高性價(jià)比網(wǎng)絡(luò)化離線精密監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

常英杰

（普迪美科技（北京）有限公司，北京 100081)

0 引言

VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)趨勢(shì)監(jiān)測(cè)儀器和軟件由普迪美專家設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和驗(yàn)證，證明是個(gè)成功的產(chǎn)品。VBT3X包括 VBT33，VBT35+，VBT36機(jī)器狀態(tài)巡檢儀和VBT-View機(jī)器狀態(tài)和趨勢(shì)分析軟件。工廠預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)的實(shí)施，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，取決于趨勢(shì)監(jiān)測(cè)和報(bào)警的基礎(chǔ)工作。首先要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才有可能解決問(wèn)題，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題還要準(zhǔn)確，既避免漏報(bào)警，也要避免誤報(bào)警。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是目前所有先進(jìn)維修方式實(shí)踐的基石，先進(jìn)管理和新技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)推廣最大的障礙是人力資源的匱乏和專業(yè)技能的不足。對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作分級(jí)或分層、規(guī)范化、教育和培訓(xùn)，則是項(xiàng)目成功實(shí)施和改進(jìn)的必然選擇。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作4象限

將狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作做2個(gè)維度的劃分，即監(jiān)測(cè)和診斷，簡(jiǎn)易與復(fù)雜。監(jiān)測(cè)是為了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)測(cè)其發(fā)生、發(fā)展以致解決的循環(huán)過(guò)程；診斷是為了確定問(wèn)題的原因、部位、機(jī)理和根源，從而制定維護(hù)和修理行動(dòng)方案。簡(jiǎn)易是指用簡(jiǎn)單的儀器和軟件，容易使用，操作簡(jiǎn)單，對(duì)專業(yè)水平要求不高，可以規(guī)范和普及；復(fù)雜是指需要用復(fù)雜的儀器和軟件系統(tǒng)，對(duì)專業(yè)技術(shù)水平要求較高。如此2維度、4象限狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作定義（圖1），可以幫助企業(yè)理清需要和具備的條件，完成制定合理的系統(tǒng)解決方案。

圖1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)4象限

簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)是對(duì)一個(gè)或多個(gè)單值狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，包括趨勢(shì)跟蹤和報(bào)警，一般用簡(jiǎn)易的儀器進(jìn)行。比較理想的情況儀器具備數(shù)據(jù)記錄或路徑檢測(cè)功能，配套簡(jiǎn)單的專用軟件能夠更有效的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和報(bào)告。

簡(jiǎn)易診斷是當(dāng)簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常后，利用已有單值監(jiān)測(cè)參數(shù)和/或臨時(shí)增加的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用簡(jiǎn)單的容易掌握的經(jīng)驗(yàn)法則所進(jìn)行的故障判斷。例如用高頻檢測(cè)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的軸承狀態(tài)的判斷，利用不同測(cè)點(diǎn)、不同方向、不同界面的振動(dòng)值比較發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的一致性、方向性、差異性的特征，從而判斷問(wèn)題的性質(zhì)。簡(jiǎn)易診斷僅利用單值數(shù)據(jù)，是初步故障分析。

精密監(jiān)測(cè)除了利用單值數(shù)據(jù)，還利用復(fù)雜圖譜，包括頻譜/波形、包絡(luò)解調(diào)譜等。從這些譜圖中可以提取更多個(gè)單值參數(shù)、特征值或頻帶值，并對(duì)這些參數(shù)建立報(bào)警限和報(bào)警規(guī)則或者對(duì)譜圖建立包絡(luò)報(bào)警。精密監(jiān)測(cè)需要數(shù)據(jù)采集器和監(jiān)測(cè)分析軟件，能夠完成數(shù)據(jù)庫(kù)建立、參數(shù)和報(bào)警設(shè)置、路徑數(shù)據(jù)采集和傳送、趨勢(shì)和報(bào)警、圖譜顯示和分析、異常數(shù)據(jù)提取和預(yù)診斷、報(bào)表和報(bào)告等任務(wù)。

