北營煉鐵總廠300 m2燒結(jié)混合機設(shè)備智能運維的應(yīng)用分析

姜興奎，賀 壯，于占輝，李久闖

(本鋼集團北營煉鐵總廠，遼寧 本溪 117017)

混合機是燒結(jié)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，圓筒混合機主要由筒體、齒圈、減速機、電機、鋼托輥、側(cè)擋輪、傳動小齒等組成，由電機驅(qū)動，通過減速機、小齒輪帶動混合機進行運轉(zhuǎn)，對物料進行混合、制粒，系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)乎燒結(jié)礦質(zhì)量。

1 混合機的作用及性能參數(shù)

1.1 混合機的作用

混合機主要用途是將粉礦和熔劑按一定比例混合，形成散狀的顆粒物送入燒結(jié)機進行燒結(jié)。圓筒混合機一般分為一次混合機、二次混合機。一次混合機是將物料按比例混勻并使之濕潤；二次混合機是使物料形成水分均勻、透氣性良好的顆粒狀物體[1]。

1.2 混合機性能參數(shù)

表1 混合機主要性能參數(shù)

2 混合機現(xiàn)階段維護方式

混合機現(xiàn)階段主要常規(guī)方式點檢是人工的日常五感點檢，停機時采用解體點檢。由于設(shè)備專家和技術(shù)工人的流動性越來越高，用工成本不斷增加，設(shè)備管理和運維已開始將目標投向智能化，摸索出一個以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運算模型為核心，軟件為載體的管理體系。尤其是對中小型企業(yè)，構(gòu)建數(shù)字驅(qū)動下的設(shè)備健康管理體系：從設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集到實時狀態(tài)監(jiān)測；從設(shè)備監(jiān)測到設(shè)備故障診斷和故障預(yù)測，從而實現(xiàn)提效降本的目的。為了達到這個目的，必須打破傳統(tǒng)制造行業(yè)的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)制造業(yè)和信息技術(shù)的深度融合。

3 智能運維的應(yīng)用

3.1 智能運維系統(tǒng)的主要性能

為全面掌握混合機設(shè)備實時狀態(tài)，實現(xiàn)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的運行，更加科學(xué)地進行設(shè)備檢修及維護，以達到提高設(shè)備可利用率、降低檢修成本、達到安全連續(xù)生產(chǎn)目的，計劃建立一套預(yù)測性維護系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控。

預(yù)測性維護系統(tǒng)通過在關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備軸承座表面增加振動傳感器與安裝于附近立柱的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成物聯(lián)網(wǎng)模塊，實現(xiàn)設(shè)備運行時振動和溫度數(shù)據(jù)的采集和傳輸，后端通過專業(yè)系統(tǒng)軟件進行處理和分析。

同時，將預(yù)測性維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，通過監(jiān)測中心的診斷專家團隊，實施遠程監(jiān)測、分析設(shè)備運行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備運行數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)自動觸發(fā)報警，并可通過短信、郵件以及手機APP方式推送至相關(guān)設(shè)備管理人員，現(xiàn)場工程師可通過軟件中的分析工具對設(shè)備數(shù)據(jù)進行追蹤回溯，判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)；遠程診斷專家實現(xiàn)云端故障診斷，幫助現(xiàn)場確定設(shè)備異常原因、部位、損傷嚴重程度、部件剩余壽命評估等，為運維檢修決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 智能運維系統(tǒng)傳感系統(tǒng)的部署及參數(shù)指標

本次項目主要針對煉鐵廠機械設(shè)備中的混合機機組?；旌蠙C機組包括：電機、液力耦合器、減速機、托輥等。建設(shè)機械設(shè)備智能運維系統(tǒng)，需要在原有設(shè)備上加裝多種傳感器，傳感器的類型主要包括：振動傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，并通過系統(tǒng)的算法，計算出設(shè)備的運行轉(zhuǎn)速。另外，通過數(shù)據(jù)采集器，從原有的控制系統(tǒng)中采集設(shè)備運行的生產(chǎn)工藝量，如壓力、料層厚度、潤滑參數(shù)、溫度等。振動傳感器安裝位置如下圖：

