS系統(tǒng)及西門子系統(tǒng)的CPU、網絡、硬件模板狀態(tài)硬件診斷，見圖1。

3.2 借助P L C或D C S系統(tǒng)進行現(xiàn)場設備分析

3.2.1 開發(fā)免維護系統(tǒng)

主要是對維護區(qū)域內控制系統(tǒng)的連鎖停機重點信號的模板通道信息進行診斷，連鎖信息出現(xiàn)故障先判斷通道好壞，如果通道壞判定模板問題，若模板通道正常，則現(xiàn)場儀表問題。對檢測點進行詳細說明，如設備型號、規(guī)格、量程、安裝說明、維護及廠家聯(lián)系方式等等，同時還有對應的PLC測點模板通道及端子排信息等，所有信息都通過監(jiān)控軟件實時顯示。一旦出現(xiàn)設備問題，自動化儀表人員對設備信息準確把握，大大提高設備故障處理速度。

3.2.2 影響停機信號的特殊處理

對不具有診斷功能的大多數(shù)常規(guī)儀表完成信號采集后，對參與連鎖停機的檢測元件通過編程進行特殊處理，使其具有人工智能的信息，確保整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對于溫度連鎖信號要避免電阻、電偶開路或短路而引起的誤停機等等。一般溫度信號都是直接進行判斷。這種判斷最大缺點的就是在溫度由于現(xiàn)場震動等原因突變或漸變過程不能及時發(fā)現(xiàn)。針對溫度信號這種特點，程序中采用溫度變化率屏蔽信號接觸不良而引發(fā)的停機，同時溫度連鎖停機投入可選，對因接觸不良而引起的小幅度變化提前預判，給出報警，及時處理故障點。同時對于多點溫度信號參與連鎖停機的可選。對于壓力，流量等連鎖停機信號一般都有2點，由并聯(lián)方式改為串聯(lián)方式，但單點出現(xiàn)停機信息是要報警，及時檢查處理。所有信號都需要增加連鎖投入解除，便于信號處理。采用上面方式有效屏蔽由于檢測原件故障而發(fā)生停機。

針對配料系統(tǒng)自主開發(fā)了皮帶秤故障診斷功能，分析變頻器頻率與實測皮帶秤流，如果嚴重偏離智能控制模型，則視為故障。配料系統(tǒng)利用皮帶秤正常狀態(tài)時的下料量和變頻器相應輸出值來建立數(shù)據庫模型，正常情況下配料使用電子皮帶秤的流量進行閉環(huán)自動調節(jié)，當皮帶秤突發(fā)故障無法正常檢測流量時，可以利用數(shù)據庫中的信息對變頻器進行開環(huán)控制，完成自動配料。我們經過長期探索建立了完善的數(shù)據庫模型，根據不同料種在不同水分時分別記錄下不同頻率時的下料量，分段線性化，使數(shù)據庫自學習、自適應。當外部皮帶秤稱量部分出現(xiàn)問題時，采用人工配料方式已不能滿足配料的工藝要求，此時利用該模型，及時判斷秤是否出現(xiàn)故障，根據不同的設定值和數(shù)據庫中的數(shù)據進行對比，從而以最佳頻率進行運行，穩(wěn)定配料配比，使焦炭或燒結礦質量得以保證。

3.2.3 重點設備報警實現(xiàn)人機自動互聯(lián)

對區(qū)域內重點設備進行報警提示，引入了GSM MODEM技術，與控制系統(tǒng)建立連接，通過VB開發(fā)故障信息短信功能包，以短信的方式把故障信息及時傳達到生產單位及維護人員。其中報警信息通過PLC系統(tǒng)綜合判斷，報警方式采用一對一方式語音報警，設備故障時語音直接提示，并通過手機短信與區(qū)域內的技術骨干相連，實現(xiàn)了生產信息的完美溝通和故障的第一時間處理。

3.2.4 系統(tǒng)動態(tài)網絡故障綜合診斷

通過軟件編程開發(fā)區(qū)域內所有系統(tǒng)的網絡結構圖，標注各系統(tǒng)的網絡地址，并對系統(tǒng)進行動態(tài)連接，對網絡硬件設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控。通過網絡結構圖可直觀看到系統(tǒng)運行狀態(tài)，并通過點擊連接進行子系統(tǒng)監(jiān)控。在系統(tǒng)網絡出現(xiàn)故障時，通過網絡故障綜合診斷功能，快速標注的地址排查網絡故障。

3.2.5 信號虛擬檢測

對車間維護區(qū)域的部分關鍵系統(tǒng)信號利用相關的工藝參數(shù)進行虛擬計算，作為信號參考值。把虛擬值與實際值進行實時比對，實現(xiàn)了虛擬值誤差范圍內的曲線和實際曲線的有效吻合。研發(fā)首套燒結機終點溫度在線跟蹤系統(tǒng)，對燒結機生產進行指導。對高爐混風溫度的虛擬測量實現(xiàn)了高爐生產在無混風電偶狀態(tài)下的正常生產。

3.3 設備自動點巡檢系統(tǒng)

