設備狀態監測技術在冶金行業中的實施

常寶富

（河鋼唐鋼檢修分公司，河北 唐山 063000）

隨著設備狀態監測技術的快速發展和積極推廣，以及高端客戶對冶金企業生產設備的嚴格認證，加之冶金行業中優秀的企業正大力發展高端產品增加利潤等因素，使得鋼鐵行業越發重視設備狀態監測技術。

1 背景介紹

1.1 傳統點檢制度的分析

傳統的點檢模式是點檢員通過基于五感及技能的日常點檢，這種方式的確為產線穩定順行起到了重要作用，但是也存在很多弊端，如不同點檢員點檢結果差異大，無法實現劣化趨勢預測等，并且點檢人工成本高、檢測及時性差。同時，點檢員很難及時且準確的發現早期故障[1]，這樣就會使早期故障逐漸劣化造成突發事故。

1.2 設備維修模式分析

冶金企業的設備多為大型設備，負載高，磨損率高，隨著長時間運行容易出現一些早期故障，如果不及時處理容易造成突發性事故。傳統的維修模式主要是事后維修和定期維修，事后維修是指設備發生事故后進行維修，這種維修方式不僅會產生的巨大的經濟損失甚至還會發生較大的安全事故；定期維修主要是靠經驗積累制定檢修周期，這種方式會導致設備的維修不及時從而造成設備事故，同時也會導致設備的“過維修”造成維修成本的升高，加快設備的磨損和老化，影響設備精度。

1.3 現代化冶金企業對提高設備管理水平的迫切需求

在《中國制造2025》中，智能制造被定位為中國制造的主攻方向。為達到智能制造的目標，冶金企業也在不斷的提高設備的自動化和智能化程度，近年來多家大型鋼鐵企業也提出打造智能工廠以及無人工廠的說法。這些都為設備管理提出了更高的要求。

2 冶金行業采用在線監測的意義

2.1 實現科學的點檢和維修模式

目前檢修主要分為應急性維修、主動性維修、預防性維修和預知性維修。據統計，先進企業將80%的維修資源用于預知性和預防性維修。

圖1 冶金企業設備檢修成本分布圖

預知性維修需要依賴基于先進設備檢測技術的狀態監測系統，通過設備狀態監測技術的實施，可以實現最佳設備維修策略，準確制定檢修周期以及檢修部位，優化設備利用率、減少維護成本，進一步提高生產力和設備效率，從而更好地實現對設備的管理和維護。

2.2 實現智能化設備管理

提高設備管理水平使設備穩定運行是實現智能制造的重要保障，單靠人力點檢已經無法滿足這一目標，因此依靠狀態監測幫助企業更加全面的了解設備狀態和劣化趨勢，實現設備趨勢分析和設備精密診斷，從而逐步改進維修策略，達到預測性維修，最終實現設備的智能化管理是實現智能制造道路的必由之路。

2.3 實現安全生產

冶金企業設備密集且都是大型設備，并且運行工況復雜危險源多，設備由于小的故障造成大的安全事故不勝枚舉，對設備狀態進行監控對早期故障進行及時處理，可以大幅度減少突發事故的發生幾率。

3 冶金行業設備狀態監測問題分析

近些年，設備狀態監測技術發展突飛猛進，有效的應用在石油和電力等行業，但是在冶金行業應用卻很難達到預期的效果，這主要是由于冶金設備具有低速重載、變速變載荷的特性，工況運行復雜且多變[3]，導致監測數據有很多復雜的頻率成分產生，從而為冶金設備的故障診斷造成很大的難度，以下是冶金設備進行狀態監測的主要難點。

（1）冶金設備由于生產工藝的原因會經常產生很大的瞬時沖擊力，從而產生很高的振動頻率并且超過傳感器的量程[4]，引起極低頻率的升高，產生誤報警；除此之外，還會產生很多復雜的頻率成分來混淆真實的故障頻率，從而給分析造成困難。

