鋅冶煉廠電動設(shè)備安全監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

楊 揚，薛昊洋

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人力成本的不斷上升，現(xiàn)代鋅冶煉企業(yè)生產(chǎn)自動化的程度變得越來越高，企業(yè)大部分的制造任務(wù)都由自動化設(shè)備、半自動化設(shè)備以及一些簡單的設(shè)備機器來完成作業(yè)。隨著鋅冶煉系統(tǒng)自動化程度的提升，企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備依賴程度加深，設(shè)備的可靠性以及維修成本的降低成為鋅冶煉企業(yè)的管理目標(biāo)，在鋅冶煉廠實施全廠電動設(shè)備安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是可靠的實施手段及必然發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)能促進設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定地運行和生產(chǎn)，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和精度，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量，是企業(yè)降本增效，實現(xiàn)盈利的必要保障。

電動設(shè)備安全監(jiān)測系統(tǒng)，由在線狀態(tài)檢測裝置、在線數(shù)據(jù)采集單元和安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成。該系統(tǒng)利用近年來不斷革新發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢，通過網(wǎng)絡(luò)化在線分析功能的運用，給企業(yè)提供生產(chǎn)機器狀況的完整信息。系統(tǒng)的核心是安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件，以之作為平臺，利用在線監(jiān)測分析技術(shù)，將預(yù)警、分析報告等各種診斷信息和檢修建議提至業(yè)主相關(guān)維修部門或相關(guān)生產(chǎn)管理部門，管理部門據(jù)此信息進行決策，進展檢修，跟蹤檢修，并驗證檢修結(jié)果，形成閉環(huán)管理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Safety monitoring system

1 在線狀態(tài)檢測裝置

狀態(tài)檢測是設(shè)備安全監(jiān)測的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將生產(chǎn)設(shè)備故障的產(chǎn)生、發(fā)展、變化的全過程的狀態(tài)信號數(shù)據(jù)采集后，調(diào)用故障類型數(shù)據(jù)庫進行特征分析和預(yù)警，優(yōu)化需檢修部件，檢修方式，檢修周期，得到更有效率的維修時間節(jié)點，減少維修頻次偏高或偏低現(xiàn)象，輸出維修方案。

鋅冶煉廠需要監(jiān)測的電動設(shè)備主要包括泵、風(fēng)機、壓縮機、帶式輸送機等，不同類型設(shè)備的大致檢測內(nèi)容如下：

1.1 潛水泵

潛水泵長期在水下運行，易因軸承、繞組溫度過高或電機、接線盒浸水等問題，造成潛水泵故障。在線連續(xù)監(jiān)測潛水泵運行參數(shù)，包括運行過程中的振動、軸承溫度、繞組過熱、電機浸水、接線盒浸水等，可以有效地防止?jié)撍玫膿p壞。

監(jiān)測的部位包括預(yù)埋溫度傳感器，繞組過熱、電機浸水、接線盒浸水、油室浸水預(yù)埋傳感器輸出報警信號，在電機上機架安裝振動傳感器，在流道進口、葉輪進口和葉輪出口安裝壓力變送器、水泵主軸安裝轉(zhuǎn)速傳感器等。

1.2 風(fēng)機

風(fēng)機的典型故障包括電機潤滑不良，軸承損傷（損壞），軸承跑套，地腳松動，螺絲松動，軸角向不對中，軸平行不對中，軸頭彎曲，轉(zhuǎn)子不平衡，動靜碰摩、氣隙偏心、轉(zhuǎn)速異常，風(fēng)機轉(zhuǎn)子軸承磨損，地腳松動，螺絲松動，軸角向不對中，軸平行不對中，軸頭彎曲，轉(zhuǎn)子不平衡，葉片斷裂等。

監(jiān)測的部位包括電機非驅(qū)動端、電機驅(qū)動端、電機驅(qū)動端軸、風(fēng)機轉(zhuǎn)子、軸承座輸入端、軸承座輸出端，監(jiān)測參數(shù)包括三向振動、溫度、轉(zhuǎn)速。

1.3 壓縮機

壓縮機的典型故障包括電機轉(zhuǎn)子的氣隙偏心、軸頭彎曲、軸向不對中、動靜碰摩、轉(zhuǎn)子不平衡，電機軸承的潤滑不良、軸承損壞，電機地腳螺絲松動，壓縮機軸承損壞、軸承潤滑不良，螺桿轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子損傷、轉(zhuǎn)子不對中、動靜碰摩，壓縮機地腳螺絲松動等。

監(jiān)測的部位包括電機非驅(qū)動端、驅(qū)動端軸承的三向振動加速度、溫度；電機軸與聯(lián)軸器連結(jié)位置的轉(zhuǎn)速；陰轉(zhuǎn)子前后軸承位置的三向振動加速度、溫度，陽轉(zhuǎn)子前后軸承處的三向振動加速度、溫度；吸氣、排氣壓力，油壓，吸氣、排氣溫度、油溫、水溫等。

