通風機在線監測系統的研究與設計

劉貴升 趙利杰 姜明學

（神華烏海能源有限責任公司，內蒙古自治區烏海市，016000）

通風機設備主要以保證設備正常運行為主，其重點是加強設備狀態管理、降低維護維修成本，為企業創造良好效益，所以通風機設備的維護和管理就顯得尤為重要。神華烏海能源公司為了提高通風機的安全性，降低故障率，設計了通風機在線監測系統。

1 總體設計

通風機在線監測系統主要是對神華烏海能源公司的西來峰焦化廠 （簡稱 “焦化廠”）6臺通風機關鍵旋轉部件 （增速齒輪箱、發電機）進行實時監測，通過系統服務器進行數據處理，最終由西來峰焦化廠、神華烏海能源公司機電動力部、上海鳴志公司、見機生產廠四方參與復雜故障處理。風機在線監測系統的總體系統圖如圖1所示。

通風機在線監測系統通過安裝在關鍵設備上的在線振動數據采集儀及振動傳感器，經過多通道在線數據采集儀、焦化廠實時PLC 系統進行信號調理和數字化轉換后，通過以太網將數據傳送至西來峰焦化廠的設備狀態監測與遠程診斷系統服務器，通過系統提供的專業分析工具 （趨勢、波形、頻譜、倒譜、共振解調等）進行設備故障分析及設備運行狀態評估，并實時顯示設備相關數據，并保存有效歷史數據到設備狀態監測與遠程診斷系統數據庫中。

由圖1可以看出，焦化廠工作人員通過實時客戶端進行通風機運行狀態實時監控、報警提示；烏海能源公司設備管理人員通過客戶端從設備狀態監測與遠程診斷系統獲取各類數據，進行各類數據的綜合分析、故障分析、設備狀態評估；鳴志公司專家組遠程客戶通過設備狀態監測與遠程診斷系統進行設備故障遠程會診，為企業提供技術支持。

通風機在線監測系統包括統一數據平臺、整體數據相關分析 （振動-狀態曲線模型）、智能化故障診斷庫檢索、設備狀態評估系統。通過對通風機設備的在線點檢定修 （診斷）系統的研究，發展成為適合煤化工企業的在線點檢定修模式。通風機在線監測系統的系統總體流程框架如圖2所示。

通過對設備狀態了解及掌握，烏海能源公司可以通過設備狀態分析與故障診斷報告，與通風機設備生產企業溝通，協助設備使用廠共同解決設備在運行及維護過程中遇到的問題。

2 主要模塊設計

2.1 數據采集模塊的設計

西來峰煤焦化廠共有6臺通風機，本文以1臺通風機為例，對通風機的關鍵部件進行監測，各監測點情況如表1所示。

圖1 總體系統圖

表1 鼓通風機監測點

各監測點的傳感器安裝方式：使用膠水粘接一個傳感器固定底座到設備軸承座表面，然后用雙頭螺栓將傳感器連接到底座上。傳感器連接采用鎧裝電纜，防止電纜易脫易斷，良好的防油、防水性能保證傳感器可靠連接。各個設備上的傳感器鎧裝電纜接進現場數據采集機柜，數據采集柜通過以太網與西來峰焦化廠的系統服務器相連，以便現場數據實時傳送到監控室。

圖2 通風機在線監測系統總體流程框架

2.2 狀態監測模塊的設計

狀態監測擔負對實時監測數據進行在線動態顯示的任務，是系統的重要支撐部分。用戶可以通過實時動態數據來初步判斷被監測通風機設備的基本運行狀況。狀態監測模塊的主要功能如表2所示。

表2 狀態監測模塊的主要功能

2.3 數據分析模塊的設計

數據分析的主要功能是對系統數據庫中所存放的監測數據進行各種分析，以便進一步準確地判斷機器或機組設備的運行狀況及可能的變化趨勢。時域分析法是根據描述系統的微分方程或傳遞函數，直接求解出在某種典型輸入作用下系統輸出隨時間t變化的表達式或其他相應的描述曲線來分析系統的穩定性、動態特性和穩態特性，主要有平均幅值、方根幅值、均值、有效值 （均方根值）、波形指標、脈沖指標、峰值指標、裕度指標計算公式、歪度指標、峭度指標。時域指標值如圖3所示。

