狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷在冷軋設(shè)備管理中的應(yīng)用

徐智偉

（唐山鋼鐵集團高強汽車板有限公司，河北唐山 063000）

0 引言

隨著當今科技的飛速發(fā)展，設(shè)備維護管理也逐漸向智能化轉(zhuǎn)型，從預(yù)防性維護逐步轉(zhuǎn)向預(yù)測性維護，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是預(yù)測性維護的重要技術(shù)手段，通過狀態(tài)監(jiān)測，不斷采集設(shè)備運行相關(guān)信息，如振動、溫度等，結(jié)合故障診斷技術(shù)對信息加以整理分析，建立設(shè)備劣化趨勢模型，以此更加準確地判斷設(shè)備劣化趨勢，優(yōu)化生產(chǎn)和檢修等活動。通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，可及時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，制定可靠的維護策略，降低檢修人力財力，減少設(shè)備事故故障，保證產(chǎn)線安全持續(xù)穩(wěn)定運行。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷概述

1.1 基本概念

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是指在設(shè)備運行過程中，通過傳感器采集運行條件下的設(shè)備性能數(shù)據(jù)，如振動、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、功率等特征數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息處理、分析和整合，獲得反映設(shè)備狀態(tài)和故障征兆的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)評估、故障診斷和預(yù)測，達到避免或降低事故故障的發(fā)生，合理安排設(shè)備的維修和運行的目的。

狀態(tài)監(jiān)測又分為在線監(jiān)測和離線監(jiān)測，在線監(jiān)測是指在被測設(shè)備處于運行的條件下，通過傳感器對設(shè)備的運行狀況持續(xù)監(jiān)測；離線監(jiān)測是指通過被監(jiān)測設(shè)備以外的各類可移動監(jiān)測設(shè)備，對生產(chǎn)設(shè)備狀況進行必要的周期性人工監(jiān)測，其概念是與在線監(jiān)測對應(yīng)（圖1）。

圖1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)流程

設(shè)備故障診斷是指在設(shè)備運行中或基本不拆卸全部設(shè)備的情況下，基于狀態(tài)監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)信息，分析診斷設(shè)備運行狀況，判斷故障產(chǎn)生的部位及原因，預(yù)測、預(yù)報設(shè)備未來狀態(tài)及變化趨勢的技術(shù)。

1.2 發(fā)展概述

早期設(shè)備故障診斷主要依靠專業(yè)的現(xiàn)場點檢員根據(jù)感官獲取設(shè)備狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)驗或者專家分析判斷設(shè)備狀況，形成診斷記錄，判斷設(shè)備劣化趨勢，消除故障隱患，此方法的參與者較多，且不同人不同時間狀態(tài)做出的判斷會有差異。人員監(jiān)測無法做到實時，只能按周期定期檢測。隨著傳感器技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測逐步發(fā)展用傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號，經(jīng)信號調(diào)制解調(diào)器進行濾波、變換處理，將現(xiàn)場振動信號變成可視化頻率信號，由專業(yè)人員對其分析，判斷故障位置，并將數(shù)據(jù)記錄存儲，形成監(jiān)測檔案，此階段由感官監(jiān)測轉(zhuǎn)為離線監(jiān)測。由于離線監(jiān)測也只能按周期定期檢測，還無法實時監(jiān)測設(shè)備，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和兩化融合發(fā)展，在線監(jiān)測被各大廠商推廣，各鋼鐵廠也逐步采用在線監(jiān)測技術(shù)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，在線監(jiān)測由現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳到后端服務(wù)器，后端服務(wù)器將信息處理分析，生成頻譜報告供技術(shù)人員判斷故障，在線監(jiān)測實現(xiàn)了實時監(jiān)測，使得設(shè)備狀況更直觀連續(xù)。當今隨著云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測逐步向智能監(jiān)測發(fā)展，各設(shè)備監(jiān)測廠商開始布局智能監(jiān)測、遠程監(jiān)測，使得設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測得到進一步發(fā)展。

2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義

在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷還未普及之前，企業(yè)設(shè)備管理普遍采用點檢定修制，即按照設(shè)備技術(shù)文件和技術(shù)經(jīng)驗建立設(shè)備檢維修標準，按照標準制定周期定期停機檢修和備件更換，但往往由于周期不合理或備件質(zhì)量等原因，造成部件提前損壞發(fā)生事故故障，或備件還處于良好狀態(tài)就被換下，造成資金浪費。隨著設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這一情況逐步得到改善。

通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷可以在設(shè)備不停機的情況下監(jiān)控設(shè)備狀況，對于設(shè)備檢維修和生產(chǎn)組織有重要意義，主要有以下4 個：①通過運行情況下監(jiān)測和診斷，可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，防止設(shè)備進一步劣化造成事故故障發(fā)生；②通過狀態(tài)監(jiān)控可實時了解設(shè)備狀況，合理制定檢修計劃，防止設(shè)備欠修或過修；③通過狀態(tài)監(jiān)測可根據(jù)設(shè)備狀況優(yōu)化檢修模型，延長檢修間隔時間，減少停機時間；④通過狀態(tài)監(jiān)測可預(yù)估設(shè)備壽命，適當延長部件使用時間，降低備件消耗，降低成本。采用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)實施設(shè)備管理是企業(yè)發(fā)展的必然之路，也是提高設(shè)備管理水平的必經(jīng)之路，對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）在線監(jiān)測與故障診斷。設(shè)備在線監(jiān)測需要在設(shè)備上安裝傳感器，傳感器類型主要有振動傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器等，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集設(shè)備運行狀態(tài)下各項指標參數(shù)信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析處理，服務(wù)器通過信號處理將現(xiàn)場采集到的信號變?yōu)榭梢暬l譜圖，并根據(jù)設(shè)定的報警閾值做出相應(yīng)的報警提示，專業(yè)故障診斷分析人員通過計算機提示對設(shè)備狀況進行分析診斷，為檢修維護提供依據(jù)。