1.4 帶式輸送機

帶式輸送機的典型故障包括：電機潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動、螺絲松動，軸的角向不對中、軸的軸向不對中、轉(zhuǎn)子不平衡，軸頭彎曲，動靜碰磨，氣隙偏心；減速器的齒輪故障包括：潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動、螺絲松動，軸的角向不對中、軸的軸向不對中，轉(zhuǎn)子不平衡，軸頭彎曲，驅(qū)動滾筒的潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動，轉(zhuǎn)子不平衡，軸系運行穩(wěn)定性、軸系強度安全，改向滾筒的潤滑不良，軸承損傷、軸承跑套，地腳松動、轉(zhuǎn)子不平衡，軸系強度安全，漲緊滾筒的潤滑不良、軸承損傷、軸承跑套、地腳松動、轉(zhuǎn)子不平衡，軸系強度安全，皮帶的跑偏、撕裂、軸承損傷等。

監(jiān)測的部位包括：電機驅(qū)動端、電機非驅(qū)動端的三相振動、溫度，減速器輸入端、減速器輸出端的三相振動、溫度，軸承座的三相振動、溫度，軸系的彎矩，皮帶的跑偏、撕裂，振動等。

振動信息為最主要的狀態(tài)判斷依據(jù)。振動信號監(jiān)測技術(shù)是目前機械設(shè)備監(jiān)測的主流方法之一，在滾動軸承整個壽命周期內(nèi)可直觀、有效地監(jiān)測并反映出設(shè)備的運行狀態(tài)，振動信號時域、頻域和時頻域中均可呈現(xiàn)出豐富且有效的信息，而在不同域中提取軸承振動信號等特征信息是準(zhǔn)確評估和預(yù)測滾動軸承性能退化狀態(tài)的基礎(chǔ)[1,2]。

設(shè)備在一定的運行狀態(tài)下，不同的部件（如軸承、齒輪箱等）會有不同的受損情況，當(dāng)這些部件受損時，振動信號會以不同頻率的振動表現(xiàn)出來，振動問題是造成各類設(shè)備非計劃停運的主要原因之一。通過振動信息，識別和確定哪些部件已經(jīng)壞了和這些部件的損壞進展情況，諸如不平衡、不對中、松動、磨損和一些其它問題都有可能是造成部件受損的根本原因，只有識別和減少了這些狀態(tài)，才能更大限度地延長設(shè)備壽命并保障設(shè)備安全運行。

以上狀態(tài)檢測項目中，溫度檢測使用熱電阻，壓力檢測使用智能壓力變送器，轉(zhuǎn)速檢測使用電渦流傳感器，振動檢測采用壓電式加速度傳感器，跑偏檢測采用跑偏開關(guān)，撕裂檢測采用撕裂傳感器，彎矩檢測采用彎矩傳感器，扭振檢測采用扭振傳感器。

2 在線數(shù)據(jù)采集單元

狀態(tài)檢測的傳感器通過電纜連接到在線數(shù)據(jù)采集單元上，在線數(shù)據(jù)采集單元負責(zé)傳感器的供電和信號采集，并且將數(shù)據(jù)、波形、開關(guān)量狀態(tài)等顯示在液晶屏上。數(shù)據(jù)采集模塊預(yù)留以太網(wǎng)、總線通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可方便地與全廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換，在廠房控制室的操作員站上能對其進行遠程監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集單元有輸入模塊和輸出模塊，根據(jù)信號源的不同，輸入模塊進一步細分，主要有DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊，以上模塊是連接現(xiàn)場傳感器和CPU的橋梁。數(shù)字量模塊用于接收和輸出開關(guān)信號，模擬量模塊用于接收和輸出熱電阻、各類變送器提供的模擬電流和電壓信號。該數(shù)據(jù)采集單元有獨立的系統(tǒng)保護功能模塊，具備有上電抑制和斷電保護功能，并內(nèi)置系統(tǒng)自檢、通道自檢及大容量存儲模塊，以保證足夠的存儲空間，并存有天、月、年劃分的歷史數(shù)據(jù)庫。

3 安全檢測系統(tǒng)軟件

安全檢測系統(tǒng)長期記錄對設(shè)備管理、診斷有用的數(shù)據(jù)，提供專業(yè)的診斷圖譜，通過預(yù)警提前識別各類設(shè)備的狀態(tài)信息、不同故障對應(yīng)的狀態(tài)值的偏差，通過調(diào)用故障數(shù)據(jù)庫，進行比對后，做出對故障原因、故障嚴重程度、故障發(fā)展趨勢的預(yù)判斷，得出最優(yōu)維修方案。

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)常用分析方法及優(yōu)缺點如下：

1）波形分析。時域波形具有直觀、易于理解等特點，包含的信息量大，對于轉(zhuǎn)子碰磨、軸承磨損沖擊類故障，在波形圖中很容易識別出來，但是不太容易看出所包含信息與故障頻率的聯(lián)系。

