離心式空氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

劇江濤

（山西省能源發(fā)展中心， 山西 太原 030006）

引言

離心式空氣壓縮機在煤礦工程中經(jīng)常使用，該種設(shè)備具有大功率、高轉(zhuǎn)速等優(yōu)勢，但其故障也是各種各樣并且不易被察覺修復(fù)的，如轉(zhuǎn)子碰撞、轉(zhuǎn)子不協(xié)調(diào)、軸向竄動、滾動軸承故障、葉片故障等[1]。這些故障的出現(xiàn)，必然會影響整個工程的進度及工作人員的生命安全。離心式空氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)項目設(shè)計的初衷是預(yù)防類似情況的發(fā)生，保證工作人員人身安全和設(shè)備的安全，做到預(yù)防、監(jiān)測的作用。另外，本系統(tǒng)的成功研發(fā)會促進設(shè)備維修制度的改革，避免因按計劃強制維修的現(xiàn)象，以極大地減小維護成本。大量調(diào)查結(jié)果顯示，國外礦用大型設(shè)備已基本完成由預(yù)防維修向預(yù)知維修的過渡[2]。故障診斷系統(tǒng)將充分延長設(shè)備零件的壽命，大大提高設(shè)備維修的速度、準(zhǔn)確度，從而提高經(jīng)濟效益，很大程度上節(jié)約人力、物力。因此，故障診斷技術(shù)在離心式空氣壓縮機中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 壓縮機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計思路

為做到對離心式空氣壓縮機故障的監(jiān)測與診斷，本節(jié)將根據(jù)“離心式空氣壓縮機故障診斷軟件”的要求，設(shè)計對應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)，配合具體算法，最終完成設(shè)計。利用傳感設(shè)備在設(shè)備工作時間不間斷收集工作參數(shù)、軟件系統(tǒng)實時分析，最后反饋準(zhǔn)確數(shù)據(jù)完成監(jiān)測，具有兼容性高、穩(wěn)定性好、性價比高等特點。

為了使各機組能高效地接收并分析各類設(shè)備信號，必須對相應(yīng)傳感器的安裝位置進行合理安排，以保證采集信號的精確性、時效性；在機組外墻進行信號處理儀、數(shù)據(jù)分析站的加裝；軟件系統(tǒng)與PLC 相連，可得到各部分設(shè)備運行參數(shù)，如溫度、壓力等；控制中心安裝系統(tǒng)主機，進行數(shù)據(jù)信號的分析、數(shù)據(jù)庫維護、實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。中間通過網(wǎng)絡(luò)傳遞各類數(shù)據(jù)信號、參數(shù)，保證整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓縮機故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 離心式空氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 硬件部分設(shè)計

根據(jù)真實工作環(huán)境的需要，需達到對離心式空氣壓縮機組的振動、氣壓、溫度等信號的采集、傳遞、分析，以及實時顯示數(shù)據(jù)、調(diào)控設(shè)備各個部件、對突發(fā)情況的警報、處理等目的，本文設(shè)計了如圖2 所示的故障診斷系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

圖2 壓縮機故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計架構(gòu)

2.1.1 信號采集

離心式空氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)的信號采集是指通過各類傳感設(shè)備采集對應(yīng)的信號，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理分析，主要包括振動頻率、振幅、電渦流位移等。信號采集工作原理為：首先向前置器提供24 V 的直流穩(wěn)壓電；再由前置器把傳感裝置輸入的信號轉(zhuǎn)換成電平信號，最后輸出。振動速度信號通過將傳感裝置固定在硬件設(shè)備軸承底座的橫向、縱向上，實時捕捉各個方向上的振動信號；軸向位移信號的取得需要依靠采集站。通過電渦流位移傳感裝置，實時監(jiān)控離心式空氣壓縮機主軸的軸向竄動大小，此時采集設(shè)備安裝時必須和主軸保持平行；電渦流位移傳感設(shè)備和信號電纜需要按具體要求分別進行裝配，屏蔽電纜連接到信號收集站，在連入時穿過設(shè)備上的專用孔，再用緊固件固定并密封。信號調(diào)理儀，如圖3 所示。

圖3 信號調(diào)理儀

由于計算機只能處理數(shù)字信號，所以經(jīng)過傳感設(shè)備得到的信息需要通過A/D 轉(zhuǎn)換，中國臺灣省ADLINK 公司生產(chǎn)的A/D 卡，型號為PCI-9114HR，可以滿足本系統(tǒng)需求，及時實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換[3]。