（2）離線監(jiān)測與故障診斷。離線監(jiān)測一般采用手持檢測儀器，根據(jù)制定好的周期和采集點位定期采集設(shè)備信息，可通過檢測儀器查看設(shè)備狀況，也可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜赜嬎銠C或服務(wù)器中，通過計算機分析處理，將現(xiàn)場采集到的信號變?yōu)榭梢暬l譜圖供專業(yè)人員對設(shè)備狀況進行分析診斷，為檢修維護提供依據(jù)。

無論在線監(jiān)測還是離線監(jiān)測，有了計算機和信息系統(tǒng)的支持，就可以實現(xiàn)預(yù)測性維護，將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并結(jié)合設(shè)備原有PLC 中的各項運行數(shù)據(jù)生成預(yù)測曲線，就可以按照模型生成趨勢圖，達到預(yù)測性維護的目的。

4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷應(yīng)用實例

某冷軋企業(yè)酸軋生產(chǎn)線裝有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問，系統(tǒng)分為在線監(jiān)測和離線監(jiān)測兩部分。在線監(jiān)測通過安裝在設(shè)備上的振動傳感器實時采集設(shè)備振動數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給后端服務(wù)器，同時后端服務(wù)器通過設(shè)備系統(tǒng)PLC 不斷采集相同時刻的電機轉(zhuǎn)速等信息，服務(wù)器中的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過FFT 等運算將采集的信息整合分析，生成頻譜報告供分析人員查看。離線監(jiān)測則利用手持振動檢測儀，按周期采集設(shè)備振動信息，然后上傳至后端服務(wù)器，后端服務(wù)器根據(jù)采集時間從PLC 中獲取電機轉(zhuǎn)速等信息，服務(wù)器中的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過FFT 等運算將采集的信息整合分析，生成頻譜報告供分析人員查看。

4.1 設(shè)備基本信息

圖2 為該企業(yè)酸軋產(chǎn)線軋機區(qū)域某一架軋機示意，電機驅(qū)動減速機，減速機輸出軸連接軋輥，軋輥碾壓帶鋼完成軋鋼過程。該減速機共裝有7 個在線振動監(jiān)測點，實時采集減速機振動信息，通過信號采集模塊將采集的信息上傳至后端服務(wù)器進行分析處理，同時從一級PLC 中讀取電機轉(zhuǎn)速、電流、功率等信息輔助分析。

圖2 軋輥傳動示意

4.2 設(shè)備振動監(jiān)測與故障診斷

2020 年7 月，通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，該減速機輸入軸靠近電機側(cè)軸承振動測點（1#點）報警，該處軸承為SKF 23060CC/W33/C3，通過手冊查詢該軸承特征頻率見表1。

表1 軸承特征頻率 倍

通過圖3 頻譜分析，該點處加速度頻譜高頻報警，高頻部分調(diào)制頻率為11.67 倍，該頻率成分與輸入軸電機側(cè)軸承外圈故障頻率相符，該點包絡(luò)頻譜存在明顯的11.67 倍頻率成分，分析此減速機輸入軸電機側(cè)軸承存在早期外圈故障，故障等級為早期；根據(jù)系統(tǒng)分析現(xiàn)場對該軸承聽音測溫，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，因此采取監(jiān)護運行處理。

圖3 減速機1#測點頻譜

發(fā)現(xiàn)減速機有早期故障隱患后，一直利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)注振動變化，通過監(jiān)測，1#點振動幅值較穩(wěn)定，有小幅上升，無陡升現(xiàn)象。2021 年3月，該減速機其他測點也發(fā)現(xiàn)11.67 倍故障特征，且1#點包絡(luò)頻譜存在明顯的11.67 倍頻率成分及其多倍諧頻，該處軸承外圈故障有劣化趨勢，現(xiàn)場聽音有輕微雜音，測溫無明顯升高，振動分析人員建議監(jiān)護運行、擇機處理。2021 年4 月利用檢修更換該減速機輸入軸軸承，更換發(fā)現(xiàn)故障軸承外圈有輕微磨損、少量點蝕坑，更換軸承后故障特征消失，減速機恢復(fù)正常。

通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)減速機軸承故障后可判斷其狀態(tài)和劣化趨勢，為生產(chǎn)和檢修決策提供了依據(jù)，并且可在故障早期及時發(fā)現(xiàn)故障特征，監(jiān)護其運行，降低被動造成設(shè)備事故的風險，保證了產(chǎn)線安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

通過利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)備故障診斷技術(shù)，并為之加以配套的管理模式，可實現(xiàn)設(shè)備的長周期維護管理。通過冷軋設(shè)備的實踐和探索，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)變化跟蹤和數(shù)據(jù)積累，為今后實現(xiàn)智能診斷和故障預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。