盾構振動在線自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

張闡娟， 蒙先君， 李大偉， 吳朝來， 孫海波

(中鐵隧道局集團有限公司專用設備中心， 河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市地鐵、過江隧道以及地下綜合管廊等項目逐漸增多，盾構作為集機、電、液于一體的大型挖掘設備被越來越多地應用于隧道施工中[1]。由于盾構內(nèi)部系統(tǒng)具有一定的關聯(lián)性，且施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣，一旦某個系統(tǒng)的零部件出現(xiàn)故障很可能會造成整個盾構設備的停機，不僅影響施工進度還會引起巨大的經(jīng)濟損失。因此，在盾構運行過程中對其關鍵設備進行在線自動監(jiān)測并及時做出相應預警就顯得尤為重要。

在設備在線監(jiān)測方面，文獻[2-3]對風電設備的振動在線監(jiān)測進行了研究，文獻[4-5]對冷軋機組和配電變壓器的振動在線監(jiān)測進行了研究，在線監(jiān)測技術日趨完善。但在盾構施工領域，只有極少部分單位開展了設備監(jiān)測工作，大部分單位仍然更多地依靠人員的經(jīng)驗和個人能力，采用“眼看、手摸、耳聽”等方式對設備進行現(xiàn)場判斷。即使開展設備監(jiān)測工作的單位也只是采用離線式數(shù)據(jù)采集的方式進行，尚無綜合性、系統(tǒng)性的研究。

目前，盾構的部分子系統(tǒng)自帶本地監(jiān)控裝置，主要是針對單個設備的運行壓力、液體流量、工作電流、刀盤轉矩、軸承運轉時間及轉速等物理量進行監(jiān)控；但是本地監(jiān)控裝置所輸出的信息量有限，不足以全面反映設備安全運行狀態(tài)[6]。由于機械設備在工作過程中以固有的規(guī)律運行，可通過分析采集到的振動信息[7]，對機器故障進行提前預警并做出相應診斷?；诖?，本文設計了一種采集盾構主軸承、液壓泵和減速機等設備振動值的裝置，將監(jiān)測到的振動數(shù)據(jù)進行實時收集匯總，并上傳至在線監(jiān)控中心、建立數(shù)據(jù)庫，方便信息的存儲、查詢，做到發(fā)現(xiàn)故障及時預警。

1 系統(tǒng)總體設計

盾構振動在線自動監(jiān)控系統(tǒng)主要包括被監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心4部分。其中，被監(jiān)測設備有盾構的主軸承、主驅(qū)動電機、減速機、主泵站電機和液壓泵等大功率機械設備；數(shù)據(jù)采集器是一個模塊化裝置，主要采集被監(jiān)測設備振動值的變化，其內(nèi)部由振動傳感器、濾波器、放大器、A/D轉換器、嵌入式處理器等電子器件組成；數(shù)據(jù)集中器是一種高度集成的新型嵌入式智能通訊裝置，用于實現(xiàn)在線監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場的信息收集；數(shù)據(jù)監(jiān)控中心包含安裝了SCADA監(jiān)測軟件的PC機及PC機內(nèi)部運行的MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 盾構振動在線自動監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

振動傳感器終端節(jié)點將采集到的盾構關鍵設備的振動信號通過數(shù)據(jù)線傳送至VM-BOX數(shù)據(jù)采集器進行分析處理，然后經(jīng)過RS485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器管控，最后將數(shù)據(jù)集中器收集的信息通過以太網(wǎng)集中送至當?shù)財?shù)據(jù)監(jiān)控中心或遠方調(diào)度主站，完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控及預警。

2 系統(tǒng)硬件設計

在線監(jiān)控系統(tǒng)主要完成盾構相關設備振動變化值的采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通訊等功能，其中硬件部分包括數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器等。

2.1 數(shù)據(jù)采集器

VM-BOX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要包括以下4個部分： 振動傳感器模塊、信號調(diào)理轉換模塊、運算處理模塊和電源模塊。傳感器模塊是連接被測設備和測試系統(tǒng)的橋梁，將采集的物理信號轉化成電信號。由于被測電信號在測量和傳輸?shù)倪^程中存在各種噪聲和削弱現(xiàn)象，需經(jīng)過信號調(diào)理轉換模塊對被測信號進行放大、隔離、多路復用、濾波、激勵和線性化處理，并將調(diào)理之后的模擬信號轉化成便于微處理器讀取和分析的數(shù)字信號。運算處理模塊對傳送過來的離散信號進行計算，實現(xiàn)信號的時域與頻域分析。電源模塊負責為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行提供所需的能量。VM-BOX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

