鋼鐵企業(yè)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)采集技術(shù)研究及應(yīng)用

馮 杰， 馬劉斌， 范小軍， 梁曉鳳， 王 鑫， 何英鋒

（太原鋼鐵（集團(tuán)）電氣有限公司， 山西 太原 030003）

0 引言

鋼鐵制造過(guò)程涵蓋采礦、燒結(jié)、煉焦、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋、帶鋼、鋼管等工序。鋼鐵生產(chǎn)流程長(zhǎng)、工序復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備類型多樣、設(shè)備工況及運(yùn)行環(huán)境差異大。隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，信息技術(shù)滲透到了工業(yè)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，工業(yè)傳感器、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。鋼鐵企業(yè)設(shè)備管理逐步向集約化、數(shù)智化、專業(yè)化方向發(fā)展。

目前設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段包括振動(dòng)、潤(rùn)滑、磨損、電流、紅外成像、超聲、黏度等監(jiān)測(cè)方法，其中以“振動(dòng)+溫度”的監(jiān)測(cè)方法可感知鋼鐵企業(yè)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備最為廣泛的設(shè)備故障，同時(shí)其技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備包括電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、齒輪箱、軋機(jī)、卷取機(jī)、輥類、磨機(jī)、破碎機(jī)、壓縮機(jī)等，是鋼鐵企業(yè)中的關(guān)鍵生產(chǎn)、環(huán)保設(shè)備。在生產(chǎn)線高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由設(shè)備所產(chǎn)生、采集和處理的數(shù)據(jù)量成指數(shù)增加，對(duì)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等軟硬件提出了更高要求。如何有選擇性地、高效智能地采集、傳輸、儲(chǔ)存有效信號(hào)，減少“垃圾”信號(hào)對(duì)系統(tǒng)資源的浪費(fèi)成為企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

1 振動(dòng)傳感器技術(shù)要求

鋼鐵企業(yè)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備按運(yùn)行工況可大體分為兩類，分別為恒速恒載設(shè)備和變速變載設(shè)備。恒速恒載設(shè)備主要分布在鐵前、煉鋼工序，包括風(fēng)機(jī)、泵、皮帶機(jī)等；變速變載設(shè)備有分布在軋鋼工序的軋機(jī)、卷取機(jī)、輥類等和分布在輔助工序的磨機(jī)、破碎機(jī)等。不同工況特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境對(duì)傳感器應(yīng)用技術(shù)提出極高要求。

振動(dòng)傳感器的主要技術(shù)參數(shù)包括供電方式、通信方式、安裝方式、工作溫度、防護(hù)等級(jí)、量程、靈敏度、頻響范圍、采樣頻率、分析頻率、采樣長(zhǎng)度等。無(wú)線傳感器具有布設(shè)靈活、安裝成本低的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在故障率高或安裝環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備上，設(shè)備本體維護(hù)或檢修需要頻繁拆裝傳感器，一般情況下優(yōu)先選擇無(wú)線傳感器。無(wú)線傳感器由電池供電，如果采集頻率過(guò)高，會(huì)使得電池電量消耗過(guò)快，不便于維護(hù)，相比變速變載設(shè)備監(jiān)測(cè)要求高的采集頻率，無(wú)線傳感器更加適用于恒速恒載設(shè)備。在鋼鐵生產(chǎn)工序中，環(huán)境極其惡劣，要求傳感器有高的防護(hù)等級(jí)，一般要達(dá)到IP65 以上，部分環(huán)境對(duì)傳感器提出IP68 及防爆要求。部分高溫場(chǎng)景（如燒結(jié)脫硫增壓軸流風(fēng)機(jī)軸承座振動(dòng)監(jiān)測(cè)）需要使用耐高溫傳感器。

振動(dòng)傳感器的選擇需要同時(shí)考慮所監(jiān)測(cè)設(shè)備的故障類別及運(yùn)行條件。動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見(jiàn)故障包括不平衡、不對(duì)中（聯(lián)軸器故障）、結(jié)構(gòu)松動(dòng)、旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)等工頻故障以及滾動(dòng)軸承故障、齒輪故障、泵的汽蝕和湍流等。恒速恒載動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速一般為600～3 000 r/min，工頻故障特征頻率一般在1～12 倍轉(zhuǎn)頻，且在速度信號(hào)中最為明顯；軸承早期故障特征在最大分析頻率為20 000 Hz 以下高頻加速度信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，2 000 Hz 以下可以發(fā)現(xiàn)大部分齒輪故障。因此恒速恒載設(shè)備監(jiān)測(cè)要求傳感器有寬的頻響范圍（2～20 000 Hz），采樣頻率達(dá)到51.2 kHz（最大分析頻率×2.56），采樣頻率確定的情況下，采樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，頻率分辨率（與采樣時(shí)間呈反比）越高，換算公式如下：

式中：T 為采樣時(shí)間；TS為采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；N為采樣長(zhǎng)度；n 為譜線數(shù)；Fs為采樣頻率；Fmax為最大頻率。

