設備智能化在線監測系統在濟三選煤廠的應用

張 賀，于雅泉，于德芳，鄒忠罡，周廣瑞，隋 波

(兗礦集團 濟東物業管理中心，山東 濟寧 272100)

煤炭洗選是提高選煤廠經濟效益的一種有效途徑[1-2]，洗選設備是生產系統的重要組成部分，其健康狀況好壞是煤炭洗選能否正常進行的關鍵。為了保證洗選設備的完好性，通常選煤廠通過點檢制度對其進行檢查。傳統的設備點檢[3]是借助于人體五感(如視、聽、嗅、味、觸)或簡單的工具、儀器(如測溫儀、測振筆等)，按照預先設定的周期和方法，對設備的規定部位進行預防性檢查。但這種方法需要大量人力，且受人為因素影響較大；通常發現問題時設備已處于故障晚期，難以形成統一的對比數據，不能對設備檢修形成指導性意見[4-5]。

濟三選煤廠是一座礦井型選煤廠，經過多次升級改造后洗選能力達到7.50 Mt/a，設計采用全重介分選工藝。重介選煤廠的機械設備眾多，原來通過人工經驗、溫度檢測等方法判斷設備是否存在故障；但其只能診斷已經出現的故障，無法進行預先分析與判斷。為了保障選煤生產的高效、有序進行，實現設備故障的預先分析與判斷，并及時排除潛在故障，2017年10月選煤廠引入了智能化在線監測系統。通過其對設備的潛在故障進行分析，并將相關信息發送給技術人員，方便技術人員及時、準確掌握設備的運行狀態，實現早期預防和提前更換、維修等，進而保證設備的安全、正常運行，為選煤贏得生產時間。

1 系統組成

智能化在線監測系統(圖1)是為關鍵設備或部件(電機、減速機、激振器等設備)，安裝加速度、速度、位移、溫度等傳感器，進而實現對其運行狀態長期監測；并通過采集、積累的運行狀態數據，為每臺設備制定個性化的狀態檢測和數據分析方法。設備智能化在線監測系統分為兩部分，即硬件系統和軟件系統，其結構框圖如圖1所示。

圖1 設備智能化在線監測系統結構框圖

1.1 硬件系統組成

硬件系統是現場級系統，主要設備包括無線傳感器、采集站、現場服務器等，用于采集設備的振動、溫度等數據。傳感器為通用加速度傳感器，靈敏度為100 mV/g，且集成有溫度傳感器，通過無線傳輸方式將數據發送給采集站。采集站用于連接傳感器，最多可連接40個傳感器；在無隔擋的情況下，傳感器與采集站的有效傳輸距離為200 m；信號傳輸方式包括4G、WIFI、以太網三種，采集站將收到的數據無線傳輸給現場服務器。現場服務器用于收集采集站傳輸過來的數據，并有數據備份功能；將數據傳輸給數據庫，并提供與WRAS遠程診斷中心相同的數據分析功能。

由于傳感器采用無線傳輸方式，省去了鋪設線路的環節，安裝更加方便；以強磁座和膠水對傳感器進行固定，在一定程度上能夠減少工作量。該系統不僅僅是硬件的安裝與使用，還有專業的數據分析人員對數據分析、對設備運行狀態總結等軟服務。

1.2 軟件系統組成

軟件系統包括數據庫、云服務器、WRAS遠程診斷中心、移動客戶端(APP)等，用于分析數據、出具分析報告等。數據庫用于存儲現場服務器傳輸的數據，云服務器用于數據存儲和APP讀取；WRAS遠程診斷中心是數據分析軟件，可為專業數據分析人員提供數據分析平臺。WRAS遠程診斷中心集成了20多種數據分析方法(圖2)，能夠對數據充分、準確的進行分析，確保技術人員及時、準確的發現設備故障；其也能通過獨有的算法對損壞部件的殘余壽命進行預測，進而指導設備的維修工作。

圖2 故障診斷算法

該系統每5 min采集一次設備的振動特征值和溫度數據，相當于人工點檢一次，能夠保證檢測的及時性；每小時采集一次設備的振動數據波形，用于分析設備的振動狀態，相當于對振動進行一次離線精密監測[6]；此外，振動時域數據采樣值還可作為設備振動趨勢分析的依據。