設備從正常到故障是一個過程，為此利用市場通用的測溫槍及條碼技術實現(xiàn)設備自動點巡檢。記錄設備名稱、狀態(tài)、溫度及點檢時間等數(shù)據信息，并把每次的設備信息引入計算機系統(tǒng)，對設備運行狀態(tài)數(shù)據統(tǒng)計、分析，可隨時查看、統(tǒng)計、分析點檢數(shù)據及數(shù)據曲線，設備異常時給設備點檢人員信息提示進行相關維修和處理。

點檢系統(tǒng)中采用設備計量編碼作為點檢設備條碼，與設備一一對應，參考設備正常工作時要求的環(huán)境溫度設定溫度報警值，當點檢溫度異常時及時報警提示。系統(tǒng)能對設備點檢數(shù)據進行查詢、統(tǒng)計、曲線分析和集中處理。

3.4 大型機組設備檢測方法

借鑒風機、發(fā)電機廠家的機械檢測經驗，學習大型機組的運行狀態(tài)檢測手段，在TRT系統(tǒng)和8#風機系統(tǒng)上取得很好進展。

3.4.1 防喘振功能的集成

ⅠTCC 控制系統(tǒng)將透平轉速控制（SⅠC)、防喘振控制(UⅠC)和工藝過程控制(PⅠC)集成為 1個綜合控制。根據壓縮機出廠性能狀態(tài)圖上的喘振線的信息進行編程，再乘以一個安全系數(shù)從而得到喘振控制線，通過公式：

OP＝Q12/HP

＝(8314.3a2/Mw×Z1T1△P0/P1)/{8314.3ZavT1×[(Rcf-1)/f]}

式中P1、T1、Z1分別為進氣絕對壓力、絕對溫度和可壓因子、△P0為流量計測量孔板前后壓差、Mw為氣體相對分子質量、a為流量計計算系數(shù)、Zav為壓縮過程平均可壓因子、m為多變指數(shù)，其中f＝（m-1）／m，計算出壓縮機當前的工作點OP，并將其與喘振控制線上的工作點進行比較得到控制輸出值。

3.4.2 協(xié)調控制的設計

8#風機采用協(xié)調控制技術的方法進行程序編制，運行中各控制模塊有相互通訊的接口，控制精確。提供蒸汽能源的鍋爐方面為輔助調節(jié)，爐跟機方式，機主控在手動，鍋爐側完全依據汽機來響應。特別是閥門控制方面，精確計算出各閥門所需改變的角度,快速而準確地發(fā)出動作指令,合理動態(tài)調整風機運行狀態(tài),確保系統(tǒng)壓力的高精度控制。

TRT與高爐的協(xié)調控制技術，首先采用虛擬測量技術結合多重冗余技術確保高爐頂壓值傳送到TRT系統(tǒng)；我們實現(xiàn)了6種方式①原有的硬線4～20mA信號保留，作為首選信號；②通過以太網從高爐主控PLC讀取一路數(shù)據；③用透平入口煤氣壓力虛擬測量出一個數(shù)據；④正常情況下采用硬線信號濾波處理后的數(shù)據與以太網信號進行高選作為PⅠD設定值和測量值；⑤PLC檢測硬線品質壞，采用以太網信號，虛擬測量數(shù)據作為備用信號；⑥如發(fā)生極限情況，如高爐側PLC掉電時，采用虛擬測量數(shù)據作為PⅠD設定值和測量值；轉換過程均實現(xiàn)無擾切換，通過以上手段，可最大限度的保證高爐頂壓的安全。其次實時跟蹤高爐生產狀況，在高爐出現(xiàn)故障時，采用旁通自動保護控制思路，確保TRT能在高爐運行時全天候運行，在頂壓高時，TRT不停機，靜葉開大的同時，旁通參與分流通過TRT透平的煤氣流量，保護機組，保證頂壓穩(wěn)定，進而確保TRT持續(xù)發(fā)電。最后在極限狀態(tài)下采用超大流量三閥聯(lián)動保護控制思路，頂壓在高于設定值10kPa以上時，主旁通打開的同時，副旁通閥迅速打開一定開度，并根據頂壓狀況迅速打開，直到頂壓穩(wěn)定，再根據頂壓情況按照預定的速率線性關小，以保護機組安全，并保證TRT持續(xù)運行發(fā)電。通過一系列的協(xié)調控制，使頂壓控制精度從傳統(tǒng)的±3kPa，提高到±1kPa。

4 設備狀態(tài)檢測實施效果

采用多種技術方法進行設備狀態(tài)檢測后，不僅可實時跟蹤設備運行狀態(tài)并進行設備性能分析，而且在設備異常時進行預警，提醒操作人員及時更換設備、切除設備連鎖或其他處理。特別在突發(fā)故障時，最大可能的減小故障影響，為萊鋼生產順行提供了有力的保障。

[1]榮命哲、賈申利、王小華，電氣設備狀態(tài)檢測[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[2]周明，機電設備狀態(tài)檢測方法研究[J].中國設備工程，2006.