圖3 時域指標值

滾動軸承數據分析時的模型如圖4所示。

圖4 滾動軸承示意圖

滾動軸承特征故障頻率的計算公式如下：

外環故障頻率計算公式：

式中：D——節圓直徑，mm；

d——滾珠直徑，mm；

β——接觸角，（°）；

z——滾珠數；

R——軸的轉速頻率。

內環故障頻率計算公式：

滾珠故障頻率計算公式：

保持架碰外環計算公式：

保持架碰內環計算公式：

2.4 故障診斷模塊設計

通風機的故障診斷是指在一定的工作環境下，根據設備運行過程中產生的振動頻率、通風機轉速判別設備是正常運行還是發生了異常現象，并判定產生故障的原因和部位，以及預測、預報設備狀態的技術。該模塊目前包括知識學習 （神經網絡、決策樹等方法）、已有知識的上傳、各種診斷方法選擇（粗糙集、模糊神經網絡、決策樹、灰色理論、基于規則診斷等）。故障診斷的結論還將為狀態維修計劃制定提供重要依據。

2.5 四方診斷模式設計

當通風機設備出現異常，在線監測服務器不能判斷出故障類型時，啟用四方診斷模式，此模式由生產和設備維護單位、生產管理單位、設備提供單位、設備狀態診斷與技術支持單位四家提供技術支持和保障。構架圖如圖5所示。

圖5 保障模式圖

構架說明：生產和設備維護單位承擔上級單位下達的生產任務和日常設備維護監測工作，并將設備狀態及數據及時上報上級單位。生產管理單位負責生產單位的管理與設備管理及設備檢修維護計劃的制定。設備狀態診斷與技術支持單位為生產管理單位提供設備狀態判斷的技術支持，當生產單位設備出現異常或者較難判斷的問題時，給予專家會診或技術指導。如果設備問題的產生與設備提供單位有關，以現場數據為依據，與設備提供商合作進行設備維修或者制造工藝改進。

2.6 遠程診斷模式設計

通風機在線監測系統提供遠程診斷功能，如圖6所示。

圖6 遠程診斷模式圖

圖6中，焦化廠通過公司局域網與集團公司進行數據交換，報告設備數據，向集團公司上報異常數據或報警數據。烏海能源公司通過公司局域網與焦化廠進行數據交換，接受異常數據及設備異常報告，查看設備報警狀態，進行數據分析。鳴志設備故障診斷專家組提供設備故障診斷技術支持，技術中心專家對焦化廠上報數據或報警數據進行診斷分析，指導焦化廠進行設備維護。如果上報的異常數據或報警數據不完整，技術中心專家還可以通過公司局域網直接訪問焦化廠設備的所有歷史數據。鳴志專家組可以通過Internet網遠程登錄到烏海能源公司下屬焦化廠，查看完整設備數據，進行數據分析與故障會診。如果設備出現較復雜問題，技術中心專家可以邀請外部專家進行故障會診。

3 結論

通風機在線監測系統涉及到的關鍵技術包括振動分析及故障診斷、遠程數據傳輸、大型數據庫和Webservice服務綜合軟件系統構建，通風機振動與狀態相關性綜合分析模型建立等。

本文對焦化廠的通風機在線監測進行研究，對總體功能進行設計。通過對通風機的減速器、電動等關鍵設備的振動、轉速的實時監測，將數據上傳至服務器，對數據進行分析，利用故障診斷模塊對通風機進行狀態診斷。為了應對各種復雜情況，設計了遠程診斷模式和四方診斷模式，集合各方專家，為焦化廠提供技術支持。

［1］ 趙利杰.基于WiFi網絡的電廠引通風機的實時監控系統的研究與設計 ［D］.河南理工大學，2011

［2］ 王勇，宋愛山等.EDA9033在通風機性能在線監測系統中的應用 ［J］.工礦自動化，2004 （1）

［3］ 沈安文，趙方亮.基于DSP的通風機振動監測系統［J］.自動化儀表，2006 （4）

［4］ 譚長森，孫鵬，郭峰.基于PLC的礦井主扇通風機自動監控系統的設計 ［J］.工礦自動化，2007 （6）