0 引 言
在石油化工生產中,循環水溫度對裝置運行的穩定性及負荷的高低有著很大的影響,而涼水塔風機是控制循環水冷卻的關鍵設備,其運行正常與否直接影響石化企業的經濟效益。長期以來,由于運行環境惡劣、監測和維護手段不完善,風機不斷地出現減速器斷齒、軸承燒毀、傳動軸彎曲、聯軸器膜片損壞、甚至葉片斷裂等故障。為此,企業迫切需要開發風機在線監測與故障診斷系統,以實現對風機的自動監測和綜合保護。本文擬從軟硬件結構、網絡體系、功能及特點等方面對系統進行研究,并介紹該系統的實際應用。
1 系統總體結構
111 監測信號的選取
反映風機運行狀態的物理量, 包括振動(位移、速度、加速度) 、轉速、相位等動態參數,以及溫度、油位、電流、功率等工藝參數。風機在出廠時普遍配置了監測減速器油溫的熱電偶和監測電機電流的互感器, 個別的還增設了以三參數組合探頭為主體的監控系統, 但都存在監控參數不完善、監控未必及時有效的問題。單純溫度和電流的監控具有一定的滯后性, 即故障的產生、發展直至產生破壞可能在幾秒鐘之內完成;而狀態變化引起溫度的變化至少在數十秒以上,且狀態變化不一定會引起電流的變化。以三參數組合探頭為主體的系統, 其三參數為油溫、油位和殼體振動, 油溫和油位的監測是必須的; 減速器殼體振動的監測比單純工藝參數的監測進了一步, 但也存在三方面的問題:涼水塔風機網絡化在線監測與故障診斷系統研究
a1 減速器有兩級齒輪傳動, 只監測殼體振動難于分辨故障位置, 尤其是輸出軸端與葉片有關的故障;
b1 風機是旋轉機械, 振源和故障源是旋轉部件, 殼體振動的測量對于反映故障只是間接的途徑;
c1 組合探頭拾取殼體振動信號后, 經過變送器輸出到監控器的只是一個通頻振動的幅值, 對監視狀態變化趨勢有一定的作用, 但不能滿足診斷復雜故障的需要。因此, 比較理論的監測方案應是選擇軸振為動態信號、電流及油溫和油位為靜態信號的綜合監測。但是, 減速器輸入軸受中間傳動軸的影響, 自身回轉精度較差, 且沒有足夠的空間安裝監測軸振的電渦流傳感器。基于上述考慮, 選擇減速器齒輪箱輸出軸的軸振和輸入軸軸承座部位的殼體振動作為在線監測的振動信號; 同時測量潤滑油溫度、油位和電機電流作為在線監測的工藝信號。其中, 軸振采用2 個非接觸式電渦流傳感器、在輸出軸同一截面上互成90°方向進行測量, 殼體振動采用2 個壓電式加速度傳感器測量。此外, 在輸入軸上測量轉速, 輸出軸轉速可以通過傳動比計算得到:風機在正常運行下轉速波動很小, 轉速測量更重要的是起鑒相基準以獲取相位信息的作用; 相位信息對于當前一些較新的診斷理論和分析方法是必不可少的[1 ] 。
這樣, 每臺風機有2 路軸振、2 路殼振、1路轉速兼相位、1 路溫度、1 路油位、1 路電流,計8 通道信號。用于循環水冷卻的風機一般為多臺構成一個機組群, 則整個系統的規模視機組群數目而定。
112 系統結構
風機網絡化在線監測與故障診斷系統是一個基于微機的多級主從分布式系統,也是一個網絡環境下集動態數據采集、實時監測與報警、在線分析與診斷為一體的多任務信息處理系統[2～3 ] 。根據各部分在物理聯接和功能上的不同,可將系統分為4 個層次:現場測試層、數據傳輸層、狀態監控層、決策管理層。系統總體結構如圖1 所示。