2）頻譜分析。頻譜分析技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子信息和計算機技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展起來的有效手段。采集的振動信號經(jīng)傅里變換，得到動設(shè)備振動信號的頻譜圖，通過分析設(shè)備振動信號中幅值較大的頻率成分，即表征設(shè)備故障信息，達到對動設(shè)備故障診斷分析，可以找到部件對應(yīng)的故障原因、位置和類型[3]。另外，電信號雖由機械運動產(chǎn)生，但管道內(nèi)的流體介質(zhì)、承載結(jié)構(gòu)等成為了振動信號的干擾因素，需把干擾信號分離出來，以識別機械運動狀態(tài)。

3）故障頻率分析。對于滾動軸承和齒輪而言，都有對應(yīng)的故障頻率。滾動軸承有內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架的故障頻率，齒輪有嚙合頻率、低速齒輪轉(zhuǎn)頻、高速齒輪轉(zhuǎn)頻。這些特征頻率能夠根據(jù)設(shè)備的零件參數(shù)計算出來。可將系統(tǒng)內(nèi)置常見軸承數(shù)據(jù)庫，根據(jù)所設(shè)置設(shè)備零件信息，系統(tǒng)可以自動計算相應(yīng)的故障特征頻率，并將這些特征頻率在圖譜上展示出來，能夠幫助現(xiàn)場人員快速定位故障點。

4）包絡(luò)譜分析。振動信號的時域特征能描述軸承的性能狀態(tài)，如可以用有效值在一定程度上描述軸承的故障嚴重程度，但是對于時域特征參數(shù)不能精確診斷出軸承的故障部位，因此需對包絡(luò)信號進行頻域分析。在滾動軸承的故障診斷方法中，包絡(luò)譜分析能夠有效地識別邊頻，從而找出調(diào)制信號的特性，進行軸承故障模式分類[4]。例如，在提取調(diào)制信號后，會得到脈沖信號，這些信號常常表征旋轉(zhuǎn)部件表面的損傷，如點蝕、裂紋、磨損、剝落等。

5）自相關(guān)分析。平穩(wěn)狀態(tài)下設(shè)備運行產(chǎn)生振動信號的自相關(guān)函數(shù)往往與寬帶隨機噪聲的自相關(guān)函數(shù)相近，出現(xiàn)周期性沖擊故障時，在滯后量為其周期的整倍數(shù)處，自相關(guān)函數(shù)就會出現(xiàn)較大峰值，據(jù)此識別周期性的沖擊故障。選擇有偏估計或無偏估計的自相關(guān)函數(shù)，以增加其抗干擾能力，提升其信號分析能力，有助于故障診斷[5]。

6）倒頻譜分析。可以處理復(fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)，能分析具有同族諧頻、異族諧頻、多成分邊頻等復(fù)雜信號。如齒輪箱發(fā)生故障時，信號中會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻和齒輪嚙合頻率及其倍頻形成邊帶信號。由于大部分齒輪箱中存在多個軸和多個齒輪，就會產(chǎn)生很多大小和周期都不同的周期成分混雜在一起，難以分離，倒頻譜分析能夠清楚地監(jiān)測和分離出這些周期信號，對于齒輪箱的故障檢測和分析信號是比較有效的。

除了以上分析方法外，常用的分析方法還有如下：功率譜分析，通過對信號進行諧波分解，可詳細了解各個部件的狀態(tài)；細化譜分析，常用于解決邊帶特征提取和分析調(diào)制變頻帶和多種諧波族；全矢譜分析，該分析方法與傳統(tǒng)方法相比，用多通道的信號代替了單通道信號，表達的信息更多，準(zhǔn)確性更高。

3.2 軟件基本功能

軟件具備的功能包括：

1）概覽統(tǒng)計及數(shù)據(jù)展示，包括所有設(shè)備關(guān)鍵信息的集中展示功能。

2）可具備數(shù)字、趨勢曲線、棒狀圖等多種豐富且直觀的顯示方式，可同時顯示傳感器狀態(tài)、設(shè)備信息、通道名稱、采集時間、通道報警狀態(tài)等多種信息。

3）具備設(shè)備運行狀態(tài)智能預(yù)警功能，支持閾值預(yù)警，趨勢增幅預(yù)警、趨勢增速預(yù)警、自學(xué)習(xí)閾值預(yù)警。

4）可預(yù)留所需信號，如振動、轉(zhuǎn)速信號的4mA～20mA輸出和緩沖輸出，供其它系統(tǒng)使用，每個模塊提供二級開關(guān)量，報警邏輯和報警動作延遲時間可設(shè)定。

4 結(jié)論

鋅冶煉廠工藝復(fù)雜，火法設(shè)備和濕法設(shè)備類型繁多，通過該系統(tǒng)對二氧化硫風(fēng)機、鼓風(fēng)機、各類介質(zhì)輸送泵、氧氣壓縮機、氮氣壓縮機、物料輸送機等設(shè)備的運行狀況進行安全監(jiān)測，判斷趨勢，診斷故障，能提高設(shè)備運行完好率，減少設(shè)備停機時間，降低維修成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。