（机械制造及其自动化专业论文）基于windows平台提钒除尘风机网络化振动监测与分析系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文针对四台提钒除尘风机的结构形式及不间断运行的生产特点， 研制出一套分布式网络化在线监测与分析诊断系统。本系统具有三大功 能：一方面能对提钒除尘风机运行状态进行监测，并能在监测的同时实现 实时数据采集、分析处理、机组选择、组态参数设置、数据库形成、报警 等功能；另一方面还能进行现场动平衡；另外该系统还具有网络化精密分 析诊断功能，在进行状态监测的同时进行分析诊断，能实现历史数据回放 分析、时域分析、趋势分析、频域分析、时延域分析、解调分析及f f t 细化分析等功能。此外，该系统还具有报表形成功能与网络化报表访问功 能。在系统试运行期间，对3 号提钒除尘风机进行了单面振幅法现场动平 衡实验，试验效果良好。利用系统的在线状态监测与精密分析诊断功能， 对3 号机组的电机在3 月份出现的故障做了数据分析和故障诊断，查出了 故障部位，提出了维修意见。 弋从2 0 0 0 年3 月投入试运行至今，通过不断完善，提钒除尘风机在线 状态监测与分析诊断系统各项功能得到了检验，满足了用户的要求，得到 了用户的好评。 本文分析了网络化监测与分析诊断系统在国内外企业中的应用情况 和发展前景：分析了远程诊断；论述了分布式监测诊断系统组网方式与本 系统组网方式和方案设计：针对转子动不平衡故障，实现了适用于转子现 场动平衡的振幅法动平衡法；文章最后谨纽阐述了提钒除尘风机在线监测 与分析诊断系统的软件实现及应用情况。， 关键词：网络化监测，在线监测，精密分析，现场动平衡，振幅法动平衡 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t o nt h eb a s i so f a n a l y s i so f f o u rd u s tr e m o v i n g & v a n a d i u me p u r u t i n gf a n s c h a r a c t e r s ，w h i c hr o t a t i n ga n dr u n n i n gc o n t i n u o u s l y , ad i s t r i b u t e ds y s t e m i n c l u d i n g o n l i n em o n i t o r i n g 、f a u l ta n a l y s i sa n dn e t w o r k d i a g n o s i si sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mi n c l u d e st h t 怕ef u n c t i o n s i ti sa p p l i e dt om o n i t o rt h ec o n d i t i o f d u s tr e m o v i n g v a n a d i u me p u r a t i n gf a n a tt h es a n l et i m e o t h e rf u n c t i o n s i n c l u d i n g r e a l t i m ed a t a c o l l e c t i n g ，a n a l y z i n g a n d p r o c e s s i n g , m a c h i n e c h o o s i n g ，p a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n , d a t a b a s eg e n e r a t i n g ，a l a r m i n g c a nb e e x e c u t e d f i e l db a l a n c m ga l s oc a nb ee x e c u t e d o nt h eo t h e rh a n d ，m e t i c u l o u s a n a l y s i sa n dd i a g n o s i ss y s t e mc a l l b ep e r f o r m e dw h e no n j i n em o n i t o r i n gi s r u n n i n gt h r o u g hn e t w o r k a n a l y s i sf u n c t i o n si n c l u d e ss i g n a t u r ea n a l y s i s ，t i m e f i e l da n a l y s i s ，臼锄da n a l y s i s ，s p o c u - u mf i e l da n a l y s i s ，t i m e d e l a y f i e l da n a l y s i s , d e m o d u l a t i o na n a l y s i sa n df f rd e l i c a t ea n a l y s i s b e s i d et h i ss y s t e mi n c l u d e s e n g e n d e r i n gr e p o r tf o r m sa n da c c e s s i n gr e p o r tf o r m st h r o u g hn e t w o r k d u r i n g t h ec o u l e eo f t n s 曲g ，t h em a c h i n er o t o r sb o s s e y e ds w i n