2 傳感器的選擇與安裝

該系統通過安裝在振動軸承座的傳感器，采集旋轉部件的振動數據，進而對其進行分析，用于判斷設備運行狀態。因此，傳感器的選擇、安裝非常重要，需要滿足以下要求：

(1)根據檢測設備類型，確定振動數據類型，進而選擇合適的傳感器。常用的振動數據類型分為振動加速度、振動速度、振動位移三種[7]，對于設備的滾動軸承，一般采集振動加速度和速度信號，應該選用壓電陶瓷式振動加速度傳感器；對于設備的滑動軸承，應該選用位移傳感器。

(2)由于不同故障在不同方向上的振動敏感性差異很大，對于同一臺機組，在安裝傳感器時需要選擇合適的方向。水平方向對故障的綜合效應響應最好，軸向在軸向受力分析和故障劣化預測中必不可少，垂直方向在基礎結構類、共振類、工藝類等故障監測中有其獨特的敏感性。

(3)設備的轉速和類型不同，振動信號頻段存在差異，且其特征頻率與轉速成正比。對于齒輪嚙合故障，主要通過嚙合頻率[8]及其2～3倍的諧頻分析，因此采集信號的最大頻率是嚙合頻率的3倍以上[9-10]；對于軸承故障頻率，由于其材料質量的原因，故障頻率通常在2～20 kHz之間，軸承損傷晚期的故障頻率在2 kHz以內。因此，需要根據不同的檢測需求，設置不同的數據采集頻段。

3 應用效果

振動篩是選煤廠的重要設備之一，其配備有兩臺激振器，兩者通過電機驅動的主動軸連接在一起。激振器為一級傳動齒輪箱，主動軸和從動軸的齒輪規格相同。激振器是振動篩的傳動機構，也是設備利用機械振動的重要部件，因此實際生產中必須保證其完好。

以濟三選煤廠其中一臺振動篩的故障診斷為例，說明智能化在線監測系統的應用效果。在振動篩的轉速為750 r/min、齒輪齒數為46的條件下，齒輪的嚙合頻率為575 Hz；由于振動篩的軸承較多，設置高頻振動加速度為2～20 kHz，低頻振動加速度為2～2 kHz，振動速度為2～2 000 Hz。在每臺激振器上安裝四個傳感器，且兼顧水平方向、垂直方向、軸向三個方向，激振器的測點分布如圖3所示。

圖3 振動篩測點位置分布圖

通過激振器A主動軸1H測點的振動趨勢(圖4)可以看出：2018年1月26日該測點的振動加速度從17.429 m/s2開始上升，在2018年2月4日達到130.685 m/s2，10天內振動加速度上升了約6.50倍，說明振動篩性能在這段時間急劇下降。

圖4 激振器A主動軸1H測點的振動趨勢Fig.4 Trend of vibration of measuring point 1H of exciter A′s drive shaft

通過激振器A主動軸1H測點的時域波形(圖5)和頻譜(圖6)可以看出：該測點的振動加速度時域信號幅值較大，且沒有發現明顯的沖擊特征；而頻譜中可以看到明顯的軸承缺陷頻率(124.063 Hz)和多倍諧波，且有邊頻帶，說明軸承存在損傷。

通過振動趨勢和振動信號分析，判斷出了設備的損壞部位和損壞程度，可以擇機停機維修。在損傷較小的情況下，更換軸承即可使設備正常運行，避免了非計劃停機，同時節約了維修費用。

圖5 激振器A主動軸1H測點的時域波形

圖6 激振器A主動軸1H測點的頻譜

4 結語

濟三選煤廠采用智能化在線監測系統代替傳統的人工點檢，實現了設備的在線監測，故障診斷效率大幅提高，并能實現設備潛在故障的預先分析。通過對設備振動數據的采集和分析，能夠及時、準確的判斷出設備的運行狀態；在其出現故障時，能夠指明損壞部位和損壞程度，有助于減少甚至避免非計劃停機，并降低維修成本。這對于保證生產的高效、有序進行有著重要作用。

參考文獻：

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[5] 劉尚坤. 基于振動信號處理的旋轉機械故障診斷方法研究[D]. 北京：華北電力大學(北京)，2017.

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[9] 汪 超，吳吉瑞，張 鍵. 基于邊頻帶分析的齒輪故障診斷研究[J]. 湖北工業職業技術學院學報，2015(3)：107-109.

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