離心壓縮機狀態監測與故障診斷系統的設計與應用

楊文超

（埃理奧特機械設備維修服務（天津）有限責任公司，天津300000）

0 引言

完善的離心壓縮機設備狀態監測及故障診斷技術，可以提高設備的管理水平，保證產品的質量，提高設備的可靠性和易維修性，減少事故危害性。本文針對離心式壓縮機的特點，提出了狀態監測與故障診斷系統的設計思路。

1 離心壓縮機狀態檢測及故障診斷系統總體結構

設計壓縮機狀態檢測及故障診斷系統的最終目的是提高壓縮機運行過程中的可靠性，根據離心壓縮機的特點系統必須保證7×24 h不間斷地對壓縮機進行狀態檢測和故障特征識別，如果設備發生異常情況，可以及時做出相應處理，并為故障排除提出合理的建議等。

離心壓縮機設備的狀態檢測及故障診斷系統，根據功能可以分為兩大模塊：狀態檢測、故障診斷。對于整個壓縮機監測診斷系統來說，首先要根據壓縮機的型號選取合適的傳感器，在關鍵部位布置傳感器。接著，要監控壓縮機的溫度、壓力、流量、轉速等信號并進行收集，信息經過必要的處理后，存儲到數據庫中，提供給故障診斷模塊，進行機組運行判定，通過網絡實現遠程診斷/維護。其結構可用圖1簡單示意。

圖1 系統總體結構

2 硬件選取

壓縮機狀態監測及故障診斷系統主要的硬件包括傳感器、數據采集器、信號調理器等。

2.1 傳感器

傳感器是實現狀態監測的關鍵儀器，它負責采集設備的運行信息，傳輸給數據采集器做下一步處理。根據離心機狀態監測所需要的物理量，本系統所需要的傳感器包括振動傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。本系統最重要的就是振動傳感器的選擇。

根據振動傳感器的工作原理及特性，旋轉機械主軸測振主要選用激光傳感器和電渦流傳感器，因為這兩種傳感器屬于非接觸式傳感器，安裝在推力軸承的機架等靜止部件上來測量靜止部件的振動情況。

由于壓縮機在運行過程中各部位都有一定的振動頻率，因此在選用傳感器的響應頻率時應充分考慮壓縮機的振動頻率。例如，如果壓縮機的轉動頻率是50 Hz，那么我們需要選用頻率在10～500 Hz之間的傳感器。

另外，在選用傳感器時要充分考慮傳感器的響應頻率，傳感器的輸出方式也是選擇傳感器的重要因素之一，建議選用雙向輸出傳感器。

2.2 數據采集器及信號調理器

不論傳感器測量得到的是電壓還是電流，都必須傳輸到數據采集器中。本系統很重要的一個功能就是遠程監控，因此數據采集器要支持基于TCP/IP協議的以太網通信，而且對傳輸速度、可靠性和可安裝性方面有一定的要求，同時要有防水、防爆等功能。本系統采用MD39051A數據采集器。信號調理器是數據采集器的配套設置，主要用來對振動傳感器等的輸出信號進行隔離放大、信號調理，為信號遠距離傳輸奠定基礎。

本系統所采用的MD39051A數據采集器是整個系統的核心部件，它要完成對振動信號的AC/DC分離、可編程濾波等預處理以及對運行周期的采樣、相位及轉速等基礎信息的測量、主要特征值的計算、報警及異常數據判斷、收集信息控制、將所采集的數據送入系統等功能。

2.3 系統的硬件連接

整個系統可以大致分為三層。第一層，現場測試，主要包括布置在現場的振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等測量儀器儀表，負責對原始數據進行收集和預處理；第二層，車間監控，主要包括信號采集器和信號調理器，負責對傳感器測得的相關數據進行信號處理、分析、報警，監測數據保存及故障診斷等，安裝必要的傳輸設備和調控設備，讓現場工作人員可以及時觀測壓縮機運行狀態，并對壓縮機完成相關的啟/停以及狀態調節等操作；第三層，遠程監控，主要包括光纖、雙絞線等傳輸媒介，實現將現場處理完好的信號送到遠方，達到遠程監控的目的。

設備狀態監測及故障診斷中所用的傳感器能捕捉到的信號比較微弱，必要時須另加電荷放大器。

3 軟件設計

依照圖1的系統設計思路，筆者將整個系統分為組態、分析、管理三個部分。

3.1 組態

主要針對各種信息設備及參數的設置，并通過一些設置增強系統的適應性和兼容性。具體功能主要包括：

（1）信息鏈的建立，信息傳輸過程中采集器、機組、裝置、車間、公司等節點信息的設置錄入。

添加采集器是建立信息鏈的必要步驟，相當于將監控系統和傳感器連接在一起，使得整個系統可以獲得傳感器測得的信號。

在組態中，最關鍵的就是信息鏈的建立，而在信息鏈構建過程中，最關鍵的則是添加采集器，并設定其分析頻率和動態增益。對于15 000 r/min以下的機組，通常分析頻率選1.5～2 kHz為宜。動態增益則是根據信號的大小選擇一個恰當的頻率增益，在振動小于50 μm時，選擇16；而在50～100 μm時，選擇8；大于100 μm時，選擇4。

（2）除了添加采集器外還包含其他參數的設置，例如機組參數、硬件參數、信號通道參數、報警值、軸振動與軸位移、用戶自定義特征頻率設置等。

組態的存在極大地豐富了系統的兼容性和可擴展性。

3.2 分析

主要用于檢測數據的查看、分析及報表查閱，完成系統的主要監控任務。它的功能主要有：

（1）查看實時測量數據。所使用的實時數據的來源有三類：數據庫、服務器緩存、采集器。通常情況下，我們查詢時使用的是數據源最穩定的數據庫查詢，或者直接觀察關鍵參數的實時變化情況。

（2）歷史數據查詢。用戶可以根據自身需要設置篩選歷史條件，查看所要查詢的數據。

（3）故障診斷及查詢。系統提供故障集，針對每一種故障還給出了其表現特征、故障原因和消除故障的具體措施。用戶可以根據故障現象選擇查詢條件，搜尋出故障原因及詳細信息。

（4）查看檢測報告和清單。查看機組檢測的日、周、月、年等報表，報警清單的詳細信息。

3.3 管理

用于管理整個軟件的操作設置，包括碼表管理、用戶管理、權限設置、報表管理、服務器管理等功能。

4 結語

壓縮機狀態監測及故障診斷技術是計劃檢修制度向實時優化維護制度轉變的基礎。本文在分析壓縮機在線監測要求的基礎上，設計了一套在線監測及故障診斷系統，可以實現離心式壓縮機設備的實時狀態監測、短時趨勢分析、頻譜分析等功能，并基于傳統的專家經驗，實現實時報警和故障診斷。

[1]趙旭凌，周云龍.基于LabVIEW的離心泵在線監測與故障診斷系統設計及應用[J].東北電力大學學報，2017，37（2）：66-72.

[2]趙占濤.新技術新產品加油站工程建設中的應用[J].中國新技術新產品，2014（5）：58.

[3]姚志偉.基于知識的大型旋轉機械故障預知維護系統研究[D].北京：北京機械工程學院，2007.