從安裝在每臺風機上的傳感器拾取信號并經前置放大、到信號調理器對信號進行低通濾波及歸一化處理、最后由數據采集器進行數據采集存儲和通訊傳輸, 組成系統的現場測試層(又稱現場采集層) ; 從數據采集器出來的數字信號經集線器、光纖收發器、光纜、屏蔽電纜等硬件傳輸到現場附近的監控室和遠端廠辦公樓的診斷室,為數據傳輸層; 監控室為狀態監控層, 監測微機24 小時不間斷運行監測軟件, 監視風機的振動量與工藝量變化; 診斷室的服務器和診斷微機構成系統的決策管理層, 通過對風機信號的分析診斷決定風機是繼續運行還是停車修檢, 并且提供診斷結論和維修建議。
2 網絡結構
設備故障診斷已經從單機監測發展到對機組群的監測乃至對整個企業大量關鍵設備的監測,在此基礎上許多企業已經建立了企業級的監測診斷局域網[4～5 ] 。風機在線監測與故障診斷系統設計成網絡化體系結構, 以適合對機組群的在線監測診斷, 同時, 能夠通過企業局域網與行業性、區域性的遠程診斷中心相連, 實現基于Internet的設備遠程監測與診斷。風機機組群監測診斷局域網的核心功能是快
速準確地傳輸實時監測數據, 保障網絡各節點之間穩定的雙工通訊, 以及提供良好的網絡擴展功能。網絡包含3 個節點: 涼水塔塔頂、現場監控室和廠辦公樓診斷室, 根據實際需要可以增加多個監測客戶端, 形成多節點網絡。局域網采用星形拓樸結構(如圖2 所示) , 這種結構具有便于集中控制、易于維護、方便擴展等優點。
3 軟件功能及實現
在風機監測診斷系統4 個層次(現場測試層、數據傳輸層、狀態監控層、決策管理層)中, 后二層是主要由監控軟件和診斷軟件構成的軟件系統, 軟件系統采用高度模塊化設計。
311 狀態監控層軟件
該層軟件主要包括: 系統組態、數據通訊、在線監測和趨勢分析4 個模塊。系統組態模塊的主要功能是對系統進行初始化, 設置各級閾值和各類參數。數據通訊模塊是網絡化系統的核心模塊, 主要負責數據的讀取、數據庫的刷新、相應數據的存儲和參數超限情況下的處理, 其工作流程如圖3 所示。
在線監測模塊提供簡圖、棒圖、時域波形、時—頻圖、軸心軌跡、幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、包絡譜等多種形式的監測信息, 并實時刷新。趨勢分析模塊的功能是對振動量和工藝量在給定時間段內進行趨勢描繪, 并生成各種報表,其中振動信息既包含通頻幅值和相位, 又包含工頻及其分頻、倍頻及高頻的幅值和相位。
312 決策管理層軟件
在決策管理層,利用神經網絡、小波技術等先進的分析診斷方法,判斷機組是否存在故障,當存在故障時,判斷故障的類型、位置和程度,并對故障發展進行初步預測,為生產過程的控制和決策提供科學依據,為維修提供指導意見和合理建議[6] 。
4 系統特點
411 監測信息的完備性
保留了三參數組合探頭的油溫和油位測量,將單純殼振幅值測量改為更能直接反映機組運行狀態和能夠進行復雜故障診斷的軸振和殼振動態信號的監測, 配置了鑒相探頭, 增加了相位分析功能。當前國內的在線監測系統很少配置鑒相探頭, 導致振動信號的幅值、頻率和相位三大要素缺少相位信息。
412 結構體系的開放性
網絡各節點處可以很方便地增加監測終端,使系統便于擴展; 支持基于Internet 的遠程監測與診斷, 是系統具有跨地域的、多方參與的、更強大更開放的診斷功能。
5 結束語
本文研究的系統已在現場穩定運行, 采樣信號真實可信。系統的投運不僅將24h 巡檢工人解脫出來, 而且多次避免了設備事故, 其經濟效益和社會效益都比較顯著。