傳感器模塊選擇ADI公司的MEMS加速度傳感器，型號為ADXL345，主要采集設備的速度、加速度和頻率等參數(shù)[8]。嵌入式處理器硬件平臺選用Freescale/NXP公司的32位ARM/Cortex-M0+系列Kinetis-M專用計量微處理器，其內(nèi)核運行速度為75 MHz，主要包含了內(nèi)存映射計算單元MMAU、高精度 ∑-Δ模數(shù)轉換器ADC、可編程增益放大器PGA、高精度參考電壓Vref、Flash/RAM內(nèi)存單元、比較器CMP和RTC等外設。數(shù)據(jù)采集器與外部數(shù)據(jù)集中器之間的通訊接口采用RS485接口且波特率根據(jù)需要可調(diào)節(jié)。EEPROM存儲器與CPU的連接采用I2C總線，選取的型號為AT24C08，可提供8 kB的存儲數(shù)據(jù)。電源模塊內(nèi)部設計主要采用DC/DC變換器，將24 V直流電轉換成5 V直流電為系統(tǒng)運行提供所需的能量。

圖2 VM-BOX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結構框圖

2.2 數(shù)據(jù)集中器

考慮到被監(jiān)測設備體積較大且振動采樣點相對分散，需設計數(shù)據(jù)集中器將采集到的大量數(shù)據(jù)集中傳至上位機，要求數(shù)據(jù)集中器具有較快的運行速度和較強的數(shù)據(jù)處理能力[9]，為此選用帶有32位uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)的ARM處理器作為數(shù)據(jù)集中器的核心部件?；贏RM內(nèi)核的數(shù)據(jù)集中器具有以下特點：

1)無硬盤和風扇運行，硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；

2)采用良好的開關電源，輸入電壓為直流100～375 V或交流85～265 V，輸出電壓為5 V，寬范圍的電壓輸入可廣泛應用于各種供電環(huán)境；

3)支持不同的通信串口(如RS-232、RS-422、RS-485)和以太網(wǎng)協(xié)議(如UDP、TCP/IP)；

4)提供標準CDT、101、104或Modbus總線連接第三方SCADA。

3 系統(tǒng)軟件設計

在線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構主要分為4層： 采集層、基礎層、診斷層和報警層。通過4層的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和故障提醒，最終達到在線監(jiān)控目的。系統(tǒng)軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)控SCADA和數(shù)據(jù)庫3部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集器嵌入式軟件設計

數(shù)據(jù)采集器是基于Kinetis-M嵌入式處理器平臺，在IAR Embedded Workbench(7.60A版本)編程環(huán)境下將傳感器模塊節(jié)點采集到的振動變化數(shù)值經(jīng)過信號調(diào)理轉換輸送給處理器進行分析處理[10]。數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部程序設計流程如圖3所示。程序設計方法如下： 首先對ADXL345傳感器節(jié)點進行初始化設計，包括配置傳感器I/O口方向、接收緩存定義、延時、振動值寫入、Kinetis-M處理器運行啟動Boot程序并設置采集周期，將ADXL345傳感器的Driver驅(qū)動程序復制添加到Z-Stack協(xié)議棧代碼中；接著調(diào)用API函數(shù)進行硬件初始化，將數(shù)據(jù)打包并按照指定方式發(fā)送給Kinetis-M處理器，實現(xiàn)采樣保持、數(shù)模轉換、快速傅里葉變換FFT、參數(shù)(有效值、峰峰值、頻率、速度和位移等)計算以及通訊規(guī)約處理等功能。

3.2 在線監(jiān)控SCADA軟件設計

SCADA軟件是整個在監(jiān)控系統(tǒng)的中心，具有實時監(jiān)控、圖表生成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和安全報警等功能。系統(tǒng)支持對實時變量、開關變量、環(huán)累計量和字符串等數(shù)據(jù)類型的處理，并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計功能[11]。