在動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)分析中，一般要求頻率分辨率最低達(dá)到0.5 Hz 以下，因此在測(cè)量定義時(shí)，應(yīng)做好最大分析頻率和采樣長(zhǎng)度的搭配。

相比恒速恒載動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，變速變載動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備有低速、重載、沖擊的工況特征，轉(zhuǎn)速范圍一般為0～1 500 r/min，對(duì)低頻信號(hào)的感知要求更高，要求傳感器頻響范圍下限更低，一般采用0.4～15 000 Hz，多變的工況特征要求更高的信號(hào)采集頻率，才能分析時(shí)刻變化的工況，因此多使用有線傳感器[2]。

2 多軌制采集策略的建立

實(shí)現(xiàn)報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，要求數(shù)據(jù)采樣周期短、回傳速度快，數(shù)據(jù)要“小”；實(shí)現(xiàn)精密診斷，要求波形長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，數(shù)據(jù)要“大”，存在數(shù)據(jù)“大”與“小”的矛盾；一種波形不能同時(shí)滿足不同種類故障診斷需求，根據(jù)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障表現(xiàn)形式，將波形信號(hào)粗略分為高頻加速度波形、低頻加速度波形、速度波形。綜合用途和經(jīng)濟(jì)性考慮，建立多軌制采集策略，將信號(hào)分為指標(biāo)信號(hào)、波形信號(hào)、長(zhǎng)波形信號(hào)，采集定義建議如表1、表2 所示。

表1 恒速恒載設(shè)備測(cè)量定義推薦

表2 變速變載設(shè)備測(cè)量定義推薦

3 采集策略自適應(yīng)功能開發(fā)

既要高密度、多維度采集海量數(shù)據(jù)，避免有效信息的遺漏，也要最大程度避免無(wú)效信號(hào)的采集，降低系統(tǒng)傳輸、存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)的資源浪費(fèi)。研發(fā)智能采集策略，實(shí)現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)占比降低25%以上。

1）加密采集策略：異常指標(biāo)自動(dòng)觸發(fā)波形加密采集，及時(shí)抓取設(shè)備故障信息，快速推送診斷結(jié)論；

2）不采策略：配置啟停機(jī)自識(shí)別策略或關(guān)聯(lián)啟停機(jī)、電流等信號(hào)，智能規(guī)避無(wú)效的停機(jī)信號(hào)采集；配置誤信號(hào)與工況信號(hào)自識(shí)別策略，智能規(guī)避誤信號(hào)與工況信號(hào)采集；

3）關(guān)聯(lián)采集策略：關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)速、工況等信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)速、工況等信號(hào)按配置規(guī)則觸發(fā)采集，智能采集特定信號(hào)，提高信號(hào)質(zhì)量。

4 采集技術(shù)應(yīng)用案例

熱連軋橫切線精矯機(jī)電機(jī)功率為422 kW；轉(zhuǎn)速范圍為0～1 150 r/min，采用有線加速度傳感器，磁吸+膠黏的安裝方式，防護(hù)等級(jí)IP68，頻響范圍0.4～15 000 Hz，安裝位置選取電機(jī)自由端水平、電機(jī)負(fù)荷端水平、減速機(jī)高速軸輸入端水平。3 個(gè)測(cè)點(diǎn)按照表2 推薦配置測(cè)量定義，并配置加密采集策略。

2023 年3 月20 日3：01 電機(jī)兩端速度RMS 連續(xù)6 點(diǎn)（3 min）升高（見(jiàn)圖1、圖2），且速率升高超過(guò)25%，觸發(fā)指標(biāo)報(bào)警（報(bào)警規(guī)則為持續(xù)3 個(gè)點(diǎn)超10 mm/s），同時(shí)啟動(dòng)波形加密采集（采集到3：04 的波形，見(jiàn)圖3），速度頻譜顯示2 倍轉(zhuǎn)頻能量較高（見(jiàn)圖4），分析為聯(lián)軸器故障并推送診斷報(bào)告。檢修發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器與軸配合松動(dòng)，鍵槽磨損嚴(yán)重。

圖1 電機(jī)自由端水平向振動(dòng)速度有效值趨勢(shì)

圖2 電機(jī)負(fù)荷端水平向振動(dòng)速度有效值趨勢(shì)

圖3 電機(jī)兩端水平向加密采集的振動(dòng)速度波形

圖4 電機(jī)兩端水平向振動(dòng)速度頻譜

5 結(jié)語(yǔ)

綜合考慮設(shè)備屬性、工況特征及運(yùn)行環(huán)境等因素，選用合適的振動(dòng)傳感器并配置合理的測(cè)量定義，捕捉到我們關(guān)注的故障特征，采用多軌制采集策略可同時(shí)滿足報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控和精密診斷的數(shù)據(jù)要求并精準(zhǔn)捕捉設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)采集策略的配置，可最大程度避免無(wú)效數(shù)據(jù)采集，提升設(shè)備監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率。