水泵設(shè)備在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

劉永平

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏石嘴山 753000）

0 引言

機泵實時運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和分析一直是企業(yè)的薄弱點，但是機泵故障停機引起的事故往往有連鎖反應(yīng)，因此加強對機泵的管理尤其是關(guān)鍵機泵顯得尤為重要。隨著信息技術(shù)水平的提高和發(fā)展，對設(shè)備大量原始數(shù)據(jù)的實時采集和分析工作就變得十分便捷。

對機泵實施在線狀態(tài)監(jiān)測可以降低設(shè)備運維成本、設(shè)備可靠性有效提高，同時可以大概率避免設(shè)備故障停機，杜絕設(shè)備事故，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

1 技術(shù)方案

根據(jù)預(yù)期目標(biāo)和現(xiàn)場設(shè)備類型，本方案采用寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司自主研發(fā)的關(guān)鍵機泵智能監(jiān)測診斷系統(tǒng)V1.0。該系統(tǒng)是專門針對機泵設(shè)備研究開發(fā)的，尤其對滾動軸承設(shè)備對振動包絡(luò)的提取具有核心技術(shù)，下面將詳細闡述其系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)配置及工程實施。

1.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)以振動理論為核心，對設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、異常狀態(tài)實時抓取并分析。尤其在故障診斷方面，突破原有圖譜分析的專業(yè)性難度，通過采用模糊理論、相似度大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立CBR（Case-Based Reasoning，利用案例推理技術(shù)）故障診斷案例知識庫及模型分析，通過對過去故障解決經(jīng)驗總結(jié)找出新問題的解決辦法。

系統(tǒng)采用的數(shù)字高通、帶通濾波技術(shù)，數(shù)字包絡(luò)解調(diào)技術(shù)，特征值計算技術(shù)，時域平均和頻域平均技術(shù)，基本報警門限及基于工況參數(shù)動態(tài)報警門限技術(shù)，數(shù)據(jù)頻譜壓縮算法等信號分析與數(shù)字算法技術(shù)等，具有設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、異常狀態(tài)報警推送、故障分析診斷、設(shè)備檔案管理、設(shè)備健康評估報告、設(shè)備運行狀態(tài)統(tǒng)計報表等功能。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）該系統(tǒng)通過TCP/IP 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，在辦公局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺電腦均可瀏覽設(shè)備實時狀態(tài)及異常狀態(tài)分析。

（2）在測量點配置方面，本系統(tǒng)通過安裝振動傳感器對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和異常狀態(tài)分析，結(jié)合設(shè)備類型和信號特點，方案選用加速度振動溫度一體化傳感器。傳感器安裝在軸承箱外部，通過磁座方式固定，其安裝原則、配置數(shù)量如表1 所示。

表1 測量點配置

（3）由于電機非驅(qū)動端具有電機防護罩，不具備安裝傳感器條件，因此不建議安裝。

1.3 硬件配置

關(guān)鍵機泵智能監(jiān)測診斷系統(tǒng)V1.0 的硬件主要有服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集器、振動傳感器、安全隔離柵、線纜和防爆箱等。

1.3.1 中心服務(wù)器

中心服務(wù)器放置中央控制室作為主站，基于B/S 結(jié)構(gòu)，授權(quán)用戶以Web 瀏覽的形式查看現(xiàn)場設(shè)備運行的實時、歷史數(shù)據(jù)以及診斷圖譜，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷管理。中心服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、診斷圖譜、數(shù)據(jù)發(fā)布、系統(tǒng)管理等功能。本系統(tǒng)選用聯(lián)想牌服務(wù)器，CPU 型號為至強?E3-1220 V5 3.0 GHz，內(nèi)存UDIMM 8 G，硬盤為1TBX2 SAS 集成顯卡，數(shù)據(jù)庫為SQL Server2012，操作系統(tǒng)為Microsoft-SQL Server2012R2。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器安裝在裝置現(xiàn)場，通過數(shù)字高通、帶通濾波、數(shù)字包絡(luò)解調(diào)、特征值計算、時域平均和頻域平均、基本報警門限、基于工況參數(shù)動態(tài)報警門限、數(shù)據(jù)頻譜壓縮算法等信號分析與數(shù)字算法，對振動傳感器信號所采集的設(shè)備實時模擬量信號進行處理，其性能參數(shù)如下。