（2）由于冶金設備運行變速變載荷的特性很難準確的分析出設備的劣化趨勢，并且也很難定出設備準確的預報警值，這樣就會產生漏報和誤報現象，沒有準確的報警值就失去了狀態監測的意義。

圖2 冷軋軋機振動采集時檢測的電流和轉速的變化

（3）現在多數在線和離線檢測儀器都是采用加速度傳感器，市面上普通的加速度傳感器的量程是0.5Hz到10000Hz且傳感器在5Hz以下線性就不好了，并且在后期數據處理中很難通過補償計算進行處理。例如酸軋活套減速機的狀態監測。

表1 酸軋活套減速機的設備部分數據

表2 各故障頻率產生的范圍

該設備運行速度變化程度較大，多數在200RPM～900RPM之間，且3軸和4軸的轉頻都處在有效量程之外，4軸使用普通的加速度傳感器已經無法檢測轉頻，除此之外軸承保持架的故障頻率幾乎都是小于所在軸的轉頻。

（4）離線檢測難度加大，由于使用離線采集儀器時無法準確的匹配到相關的轉速，在此情況下很難準確的判定故障。另外，現場環境復雜，技術人員由于安全問題無法在設備有效測點貼傳感器進行數據采集，這就會降低振動數據真實性，使得故障診斷結果誤差偏離度增大。

（5）冶金行業設備密集，在狀態監測時會產生很多干擾，相鄰之間的軋機也會通過鋼帶傳播振動。

（6）成熟的狀態監測技術人員不僅需要一定的振動理論基礎，還應熟知現場設備和生產工藝，在成為成熟的技術人員時也需要長時間的實際分析經驗，從而加大了企業培養人才的成本。

4 冶金行業設備狀態監測改善建議

（1）采用在線監測和離線檢測相結合的方式，鋼鐵企業在進行狀態監測之前要對關鍵設備進行設備結構、運行工況及所處環境分析，對沒有備套設備、影響產品質量以及損壞會導致停產的關鍵設備進行在線監測，對一些轉速較低、變化較快以及危險源點較多的設備也要采用在線監測，對一些轉速穩定的風機和泵可以采用離線檢測，這樣在一定程度上節省了企業成本。

（2）硬件選型合理，盡可能使軟硬件適合現場設備，根據所測位置選擇不同類型的傳感器，如速度傳感器和電渦流傳感器，在低速軸要盡可能使用低頻響應較好的高精傳感器；在關鍵部位可以加裝溫度傳感器。

（3）檢測系統要有可擴展性，為滿足鋼廠多種設備振動監測，數據處理采用模塊化形式，技術人員可以通過模塊連接對測點進行數據處理，可以根據監控設備的變化隨時設定有效的數據處理模式和更換測點位置。

（4）閾值設定合理，狀態監測系統要與現場自動化系統相連接，狀態監測系統在振動信號采集的同時要檢測相應的轉速、電流、扭矩以及產品種類等工藝信號，閾值要根據不同的工藝條件來設定不同的值，要通過這些工藝條件來觸發系統報警條件。

（5）狀態監測系統要有完善的數據上傳和儲存機制，可以將設備數據、檢修情況和分析報告上傳至系統，建立完備的設備運行狀態數據庫。使后續分振動分析人員、現場技術人員及管理人員都可以直觀的了解設備運行情況。

5 后記

本文詳細闡述了冶金行業在應用狀態監測技術上產生的一些問題，并給出相應的建議。通過狀態監測技術可以使冶金企業實現以下幾個目標：①提升產線效率；②提升產品質量；③實現預知性維修，延長產線壽命；④減輕檢修人員勞動強度；⑤建立基于設備系統運行及精度控制的數據庫五個主要方面。企業實現智能制造還任重而道遠，可以分三個步驟來實現這一目標：首先，通過劣化分析掌握設備運行趨勢，改變維修策略；其次，由單臺設備向系統發展，最終能夠分析判斷系統的運行狀況；最終，由可控運行向精度管理轉變，要逐步建立設備精度數據庫，參與產品設計，最終為產品質量負責。