2.1.2 報警子系統(tǒng)

報警系統(tǒng)的設(shè)計原理是通過改變輸入發(fā)光二極管的電壓，使二極管呈現(xiàn)不同的顏色表示設(shè)備現(xiàn)在的狀態(tài)，進而提醒工作人員采取應(yīng)對措施。當(dāng)二極管呈現(xiàn)紅色時，設(shè)備處于非正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)；黃色表示預(yù)警、綠色表示正常運行狀態(tài)。對于輸入電壓而言，≥5 V 的電壓會觸發(fā)系統(tǒng)進入危險狀態(tài)；與此同時，報警裝置不斷發(fā)出警報聲。在機組正常運轉(zhuǎn)的情況下，輸入電壓為4.7 V，無法觸發(fā)報警裝置。報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件部分設(shè)計

對于離心式空氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，需要考慮到實際礦井工作現(xiàn)場情況，對系統(tǒng)進行特殊設(shè)計，對不同需求有獨立開發(fā)方式?？傮w來看，本系統(tǒng)分為現(xiàn)場實時監(jiān)控客戶端與遠程監(jiān)測診斷客戶端，后者主要用于管理崗位，遠程監(jiān)測診斷客戶端不但可以利用工程局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，來監(jiān)控離心式空氣壓縮機的實時參數(shù)，同時可以和現(xiàn)場在線監(jiān)測診斷客戶端具有相同的功能，包括信號處理分析、精準(zhǔn)判斷等。種類不同、精確度不同的傳感設(shè)備由于系統(tǒng)組態(tài)方式靈活，都能組合調(diào)配；而后的數(shù)據(jù)分析階段重點解決數(shù)據(jù)的有效性與儲存量大之間的矛盾，首先使用嵌入式數(shù)據(jù)收集設(shè)備處理一級數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步處理后的數(shù)字信號再上傳到監(jiān)控計算機，遠程客戶端完成接下來更復(fù)雜的處理分析，通過這樣的方式，數(shù)據(jù)量少且數(shù)據(jù)有效性強，也減輕了操作人員的工作量，提高了效率。在數(shù)字信息的分析中要保證所使用方法的科學(xué)性、高效性。所以，在建成離心式空氣壓縮機的故障診斷軟件系統(tǒng)后，可以保證設(shè)備運行時的穩(wěn)定性，從而避免整體設(shè)備出現(xiàn)事故造成人財損失[4]。

2.2.1 信號分析模塊

信號分析模塊的主要任務(wù)是對由傳感設(shè)備輸送的信號進行分析，進而將機組運行參數(shù)在操作者的選擇下表示在顯示器上。Signal Analysis 中的各函數(shù)用來處理操作者的需求，Managment DB 把數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行選擇、更新、刪除處理并顯示。

2.2.2 報警器管理模塊

報警管理模塊的作用是對各個機組的警報系統(tǒng)進行監(jiān)測，在正常的使用過程中警報取消時可以解除警報，最后達到防止錯誤使用警報系統(tǒng)的目的。本模塊中類功能與信號模塊大體相同，AlarmManagement 中的三個函數(shù)用來處理操作人員需求，Alarm類控制警報系統(tǒng)具體動作，最后ManagementDB 維護數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

2.2.3 系統(tǒng)管理模塊

用戶登錄功能的類圖，按照表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)訪問層（DAL）三層架構(gòu)設(shè)定。Login Control 是用于業(yè)務(wù)邏輯層的，各個函數(shù)的功能分別為監(jiān)測用戶數(shù)據(jù)庫、驗證登陸、設(shè)置權(quán)限等[5]。

3 結(jié)語

首先提出了該系統(tǒng)的設(shè)計概要，包括基本內(nèi)容和技術(shù)要求。根據(jù)系統(tǒng)最終要實現(xiàn)的目的，設(shè)計了對應(yīng)的硬件設(shè)備模型，同時對整個硬件架構(gòu)進行了分析，并以此為基準(zhǔn)設(shè)計了信號處理系統(tǒng)、報警系統(tǒng)。為了實現(xiàn)該空壓機的故障診斷功能，進行了該系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計，詳細介紹信號分析模塊、報警器管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。