在線監(jiān)控系統(tǒng)的界面是基于跨平臺組態(tài)軟件PGC-EX2000系統(tǒng)的自定義界面組態(tài)工具來設計的，通過拖放自定義控件、設置控件屬性、設置綁定關系并與現(xiàn)場實時采集的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，設計出直觀實用的組合界面[12]。PGC-EX2000系統(tǒng)設計動態(tài)顯示盾構PLC參數(shù)變化的實時數(shù)據(jù)如圖4所示，此掘進區(qū)段為砂層地質(zhì)，由圖可以看出盾構推力較大，其他數(shù)值正常。PGC-EX2000系統(tǒng)還可通過雙擊模擬量對象、開啟Trendcurveplay程序以及圖形組態(tài)工具graphedit對實時趨勢曲線和歷史曲線進行查看、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)采集器程序設計流程圖

3.3 在線監(jiān)控數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)是盾構設備振動在線監(jiān)控信息化管理的基礎，數(shù)據(jù)的有效采集、存儲、分析是系統(tǒng)功能穩(wěn)定發(fā)揮的關鍵環(huán)節(jié)，而數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理、組織、分析和管理的核心，其設計的合理性直接影響到整個系統(tǒng)的開發(fā)和運行效率[13]。

盾構振動在線監(jiān)控系統(tǒng)選用MySQL5.5作為后臺數(shù)據(jù)庫管理軟件，應用程序通過開發(fā)數(shù)據(jù)源互聯(lián)，配置連接到MySQL數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫查詢語言使用結構查詢語言。實時數(shù)據(jù)庫功能模塊主要完成實時數(shù)據(jù)的定義、編輯、修改，使整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的節(jié)點與駐留設備節(jié)點的實時庫保持一致。根據(jù)盾構振動在線監(jiān)控系統(tǒng)實際情況設計了3個數(shù)據(jù)庫，分別為用戶信息數(shù)據(jù)庫、振動監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫和閾值信息數(shù)據(jù)庫。每一個數(shù)據(jù)庫采用一庫多表的形式設計數(shù)據(jù)庫結構，具體設計如下。

1)用戶信息數(shù)據(jù)庫： 主要存儲用戶的基本信息，包括用戶注冊信息、用戶類別、用戶權限和權限功能等。

2)振動監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫： 主要存儲與盾構設備振動值相關的信息，如被測設備名稱，振動節(jié)點位置、類型和狀態(tài)，實時數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲，歷史數(shù)據(jù)分類存儲和監(jiān)控情況記錄等。

圖4 PGC-EX2000系統(tǒng)設計的盾構PLC參數(shù)顯示圖

3)閾值信息數(shù)據(jù)庫： 主要用于存儲設備在不同運行狀態(tài)下振動的上下限值，若監(jiān)控數(shù)據(jù)超出閾值時系統(tǒng)啟動報警功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 機械設備振動特性

機械設備的振動屬于運動學范疇，設備振動特性可用運動學中的位移、速度、加速度物理量表示，三者之間的微分關系為

a(t)=v′(t)=d″(t)。

(1)

式中d(t)、v(t)、a(t)分別為機械振動位移、速度和加速度的瞬時值。

假設機械設備振動的瞬時位移

d(t)=Dcos(2πft)，

(2)

由式(1)可推導出振動的瞬時速度和瞬時加速度：

(3)

a(t)=v′(t)=(2πf)2Dcos(2πft+π)=Acos(2πft+π)。

(4)

推導可得：

(5)

式(2)—(5)中：D、V、A分別表示振動位移、速度和加速度幅值；f表示振動頻率值。

由式(5)可知，保持振動位移一定，其速度與頻率成正比，加速度與頻率的平方成正比，這與文獻[14]所得結論一致。故設備的位移對低頻振動較敏感，加速度對高頻振動敏感，而振動的速度參量對頻率的敏感度介于位移和加速度之間。因此，對高頻運轉設備故障(如滾動軸承、齒輪箱故障等)，應選振動加速度作為參考量；監(jiān)測設備低頻故障(如不平衡、不對中等)時，應主要考慮振動位移的變化；而在進行振動的總體狀態(tài)測量時，均應選振動速度作為參考量。

結合理論分析和實際經(jīng)驗證明[15]，機械設備振動部件的疲勞運轉與振動速度成正比，振動所產(chǎn)生的能量與振動速度的平方成正比，能量傳遞造成設備磨損和其他缺陷。因此，在振動判斷標準中，無論是疲勞損傷還是磨損等設備運行缺陷，以振動速度作為監(jiān)測標準最為適宜。