精密診斷是當(dāng)精密監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了異常之后，利用已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括單值數(shù)據(jù)、圖譜和提取的特征值數(shù)據(jù)；也可能臨時(shí)增一些的測(cè)點(diǎn)，增加一些測(cè)試方法，如相位分析、啟停機(jī)試驗(yàn)、敲擊測(cè)試等；利用振動(dòng)特征分析方法，分析問(wèn)題的性質(zhì)、原因、部位、機(jī)理擬或根源。然后根據(jù)診斷結(jié)論提出維修建議，作為預(yù)測(cè)維修的依據(jù)。

2 VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀

2.1 VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀簡(jiǎn)介

VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了滿足簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)、簡(jiǎn)易診斷、精密監(jiān)測(cè)和部分精密診斷的需要，設(shè)計(jì)理念充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。產(chǎn)品系列化，區(qū)分使用層次，功能夠而不冗余；趨勢(shì)監(jiān)測(cè)靈敏，故障覆蓋率高；操作簡(jiǎn)便快捷，系統(tǒng)實(shí)施門檻低，性價(jià)比高。VBT33機(jī)器狀態(tài)巡檢儀作為一款普及型狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)多單值參數(shù)多功能測(cè)量，但不必具有現(xiàn)場(chǎng)人員難以理解的頻譜/波形分析。簡(jiǎn)單可靠，容易使用。

2.2 VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀功能

（1）同時(shí)測(cè)量振動(dòng)速度，加速度，和位移；并利用ISO 10816-3：2009振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)即時(shí)評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng)狀態(tài)，如果超標(biāo)，給操作者報(bào)警提示。

（2）同時(shí)檢測(cè)軸承高頻振動(dòng)加速度值和軸承振動(dòng)速度有效值，以及包絡(luò)解調(diào)值；并利用經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)滾動(dòng)軸承健康狀態(tài)，提供軸承損壞早期報(bào)警。

（3）在聽(tīng)診器模式，可以聽(tīng)取原始的和濾波的振動(dòng)聲音信號(hào)，操作者可結(jié)合振動(dòng)測(cè)量直接感官評(píng)價(jià)軸承狀態(tài)。

（4）儀器內(nèi)置紅外測(cè)溫傳感器和激光指示器，提供對(duì)軸承座或機(jī)器表面溫度的即時(shí)檢測(cè)。

（5）VBT33可按VBT-View軟件設(shè)置的數(shù)據(jù)庫(kù)和路徑，進(jìn)行路徑數(shù)據(jù)采集?？梢詫?duì)機(jī)器設(shè)置RFID（Radio Frequency Identification Devices，無(wú)線射頻識(shí)別）電子標(biāo)識(shí)，路徑采集時(shí)自動(dòng)識(shí)別機(jī)器。也可以現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)增加非路徑數(shù)據(jù)采集?？纱鎯?chǔ)30個(gè)路徑，900臺(tái)機(jī)器，9000個(gè)測(cè)點(diǎn)和2.7萬(wàn)個(gè)位置的巡檢數(shù)據(jù)。

（6）通過(guò)USB接口，無(wú)線藍(lán)牙或WiFi（Wireless Fidelity，無(wú)線局域網(wǎng)）與VBT-View軟件通信，下載測(cè)試路徑任務(wù)和上傳路徑數(shù)據(jù)。儀器的固件也可通過(guò)USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）更新。

VBT35+機(jī)器狀態(tài)巡檢儀作為一款基礎(chǔ)型狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器，在VBT33的多單值參數(shù)多功能測(cè)量之外，增加了對(duì)低頻400 Hz，中頻 1000 Hz，高頻 8000 Hz和解調(diào) 1000 Hz（1 k～12 k）Hz的800線頻譜監(jiān)測(cè)和分析能力。多參數(shù)多頻譜監(jiān)測(cè)保證覆蓋和靈敏響應(yīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器可能發(fā)生的振動(dòng)故障，展示機(jī)器的振動(dòng)特征。每個(gè)測(cè)量參數(shù)明確一致，簡(jiǎn)單和容易理解。VBT35+在能夠敏感檢測(cè)各種旋轉(zhuǎn)機(jī)器故障的同時(shí)，保持了簡(jiǎn)單易用的風(fēng)格。

