通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉貴升 趙利杰 姜明學(xué)

（神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，016000）

通風(fēng)機設(shè)備主要以保證設(shè)備正常運行為主，其重點是加強設(shè)備狀態(tài)管理、降低維護維修成本，為企業(yè)創(chuàng)造良好效益，所以通風(fēng)機設(shè)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(fēng)機的安全性，降低故障率，設(shè)計了通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)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(fēng)機關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件 （增速齒輪箱、發(fā)電機）進行實時監(jiān)測，通過系統(tǒng)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)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(chǎn)廠四方參與復(fù)雜故障處理。風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體系統(tǒng)圖如圖1所示。

通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在關(guān)鍵設(shè)備上的在線振動數(shù)據(jù)采集儀及振動傳感器，經(jīng)過多通道在線數(shù)據(jù)采集儀、焦化廠實時PLC 系統(tǒng)進行信號調(diào)理和數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至西來峰焦化廠的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程診斷系統(tǒng)服務(wù)器，通過系統(tǒng)提供的專業(yè)分析工具 （趨勢、波形、頻譜、倒譜、共振解調(diào)等）進行設(shè)備故障分析及設(shè)備運行狀態(tài)評估，并實時顯示設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，并保存有效歷史數(shù)據(jù)到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(fēng)機運行狀態(tài)實時監(jiān)控、報警提示；烏海能源公司設(shè)備管理人員通過客戶端從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程診斷系統(tǒng)獲取各類數(shù)據(jù)，進行各類數(shù)據(jù)的綜合分析、故障分析、設(shè)備狀態(tài)評估；鳴志公司專家組遠程客戶通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程診斷系統(tǒng)進行設(shè)備故障遠程會診，為企業(yè)提供技術(shù)支持。

通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺、整體數(shù)據(jù)相關(guān)分析 （振動-狀態(tài)曲線模型）、智能化故障診斷庫檢索、設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)。通過對通風(fēng)機設(shè)備的在線點檢定修 （診斷）系統(tǒng)的研究，發(fā)展成為適合煤化工企業(yè)的在線點檢定修模式。通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)總體流程框架如圖2所示。

通過對設(shè)備狀態(tài)了解及掌握，烏海能源公司可以通過設(shè)備狀態(tài)分析與故障診斷報告，與通風(fēng)機設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)溝通，協(xié)助設(shè)備使用廠共同解決設(shè)備在運行及維護過程中遇到的問題。

2 主要模塊設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

西來峰煤焦化廠共有6臺通風(fēng)機，本文以1臺通風(fēng)機為例，對通風(fēng)機的關(guān)鍵部件進行監(jiān)測，各監(jiān)測點情況如表1所示。

圖1 總體系統(tǒng)圖

表1 鼓通風(fēng)機監(jiān)測點

各監(jiān)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(shè)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(shè)備上的傳感器鎧裝電纜接進現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集機柜，數(shù)據(jù)采集柜通過以太網(wǎng)與西來峰焦化廠的系統(tǒng)服務(wù)器相連，以便現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控室。

圖2 通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)總體流程框架

2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊的設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)測擔(dān)負對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行在線動態(tài)顯示的任務(wù)，是系統(tǒng)的重要支撐部分。用戶可以通過實時動態(tài)數(shù)據(jù)來初步判斷被監(jiān)測通風(fēng)機設(shè)備的基本運行狀況。狀態(tài)監(jiān)測模塊的主要功能如表2所示。

表2 狀態(tài)監(jiān)測模塊的主要功能

2.3 數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)分析的主要功能是對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中所存放的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行各種分析，以便進一步準確地判斷機器或機組設(shè)備的運行狀況及可能的變化趨勢。時域分析法是根據(jù)描述系統(tǒng)的微分方程或傳遞函數(shù)，直接求解出在某種典型輸入作用下系統(tǒng)輸出隨時間t變化的表達式或其他相應(yīng)的描述曲線來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)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(shù)據(jù)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(huán)故障頻率計算公式：