二次混合機簡圖

3.3 智能運維系統(tǒng)監(jiān)測方案

(1)智能感知、獲取設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)

在設(shè)備表面安裝傳感器采集設(shè)備運行的振動、溫度等數(shù)據(jù)，以Zigbee通訊協(xié)議接入數(shù)據(jù)采集器/網(wǎng)關(guān)。

(2)本地服務(wù)器數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集器/網(wǎng)關(guān)采用WIFI/4G/5G/光纖(選用)通訊等方式，將設(shè)備運行數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場服務(wù)器，在服務(wù)器中存儲數(shù)據(jù)、在預(yù)測性維護系統(tǒng)中實現(xiàn)智能報警、診斷分析，實現(xiàn)設(shè)備故障診斷、報警推送、數(shù)據(jù)沉淀、知識積累。

(3)遠程診斷中心數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、容災(zāi)備份可通過公網(wǎng)與遠程診斷中心數(shù)據(jù)交互。一方面可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地備份；另一方面借助遠程診斷中心專家以及專家系統(tǒng)協(xié)助判斷設(shè)備狀態(tài)，可使現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測工作更加從容，報警信息處理和數(shù)據(jù)分析結(jié)果更及時、準確。

(4)數(shù)據(jù)共性

通過軟件標通訊協(xié)議OPC/API/Modbus TCP/RTU等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(5)多源數(shù)據(jù)分析

根據(jù)系統(tǒng)需要，利用現(xiàn)場已有數(shù)據(jù)完成底層數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)據(jù)包括設(shè)備振動、溫度、電流、電壓、工藝等多源數(shù)據(jù)輔助分析，實現(xiàn)對異常的部位、異常嚴重程度、狀態(tài)發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

4 智能運維系統(tǒng)運行效果分析

本次混合機設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測機組的電流和振動數(shù)據(jù)，對機組的整體和運行情況進行了全面的監(jiān)測，設(shè)備的電流在配電室內(nèi)進行監(jiān)測系統(tǒng)自5月1日開始運行至11月15日，系統(tǒng)所監(jiān)測到的設(shè)備運行狀態(tài)如表2。

表2 系統(tǒng)檢測結(jié)果

4.1 混合機電機監(jiān)測報告

(1) 經(jīng)過時域分析和頻域分析，發(fā)現(xiàn)電機驅(qū)動端軸承內(nèi)圈有明顯的表面磨損，且故障頻率受到轉(zhuǎn)頻的調(diào)試，說明該軸承的磨損嚴重，預(yù)計剩余壽命為40天，應(yīng)及時安排檢修(如圖1)。

圖1 振動時域波形

(2) 由于軸承滾道出現(xiàn)磨損，在運行時不斷產(chǎn)生高頻摩擦，在頻譜中產(chǎn)生大量高頻信號，頻譜能量主要集中在 4.5 kHz和9 kHz。

(3) 在小波變換中，通過對振動波形的高階分解，可以明顯地發(fā)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生不規(guī)律的沖擊，結(jié)合頻域和時域分析，這也是由于軸承的損傷引起的(如圖2)。

圖2 時域波形局部放大：可見明顯的不規(guī)則沖擊

(4) 系統(tǒng)通過集成的診斷模型，對軸承磨損進行了自動診斷，診斷的結(jié)果為軸承內(nèi)圈磨損，與譜圖分析的結(jié)果相符(如圖3、圖4)。

圖3 數(shù)據(jù)跟蹤：振動開始不穩(wěn)定

圖4 模型報警：軸承內(nèi)圈磨損

(5) 通過軸心軌跡和頻域分析(如圖5)，該電機和液力耦合器之間存在不對中的想象，并且不對中的方向在水平方向，需要持續(xù)觀察，預(yù)防問題嚴重。

圖5 軸心軌跡：可見明顯的不對中現(xiàn)象

(6)通過數(shù)據(jù)跟蹤，發(fā)現(xiàn)該電機的運行狀態(tài)并不穩(wěn)定。在穩(wěn)定狀態(tài)運行時，振動加速度在0.3 g左右，而在不穩(wěn)定狀態(tài)，振動最大值可達到1.2 g以上，根據(jù)綜合分析，判斷為軸承磨損導(dǎo)致的振動狀態(tài)不穩(wěn)定。由于振動信號主要集中在高頻(5 kHz～9 kHz)通過手持巡檢儀無法有效檢測。