VBT36機(jī)器狀態(tài)巡檢儀是一款基礎(chǔ)加強(qiáng)型狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器，在VBT35+的監(jiān)測(cè)和分析功能之外，增加了頻譜分析和解調(diào)分析的頻率分辨率，具有相同的頻率范圍，可以提供800，1600和3200譜線；另外增加了振動(dòng)波形分析能力。這些增加的功能有助于常見(jiàn)故障的識(shí)別和精密診斷。

通過(guò)以上系列化和分級(jí)考慮，使得VBT3X成為現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)趨勢(shì)監(jiān)測(cè)人員得心應(yīng)手的儀器。優(yōu)異的人機(jī)工程殼體和界面，傳感器、電纜、儀器及接口的每一個(gè)具體細(xì)節(jié)經(jīng)精心設(shè)計(jì)和聽(tīng)取現(xiàn)場(chǎng)的反饋得以改進(jìn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)的可靠和耐用性需要。儀器通過(guò)簡(jiǎn)捷的按鍵和高分辨背光顯示屏圖標(biāo)完成操作，鋰離子電池保證連續(xù)30 h使用，通過(guò)CE（Conformite Europeenne，歐洲統(tǒng)一）認(rèn)證和EX認(rèn)證（Explosion-proof Certification，防爆認(rèn)證）滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。

3 離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組織實(shí)施

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組織實(shí)施，涉及到目標(biāo)，人員組織，儀器系統(tǒng)，工作制度，教育培訓(xùn)，審計(jì)和改善等多方面內(nèi)容，既是項(xiàng)目的管理，也是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)。就技術(shù)系統(tǒng)而言，要設(shè)計(jì)好簡(jiǎn)易與精密，監(jiān)測(cè)與診斷，離線和在線，以及多種技術(shù)的關(guān)系、范圍和比重。這主要取決于設(shè)備的類型和數(shù)量，關(guān)鍵性程度，故障歷史，訂貨和備件，人力資源條件等方面因素。

對(duì)一般通用旋轉(zhuǎn)類設(shè)備，風(fēng)機(jī)、泵浦、、齒輪箱傳動(dòng)，便攜式離線監(jiān)測(cè)具有最高的性價(jià)比和覆蓋范圍，應(yīng)作為最基本的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖然固定式在線監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳感器隨著成本的降低逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)，但仍不能完全取代離線低成本測(cè)取多位置數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行全面分析的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)離線與在線仍是一種互補(bǔ)關(guān)系。對(duì)于小范圍的應(yīng)用，選擇VBT33，VBT35+或VBT36與VBT-View軟件，可組成最簡(jiǎn)單的狀態(tài)監(jiān)測(cè)離線系統(tǒng)。公司或總廠更大規(guī)模的應(yīng)用，按兩級(jí)監(jiān)測(cè)制組織是非常行之有效的方式。一級(jí)監(jiān)測(cè)為分廠（車間，裝置）級(jí)，使用VBT33和/或VBT35+；二級(jí)監(jiān)測(cè)為公司級(jí)，使用VBT36；配套VBT-View網(wǎng)絡(luò)版軟件，結(jié)合簡(jiǎn)易和精密，組成網(wǎng)絡(luò)化離線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。

車間技術(shù)人員利用VBT33/35+進(jìn)行日常定期監(jiān)測(cè)，查看報(bào)警，對(duì)簡(jiǎn)單的故障進(jìn)行分析和跟蹤；公司振動(dòng)分析師利用VBT36重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵機(jī)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，并對(duì)車間監(jiān)測(cè)異常的機(jī)器進(jìn)行分析診斷，提交診斷報(bào)告和維修建議。振動(dòng)分析師和項(xiàng)目主管和作為項(xiàng)目核心，管理指導(dǎo)監(jiān)測(cè)工作，也要與外部專家建立密切的聯(lián)系并獲取支持。