4.2 安裝測試

本文以應用于合肥地鐵3號線的再制造CT006H盾構為背景對振動在線監(jiān)控系統(tǒng)進行測試分析。盾構設備振動在線監(jiān)控系統(tǒng)的被測設備和測試點見表1。

表1 盾構監(jiān)測點分布

由表1可以看出，盾構監(jiān)測采樣點中電流、壓力、流量、刀盤轉矩和轉速等參數(shù)可以從盾構的PLC系統(tǒng)中直接調(diào)取，設備振動值需要通過安裝傳感器進行采集。以盾構2#刀盤主驅(qū)動電機為例，測試振動在線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性和有效性，如圖5所示。將三軸壓電式加速度振動傳感器安裝在刀盤主驅(qū)動電機輸出端軸承位置，并將其打孔固定于主驅(qū)動底座上。

如圖5所示，圓圈內(nèi)標識的器件分別是2#主驅(qū)動電機上的數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集器，振動信號經(jīng)過振動傳感器傳輸至VM-BOX數(shù)據(jù)采集器，將分散的振動數(shù)據(jù)通過RS485接口統(tǒng)一發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器，并送至OPC SERVER上位機監(jiān)控系統(tǒng)，得到2#主驅(qū)動電機振動測試窗口，如圖6所示。

圖5 2#主驅(qū)動電機振動傳感器布置

2#刀盤主驅(qū)動電機的振動值通信波特率為9 600 Hz，且實時顯示X、Y、Z3個軸向的振動頻率、加速度和速度值，平均每5 min進行一次數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)將監(jiān)測到的振動數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)表中。通過上位機查詢歷史數(shù)據(jù)表了解2#主驅(qū)動的振動信息，從而對設備安全運行進行有效判斷，并做出相應預警。具體歷史數(shù)據(jù)如表2所示。

文獻[16]詳細規(guī)定： 振動頻率為10～1 000 Hz的機械設備，以速度作為振動標準，額定功率大于300 kW的剛性電機新投入使用時的振動速度不應超過2.3 mm/s，振動損壞極限速度為7.1 mm/s。在盾構投入使用初期階段，針對額定功率為315 kW的刀盤2#主驅(qū)動電機振動情況進行試驗。此時間段振動的徑向頻率平均值為46.094 Hz、波動范圍為-3.2%～36.5%，軸向頻率平均值為52.918 Hz、波動范圍 為-18.3%～41.7%，表明應考慮振動速度變化量；而徑向速度的平均值為1.45 mm/s、波動范圍為-8.3%～4.1%，軸向速度平均值為1.532 mm/s、波動范圍為-2.7%～5.1%，其瞬時速度均未超過2.3 mm/s，對于新投入使用的再制造盾構符合國標規(guī)定的振動范圍，表明此段時間內(nèi)刀盤2#主驅(qū)動的振動情況沒有異常，設備運行正常。

圖6 主驅(qū)動馬達振動測試窗口

序號 時間站名測試量測試值7002017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.487012017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.537022017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向頻率/Hz41.417032017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.567042017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.527052017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向頻率/Hz44.277062017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.467072017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.467082017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向頻率/Hz40.17092017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.497102017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.627112017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向頻率/Hz46.887122017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.517132017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.527142017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向頻率/Hz40.897152017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.57162017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.467172017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向頻率/Hz43.237182017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.477192017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.647202017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向頻率/Hz51.567212017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.57222017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.847232017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向頻率/Hz75.007242017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.337252017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.647262017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向頻率/Hz56.517272017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.617282017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.667292017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向頻率/Hz55.21

5 結論與建議

盾構振動在線監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、動態(tài)分析、歷史查詢和異常報警等功能，為設備潛在故障預警提供了重要的數(shù)據(jù)支持。目前，此套振動監(jiān)控系統(tǒng)還處于試驗階段，尚未出現(xiàn)故障案例。建議在后續(xù)施工過程中設備出現(xiàn)故障時，可對故障前期系統(tǒng)輸出的盾構振動數(shù)據(jù)進行集中分析，并結合現(xiàn)場問題對故障進行診斷，以進一步驗證盾構振動在線監(jiān)控系統(tǒng)的預判故障及報警性能。

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