（1）尺寸：100 mm×114 mm×22 mm（高×寬×厚），采用工業(yè)板卡結(jié)構(gòu)設(shè)計，由振動卡、溫度卡、通信卡等組成，根據(jù)安裝現(xiàn)場環(huán)境和監(jiān)測點數(shù)量配置振動采集卡。

（2）接口參數(shù)：每個振動板卡支持4 路模擬差分輸入，也支持3 線制加速度溫度復(fù)合傳感器，所有通道并行采集，每個通道可同時單獨配置多種振動/包絡(luò)分析頻率和譜線數(shù)。

（3）頻率響應(yīng)：0～40 kHz（可設(shè)置）。

（4）采樣頻率：102.4 kHz。

（5）分析普線數(shù)：最大支持6400 線（可設(shè)置）。

（6）信號處理技術(shù)：時域波形、頻域積分/微分、漢寧窗、數(shù)字包絡(luò)峰值解調(diào)（不受分析頻率影響）、動態(tài)報警門限、多種數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。

（7）通信接口：支持以太網(wǎng)、RS-485、RS-232、UART-TTL（外接HMI 設(shè)備，就地顯示系統(tǒng)振動烈度和溫度）。

1.3.3 振動溫度一體化傳感器

振動傳感器為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)件，根據(jù)設(shè)備特性，本系統(tǒng)選用壓電式加速度振動溫度一體化傳感器（型號為SA02），傳感器通過磁座和膠粘方式安裝在機泵軸承箱X 或Y 向，其性能參數(shù)見表2。

圖1 應(yīng)用軟件界面

表2 所用振動溫度一體化傳感器的性能參數(shù)

1.3.4 其他安裝輔件

其他安裝輔件根據(jù)現(xiàn)場具體情況和使用數(shù)量為準(zhǔn)，主要有信號線纜、光纜、電纜、鍍鋅管、防爆箱、安全隔離柵、光纖交換機、防爆軟管等。

1.4 軟件配置

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，運行時對采集的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為所需圖形，由專業(yè)技術(shù)人員進行分析和診斷，系統(tǒng)具備機泵狀態(tài)管理功能，通過專業(yè)圖譜分析設(shè)備狀態(tài)可供現(xiàn)場設(shè)備維護人員制定及時的維護策略參考。軟件配置具體功能如下：

（1）常規(guī)分析圖譜：總貌圖、趨勢圖、波形頻譜圖、包絡(luò)頻譜圖、特征棒圖、振動—工藝關(guān)聯(lián)圖。

（2）數(shù)據(jù)檢索方式：實時數(shù)據(jù)檢索、歷史數(shù)據(jù)檢索（按照天、周、月、季度、年度或自定義）。

（3）數(shù)據(jù)報表：數(shù)據(jù)變化率分析報表、啟停機統(tǒng)計時長分析報表、特征值統(tǒng)計分析報表、異常預(yù)警分析報表、實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表。

（4）報警模式：總貌圖支持紅、黃、綠三色指示機泵運行狀態(tài)為故障、預(yù)警、良好三種狀態(tài)，短信報警。

2 關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

2.1 包絡(luò)解調(diào)線性分析技術(shù)

經(jīng)大量實踐證明，包絡(luò)解調(diào)用于軸承早期缺陷頻率檢測和齒輪故障檢測等是非常有效的手段，包絡(luò)線幅度越準(zhǔn)確，越能定量策略故障的嚴(yán)重等級，機泵健康狀態(tài)監(jiān)測診斷分析系統(tǒng)利用對機械沖擊信號深度挖掘和學(xué)習(xí)，使得時域波形信號經(jīng)包絡(luò)解調(diào)后，做到包絡(luò)線幅度值與原始高頻沖擊信號幅度值完全相等，并且包絡(luò)線幅值不受參數(shù)影響，實現(xiàn)故障的定量分析。