兩級(jí)監(jiān)測(cè)制有利于覆蓋所有關(guān)鍵和重要設(shè)備，使項(xiàng)目能夠有組織、有序、有指導(dǎo)、有管理地展開(kāi)，是項(xiàng)目成功實(shí)施的組織和制度保證。按照ISO 18436-2：2014國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)從業(yè)人員的培訓(xùn)和認(rèn)證要求，一級(jí)監(jiān)測(cè)人員應(yīng)該具備等同于Cat.I的知識(shí)技能，二級(jí)監(jiān)測(cè)人員應(yīng)具備 Cat.II的知識(shí)技能。

4 VBT-View狀態(tài)趨勢(shì)和分析軟件

VBT-View機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，支持VBT3X機(jī)器狀態(tài)巡檢儀，具備狀態(tài)數(shù)據(jù)管理，儀器數(shù)據(jù)連接傳輸，狀態(tài)趨勢(shì)，報(bào)警監(jiān)測(cè)，故障分析，報(bào)表和報(bào)告等功能。VBT-View分為單用戶版和網(wǎng)絡(luò)版。

（1）采用 MS Access（單用戶），SQL Server或 MySQL（網(wǎng)絡(luò)版）數(shù)據(jù)庫(kù)，按樹(shù)結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)，分為工廠，區(qū)域，機(jī)器，測(cè)點(diǎn)，方向（位置）和測(cè)量參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)版采用C/S結(jié)構(gòu)，具有用戶級(jí)別管理，檢測(cè)任務(wù)管理等，適于大范圍規(guī)范化分層次實(shí)施狀態(tài)監(jiān)項(xiàng)目。

（2）振動(dòng)報(bào)警設(shè)置可按照ISO 10816-3：2009標(biāo)準(zhǔn)，軸承狀態(tài)報(bào)警可參照經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，在測(cè)點(diǎn)界面中方便地設(shè)置。報(bào)警監(jiān)測(cè)，以色碼顯示包括區(qū)域、機(jī)器、測(cè)點(diǎn)、位置和參數(shù)等每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等級(jí)的報(bào)警狀態(tài)。通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊，可以查看數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。

（3）提供頻譜圖、多頻譜圖、和波形圖等，幫助進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別，分析機(jī)器故障根源，操作簡(jiǎn)單直接。多頻譜圖可按疊加、堆棧、和瀑布圖形式顯示，各種光標(biāo)和峰值列表便于數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)分析。

（4）產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告和異常報(bào)警報(bào)告。任何報(bào)告和繪圖還可以轉(zhuǎn)換為Word文件，也可以對(duì)報(bào)告和繪圖使用拷貝/粘貼剪切板功能，編輯一份內(nèi)容詳實(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告。

5 應(yīng)用案例

（1）某大型化工企業(yè)采用數(shù)十臺(tái)VBT35+EX的前代產(chǎn)品VBT35EX進(jìn)行旋轉(zhuǎn)設(shè)備的日常監(jiān)測(cè)，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。以其中一個(gè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷為例，可以看到精密監(jiān)測(cè)所起到的作用。K601壓縮機(jī)電機(jī)，轉(zhuǎn)速2980 r/min，在2017年2月底進(jìn)行了保養(yǎng)，3月3日開(kāi)機(jī)，當(dāng)天檢測(cè)正常，但第二天檢測(cè)就多次出現(xiàn)異常諧波（圖2），振動(dòng)幅值很小，總值并沒(méi)有報(bào)警，進(jìn)入關(guān)注狀態(tài)。

圖2 K601壓縮機(jī)電機(jī)異常

同時(shí)看到軸承狀態(tài)包絡(luò)解調(diào)值趨勢(shì)突然升高（圖3），并超過(guò)二級(jí)報(bào)警限。在3月9日檢測(cè)頻譜中出現(xiàn)了明顯10.28×頻率峰值及其倍頻，并伴隨轉(zhuǎn)速的邊頻帶。比對(duì)了N216E軸承內(nèi)圈故障頻率是10.292×，故障特征與軸承內(nèi)圈故障吻合，確定是軸承內(nèi)圈故障。3月17日維修發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在剝落，現(xiàn)場(chǎng)處理結(jié)果滿意。事后分析原因，是軸承安裝不良，造成軸承內(nèi)圈端面損壞。

