基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的風機遠程診斷系統(tǒng)開發(fā)

尤光輝，石義芳，燕必成，曹世侖，張冬冬

(1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310000； 2.杭州電子科技大學，浙江 杭州 310000)

0 引 言

風機是冶金焦化行業(yè)的重要設(shè)備，其是否正常運行關(guān)系到設(shè)備的運轉(zhuǎn)和整個生產(chǎn)效率的提高[1-2]。風機作為典型的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，軸承是其核心的部件[3]。通常，溫度和振動是反映滾動軸承工作狀況的一個重要指標。軸承的早期故障一般有滾子和滾道剝落、凹痕，以及外圈或內(nèi)圈發(fā)生疲勞破壞等，這些現(xiàn)象會引起溫度不同程度的上升或者振動異常[4]。因此，對軸承進行溫度和振動監(jiān)測，有助于及時發(fā)現(xiàn)軸承的問題，適時對軸承進行潤滑或更換，避免重大事故的發(fā)生[5]。當前，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測存在的困難：布線難、施工維護難、成本高，旋轉(zhuǎn)和移動設(shè)備難以監(jiān)測，可擴展性和可維護性差。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量廣泛分布的具有通信和計算能力的無線節(jié)點布設(shè)在監(jiān)控區(qū)域，能夠自主完成特定任務(wù)的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6-8]。因此筆者基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了風機遠程診斷系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)的主要特點為自組織網(wǎng)絡(luò)、易于部署、范圍擴展性好、容錯能力強。同時，其降低了布線的施工難度，減少了后期維護的工作量，避免了信號長距離傳輸?shù)脑肼暩蓴_，增強了系統(tǒng)的可擴展性。在健康監(jiān)測、故障診斷及信號處理方面有許多方法，H. Wang 等[9]結(jié)合 EEMD 與 ICA 技術(shù)提出了新方法實現(xiàn)了復(fù)合故障信號的分離。通過本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，可以用改進的自適應(yīng)噪聲互補經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?Improved Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition with adaptive noise，ICEEMDAN)[10]，實現(xiàn)對主要傳動部件進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和故障診斷，以及信號的降噪，提取故障對應(yīng)的頻域特征，從而達到設(shè)備科學管理的目標。

1 測點的布置

以某鋼廠焦化分廠1、2、4、5號煤氣壓縮風機為例，該焦化廠1、2、4、5號煤氣壓縮風機的結(jié)構(gòu)類似，故測點布置以1號風機為例。機組測點布置圖如圖1所示。圖中增速箱2振動加速度為垂直方向；支承瓦和推力瓦振動加速度方向為垂直方向和水平徑向。推力瓦端軸心軌跡通過正交的兩個位移傳感器測得。壓縮風機測點匯總?cè)绫?所示。

故根據(jù)煤氣壓縮風機的結(jié)構(gòu)，監(jiān)測對象如下：①1、2、4、5號風機增速箱振動加速度和溫度信號；②1、2、4、5號風機支承瓦和推力瓦軸承座振動加速度信號和溫度信號；③1、2、4、5號風機支承瓦端軸心軌跡；④1、2、4、5號風機主油管油壓信號。

圖1 壓縮風機測點布置示意圖

表1 壓縮風機測點匯總

2 傳感器的安裝

2.1 振動加速度傳感器安裝方案

在軸承座相應(yīng)位置加工1/4螺孔用于安裝傳感器，方便拆卸檢修。在傳感器附近設(shè)置專用鐵箱用于檢修狀態(tài)下的傳感器存放，安裝方案如圖2所示。

圖2 振動加速度傳感器安裝位置

2.2 溫度傳感器安裝方案

利用現(xiàn)有的安裝孔位進行安裝，傳感器與軸瓦或軸承外圈接觸。在傳感器附近設(shè)置專用鐵箱用于檢修狀態(tài)下的傳感器存放。

2.3 推力瓦端軸徑向位移傳感器安裝

為測得風機軸心軌跡，在推力瓦端安裝正交的兩個位移傳感器，其安裝方式如圖3所示(對于風機等旋轉(zhuǎn)機械推薦使用)。

圖3 推力瓦端軸徑向位移傳感器安裝示意圖

3 無線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

該監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。系統(tǒng)在硬件上由傳感器、監(jiān)測模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、工控機、服務(wù)器及遠程計算機等組成：

(1) 振動加速度傳感器采用美國PCB公司的工業(yè)型高性能振動加速度傳感器及其調(diào)理模塊。

(2) 溫度傳感器采用鎧裝PT100熱電偶溫度傳感器及其調(diào)理模塊。

(3) 位移傳感器采用鎧裝電渦流位移傳感器及調(diào)理模塊。

(4) 油壓傳感器采用hydac。

(5) 嵌入式采集系統(tǒng)采用美國NI公司的CRIO及其調(diào)理模塊。

(6) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用聯(lián)想品牌電腦，如圖4所示。

圖4 所用傳感器實物圖

系統(tǒng)關(guān)鍵硬件性能如表3所示。

其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖5所示。硬件聯(lián)接原理圖如圖6所示。

表3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件性能列表

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)硬件聯(lián)接原理圖

其基本原理是將單臺風機各測點采集的信號引入到前端嵌入式采集系統(tǒng)。該嵌入式系統(tǒng)安裝在風機附近，為傳感器供電、完成數(shù)據(jù)采集、濾波等功能。四臺風機均采用嵌入式系統(tǒng)采集，所采集的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳到遠程監(jiān)測服務(wù)器?；赪eb的數(shù)據(jù)顯示、分析、故障診斷等功能則通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成。

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

主要對1號風機的左側(cè)軸承的振動數(shù)據(jù)進行故障分析，經(jīng)檢測該軸承于2015年03月開始出現(xiàn)異常振動，通過理論分析可以得到該軸承的外圈故障頻率為64 Hz。圖7為實測信號的頻譜圖，從圖7(a)可以看出原始信號有明顯的沖擊現(xiàn)象，為了實現(xiàn)軸承故障特征的識別，利用改進的自適應(yīng)噪聲互補經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?ICEEMDAN)方法對實測信號進行處理，迭代步數(shù)設(shè)置為200，處理后的結(jié)果如圖7(b)所示，從圖中可以識別出外圈故障頻率的1～4倍頻，由此可以確定外圈發(fā)生了明顯故障，這與異常軸承現(xiàn)場解體的結(jié)果一致，從而說明本系統(tǒng)采集的信號能夠反映設(shè)備運行的真實狀態(tài)。

圖7 實測信號的時頻域圖

5 結(jié) 語

對于風機的診斷問題，常規(guī)的維護方式方法已不能滿足診斷的要求。通過研發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的風機遠程診斷系統(tǒng)，監(jiān)測人員可隨時看到各臺風機的運行狀況，同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的診斷分析，識別異常故障，這樣不必經(jīng)常去煤氣壓縮風機現(xiàn)場巡視，既節(jié)省了勞力又避免了人為的誤差，又達到了準確、可靠地連續(xù)監(jiān)測和保護風機的目的。