式中：D——節(jié)圓直徑，mm；

d——滾珠直徑，mm；

β——接觸角，（°）；

z——滾珠數(shù)；

R——軸的轉(zhuǎn)速頻率。

內(nèi)環(huán)故障頻率計算公式：

滾珠故障頻率計算公式：

保持架碰外環(huán)計算公式：

保持架碰內(nèi)環(huán)計算公式：

2.4 故障診斷模塊設(shè)計

通風(fēng)機的故障診斷是指在一定的工作環(huán)境下，根據(jù)設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的振動頻率、通風(fēng)機轉(zhuǎn)速判別設(shè)備是正常運行還是發(fā)生了異常現(xiàn)象，并判定產(chǎn)生故障的原因和部位，以及預(yù)測、預(yù)報設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)。該模塊目前包括知識學(xué)習(xí) （神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、灰色理論、基于規(guī)則診斷等）。故障診斷的結(jié)論還將為狀態(tài)維修計劃制定提供重要依據(jù)。

2.5 四方診斷模式設(shè)計

當通風(fēng)機設(shè)備出現(xiàn)異常，在線監(jiān)測服務(wù)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(chǎn)和設(shè)備維護單位、生產(chǎn)管理單位、設(shè)備提供單位、設(shè)備狀態(tài)診斷與技術(shù)支持單位四家提供技術(shù)支持和保障。構(gòu)架圖如圖5所示。

圖5 保障模式圖

構(gòu)架說明：生產(chǎn)和設(shè)備維護單位承擔(dān)上級單位下達的生產(chǎn)任務(wù)和日常設(shè)備維護監(jiān)測工作，并將設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)及時上報上級單位。生產(chǎn)管理單位負責(zé)生產(chǎn)單位的管理與設(shè)備管理及設(shè)備檢修維護計劃的制定。設(shè)備狀態(tài)診斷與技術(shù)支持單位為生產(chǎn)管理單位提供設(shè)備狀態(tài)判斷的技術(shù)支持，當生產(chǎn)單位設(shè)備出現(xiàn)異常或者較難判斷的問題時，給予專家會診或技術(shù)指導(dǎo)。如果設(shè)備問題的產(chǎn)生與設(shè)備提供單位有關(guān)，以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依據(jù)，與設(shè)備提供商合作進行設(shè)備維修或者制造工藝改進。

2.6 遠程診斷模式設(shè)計

通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)與集團公司進行數(shù)據(jù)交換，報告設(shè)備數(shù)據(jù)，向集團公司上報異常數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)。烏海能源公司通過公司局域網(wǎng)與焦化廠進行數(shù)據(jù)交換，接受異常數(shù)據(jù)及設(shè)備異常報告，查看設(shè)備報警狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)分析。鳴志設(shè)備故障診斷專家組提供設(shè)備故障診斷技術(shù)支持，技術(shù)中心專家對焦化廠上報數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)進行診斷分析，指導(dǎo)焦化廠進行設(shè)備維護。如果上報的異常數(shù)據(jù)或報警數(shù)據(jù)不完整，技術(shù)中心專家還可以通過公司局域網(wǎng)直接訪問焦化廠設(shè)備的所有歷史數(shù)據(jù)。鳴志專家組可以通過Internet網(wǎng)遠程登錄到烏海能源公司下屬焦化廠，查看完整設(shè)備數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析與故障會診。如果設(shè)備出現(xiàn)較復(fù)雜問題，技術(shù)中心專家可以邀請外部專家進行故障會診。

3 結(jié)論

通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括振動分析及故障診斷、遠程數(shù)據(jù)傳輸、大型數(shù)據(jù)庫和Webservice服務(wù)綜合軟件系統(tǒng)構(gòu)建，通風(fēng)機振動與狀態(tài)相關(guān)性綜合分析模型建立等。

本文對焦化廠的通風(fēng)機在線監(jiān)測進行研究，對總體功能進行設(shè)計。通過對通風(fēng)機的減速器、電動等關(guān)鍵設(shè)備的振動、轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行分析，利用故障診斷模塊對通風(fēng)機進行狀態(tài)診斷。為了應(yīng)對各種復(fù)雜情況，設(shè)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(shù)支持。

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［2］ 王勇，宋愛山等.EDA9033在通風(fēng)機性能在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.工礦自動化，2004 （1）

［3］ 沈安文，趙方亮.基于DSP的通風(fēng)機振動監(jiān)測系統(tǒng)［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(fēng)機自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 ［J］.工礦自動化，2007 （6）