圖3 軸承包絡(luò)解調(diào)值趨勢(shì)突然升高

（2）某跨國(guó)集裝箱生產(chǎn)企業(yè)，利用2臺(tái)VBT36對(duì)其主要生產(chǎn)和輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)和解決了軸承、轉(zhuǎn)子、齒輪等各種設(shè)備異常問(wèn)題，減少了停機(jī)損失、維修成本和能源消耗。預(yù)處理生產(chǎn)線的斗式提升機(jī)，軸承狀態(tài)參數(shù)二級(jí)報(bào)警，見(jiàn)圖4。

圖4 軸承狀態(tài)參數(shù)二級(jí)報(bào)警表

從振動(dòng)速度頻譜和解調(diào)譜進(jìn)一步分析確認(rèn)（圖5、圖6）。VBT35+和VBT36比早期的VBT35除了增加頻率分辨率，也增加的幅值測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（自動(dòng)量程下，AD由12位變?yōu)?6位），因此這些案例的頻譜/波形更清晰。

檢修發(fā)現(xiàn)2盤(pán)軸承都發(fā)生了磨損和疲勞剝落，潤(rùn)滑油含大量金屬磨粒。此故障的發(fā)現(xiàn)和解決至少避免生產(chǎn)線60 min非計(jì)劃停機(jī)。更換軸承后，狀態(tài)參數(shù)回到正常狀態(tài)，見(jiàn)圖7。

圖5 振動(dòng)速度頻譜

圖6 解調(diào)譜

圖7 更換軸承后狀態(tài)參數(shù)正常

另一臺(tái)皮帶輸送機(jī)，振動(dòng)二級(jí)報(bào)警，軸承狀態(tài)包絡(luò)解調(diào)值一級(jí)報(bào)警（圖 8）。

圖8 軸承狀態(tài)包絡(luò)解調(diào)值一級(jí)報(bào)警

振動(dòng)頻譜發(fā)現(xiàn)豐富的本底噪聲，和頻率調(diào)制邊帶。振動(dòng)波形中確認(rèn)存在軸轉(zhuǎn)頻周期性沖擊和幅值調(diào)制?，F(xiàn)場(chǎng)能聽(tīng)到傳送帶軸承異常噪聲，觀察到皮帶輪的跳動(dòng)。相關(guān)譜圖見(jiàn)圖9、圖10。檢修發(fā)現(xiàn)軸承失掉幾個(gè)滾珠，其他軸承被油污染卡阻。更換軸承后狀態(tài)參數(shù)和趨勢(shì)恢復(fù)正常。

圖9 皮帶輸送機(jī)振動(dòng)頻譜

某中外合資化工公司采用數(shù)十臺(tái)VBT35EX實(shí)施裝置級(jí)機(jī)泵設(shè)備監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。維修技術(shù)中心經(jīng)理講到，“VBT-35現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)巡檢儀和VBT-VIEW狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件已經(jīng)成為裝置動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)的重要工具和確保動(dòng)設(shè)備長(zhǎng)穩(wěn)運(yùn)行的重要手段；2017年1月至今，動(dòng)設(shè)備機(jī)泵的完好率已經(jīng)從平均95.03%上升到98.73%。關(guān)鍵是現(xiàn)場(chǎng)紅區(qū)機(jī)泵得到了有效監(jiān)測(cè)、分析和處理?！?/p>

圖10 皮帶輸送機(jī)振動(dòng)速度譜

6 總結(jié)

從簡(jiǎn)易與精密、監(jiān)測(cè)與診斷2個(gè)維度定義了狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作的4象限，普迪美公司基于此理念研發(fā)了VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀和狀態(tài)監(jiān)測(cè)趨勢(shì)軟件，覆蓋工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基于振動(dòng)技術(shù)的簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)、簡(jiǎn)易診斷、精密監(jiān)測(cè)和部分精密診斷工作。通過(guò)分2個(gè)層次和級(jí)別可以有效地組織和網(wǎng)絡(luò)化實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和大量的成功案例為VBT3X系列機(jī)器狀態(tài)巡檢儀的成功做了背書(shū)。