4.2 減速機監(jiān)測報告

圖6 小波分析：在5階小波中出現(xiàn)不規(guī)則沖擊

圖7 振動時域波形

圖8 頻域分析：有明顯的齒輪轉(zhuǎn)頻邊頻帶

(1)在減速機的4級傳動軸上，分別安裝了振動傳感器，經(jīng)監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，減速機輸入端大齒輪(低轉(zhuǎn)速齒輪)出現(xiàn)輕微的磨損振動信號，在頻域中有明顯的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象(如圖6-圖9)。需要在以后的運行過程中，關(guān)注這個故障的發(fā)展情況，避免故障快速惡化帶來的突發(fā)性故障。

圖9 局部放大：沖擊時間約為9分鐘

(2)系統(tǒng)通過集成的診斷模型，對所監(jiān)測的齒輪進行了自動診斷，診斷的結(jié)果為齒輪磨損，與譜圖分析的結(jié)果相符(如圖10)。

圖10 模型報警：齒輪磨損

(3)減速機的運行狀態(tài)整體處于良好狀態(tài)，但在監(jiān)測的過程中發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備啟動的10分鐘內(nèi)，減速機處于高強度振動狀態(tài)，振動值高達1.2 g左右，并逐步降低。在設(shè)備的啟停過程中，高強度的沖擊會對減速機的軸承和齒輪造成較大的破壞(如圖11)，所以應(yīng)當(dāng)盡量避免設(shè)備的啟停次數(shù)。另外，同樣的由于設(shè)備啟停造成的沖擊，在整臺機組上具有普遍性。

圖11 數(shù)據(jù)跟蹤：減速機在啟停的過程中，收到短時間的沖擊

4.3 鋼托輥監(jiān)測報告

(1)通過閾值分析和對比，發(fā)現(xiàn)托輥軸承座3#-1#的振動位移明顯高于其他幾個，振動位移達到25 μm(共4個托輥，8個軸承座，其他幾個振動位移為10 μm～15 μm)，通過譜圖分析發(fā)現(xiàn)該軸承內(nèi)圈出現(xiàn)明顯磨損譜線(如圖12、圖13)。

圖12 時域分析

圖13 頻域分析：可見明顯的軸承故障頻率

(2)系統(tǒng)通過集成的診斷模型，對軸承磨損進行了自動診斷，診斷的結(jié)果為軸承內(nèi)圈點蝕，與譜圖分析的結(jié)果相符(如圖14、圖15)。

圖14 軸心軌跡：可見軸承座受力方向振動位移較大

圖15 模型報警：軸承點蝕

(3)通過軸心軌跡可見軸承座在約45度的方向上最大位移為186 μm，這個方向即為托輥的受力方向(滾體對托輥的壓力)，與其他幾個托輥比較(其他幾個平均約為98 μm)，這說明3#-1#托輥的振動明顯增加，并且振動方向為滾體對托輥的受力方向。這一現(xiàn)象為混合機托輥位置所特有的受力現(xiàn)象，以后可作為托輥運行狀態(tài)的參考數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

北營煉鐵總廠300 m2燒結(jié)二次混合機智能運維投用后，研制了混料機的數(shù)據(jù)收集與分析模型、故障診斷模型和趨勢預(yù)測等算法，該系統(tǒng)實現(xiàn)了點巡檢,保養(yǎng)、維修的數(shù)字化和智能化管理,為智能運維提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，采樣抽測,系統(tǒng)的診斷準確性達到90%以上,故障時間控制在1.5%以下,報警響應(yīng)時間小于1秒，實現(xiàn)了計劃性預(yù)知維修，通過設(shè)備的計劃性維修和預(yù)知性維修，達到設(shè)備維修成本持續(xù)降低與設(shè)備運行效能的最大化，不斷增強設(shè)備綜合管理水平，增加企業(yè)效益。