2.2 軸承早期故障預(yù)警分析技術(shù)

軸承早期缺陷振動信號出現(xiàn)在250～350 kHz（超音頻）頻率范圍內(nèi)，該頻率已經(jīng)遠遠超出任何一種振動傳感器的頻率響應(yīng)范圍，機泵健康狀態(tài)監(jiān)測診斷分析系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集模塊的采樣頻率102.4 kHz，同時再利用加速度振動傳感器諧振頻率（諧振頻率在20～25 kHz）振動信號的放大作用，做到共振沖擊檢測，實現(xiàn)了軸承早期故障缺陷診斷和預(yù)警。

3 在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)點

3.1 系統(tǒng)的應(yīng)用有利于提高泵的壽命

對于主流型號的機泵，由于市場擁有量大、成本低廉，因此換購新泵比修理舊泵更為經(jīng)濟。而大功率機泵設(shè)備由于其用途特殊，新購成本往往要數(shù)十萬，出現(xiàn)故障時不能隨意廢棄造成浪費，因此需要采取一系列的措施，加強日常巡檢與保養(yǎng)。大型機泵維修費工費時，一般維修都需要兩個以上熟練人員協(xié)同工作，修理過程一些不可預(yù)期的因素可能導(dǎo)致實際的維修費用更高。因此，必須強化日常監(jiān)測和保養(yǎng)，降低泵的故障停車頻次、維修周期，提高機泵運行的穩(wěn)定性和可靠性，降低機泵的使用成本。通過系統(tǒng)PLC 可對一些重要運行參數(shù)進行采集和記錄，根據(jù)預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進行對比，利用系統(tǒng)軟件對各參數(shù)的變化趨勢進行核對，可及時采取應(yīng)對措施，避免泵運行異常導(dǎo)致?lián)p壞，從而延長機泵的使用壽命。

通過在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)日積月累形成的數(shù)據(jù)，定期進行分析和整理，將問題進行歸類并制定對應(yīng)的維修方案，并對易損零部件更換周期做出規(guī)定，實現(xiàn)盡量短的時間修復(fù)故障，以降低運行成本。系統(tǒng)控制程序可以根據(jù)機泵不同的工作狀態(tài)合理調(diào)整運行控制參數(shù)，有利于合理分配能耗，達到降低成本的目的。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了故障診斷

系統(tǒng)根據(jù)機泵設(shè)備的實際運行特性進行編程，利用檢測到的壓力、流量等數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否處于正常狀態(tài)。

離心泵的設(shè)計點一般是其最高效率點。當(dāng)泵異常狀態(tài)下工作時，效率就會下降，產(chǎn)生額外的能量損失。因此，實際生產(chǎn)中一般將泵的操作范圍限制在泵的最高效率點的0.7～1.2，否則操作系統(tǒng)將會報警。系統(tǒng)對設(shè)備運行的壓力和流量等參數(shù)進行測量，并給出限值，確保設(shè)備不會由于磨損未經(jīng)保養(yǎng)而導(dǎo)致泵特性的惡化。本系統(tǒng)利用預(yù)置的參數(shù)——流量特性生成機泵易損部位磨損特性曲線，如果發(fā)現(xiàn)泵未按預(yù)定曲線運行，就會產(chǎn)生相應(yīng)的過磨損曲線，進而提醒操作者及時安排設(shè)備檢修和維護。如果有顆粒固體進入泵體，泵的磨損速度就會很快，相應(yīng)地泵口排油效率會很快下降，系統(tǒng)能識別出這種變化進而報警。

4 結(jié)束語

企業(yè)把“兩化”融合當(dāng)作未來發(fā)展的重要抓手，就是要以信息化提升管理水平和經(jīng)營能力。水泵設(shè)備在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，將設(shè)備運行歷史數(shù)據(jù)實時進行記錄保存，技術(shù)人員可以對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析和差異化分析。后續(xù)的工作重點是逐步完善故障診斷功能，建立和完善故障數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)管理更加高效，為企業(yè)帶來實際效益。