gf i e l db a l a n c i n gw a s p r o c e s s e d , a n d ad e s i r a b l er e s u l th a sb e e no b t a i n e d i nm a r 2 0 0 0 af a u l th a p p e n e di nn o 3e l e c t r o m o t o rw a sd e t e c t e db yt h i s s y s t e m ，t h e f a i l u r ep a r tv 8 8f o u n da n ds o l u t i o nw a s g i v e n s i n c ei tw a s d e r i v e d i n t op i e 一砌1 n i n 窑i nm a r 2 0 0 0 ，也i ss y s t e mh a sb c 7 o m em o r ea n dm o r ea c c u r a t e t h eu s e ri sv e r ys a t i s f i e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e m t h i sa r t i c l ee x a m i n e s 也ed e v e l o p m e n te x i s t i n gc i r c u m s t a n c ea n df u t u r e a b o u tn e t w o r km o n i t o r i n ga n da n a l y s i ss y s t e mc o m p a r e dw i t he x t e r n a l l y i t a n a l y s i s r e m o t e d i a g n o s i s ，d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i ss y s t e m s n e t w o r kf o r m ，t h i ss y s t e m sn e t w o r kf o r ma n ds c h e m e d e s i g n i nf o c u so nr o t o r u n b a l a n c ef a u l t , s w i n gm e t h o di su s e di nf i e l db a l a n c i n g f i n a u y , s o f t w a r e d e s i g na n da p p l i c a t i o na b o u t t h es y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l s k e y w o r d sn e t w o r k m o n i t o r i n g , o n l i n em o n i t o r i n g ，p r e c i s i o na n a l y s i s ， f i e l db a l a n c i n g ，s w i n g b a l a n c i n g 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 设备状态监测与诊断技术的发展【l 】【2 】【3 】【4 】【5 】 6 】f 7 】 8 】 随着工业生产与科学技术的发展，现代设备的结构越来越精密复杂， 功能越来越完善，自动化水平也相应提高。这些设备一旦发生故障，不但 设备遭受极大破坏，也将给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，开展 大型设备状态监测、故障诊断、选择合理的设备维修体制，做好设备的维 修管理工作，对于确保设备安全生产，提高产品质量，节约维修费用以及 增加社会效益，具有特别重要的意义。 设备诊断技术主要就是为了满足预测维修的需要，通过各种监测手 段，判别其工作是否正常；如果不正常，经过分析与判断，指出故障部位， 故障原因，便于管理人员维修；或者在故障未发生之前，指出可能发生故 障的预报，便于管理人员尽早采取措旌，避免发生故障。设备的状态监测 与故障诊断经历了以下几个阶段。 在经历了依靠人的感官及经验判断设备振动状态及故障之后，使用广 泛的是简易诊断仪器仪表。它是对某单一的振动信号进行检测，计算出某 一特征参数。当特征参数小于允许值时便认为正常，否则为异常。常常用 超过允许值的大小来表示机器故障的严重程度。常用的简易测振仪表可分 为三大类：位移型涡流式轴振动仪、速度型传感器振动仪、加速度型传感 器振动仪。这类仪器如数字式测振仪b z - 一8 7 0 l 、b z _ 一9 1 0 2 ，测振仪g z 4 b ，振动分析仪z d f l 等。 随着技术的发展，出现用于设备状态监测、故障诊断的专用信号分析 仪。如频谱分析仪。这些信号分析仪大多具有f f t 分析功能，可给出所 测点振动大小，进行时域和频域分析，常带有显示、打印等功能。如s d 3 8 0 z ( 美国) ，h p 3 5 6 2 a ( 美国) 等。这些仪器经过不断发展，功能不断强大， 可靠性也越来越高，已在各行各业得到使用。 数采器是8 0 年代中期发展起来的、近年来已发展成为便携式的集采 集、放大、存储等基本功能为一体的智能化仪器。它可以配按检测振动、 相位、温度等的多种传感器。该数据采集器除具有上述专用信号分析仪功 能外，还具有存储功能及与计算机进行通信的功能，这样可实现对历史数 据的回放分析及将数据传输到计算机进行一步分析。但它不具有实时监测 功能，分析功能往往简单并不具有扩展性，要进步分析还需配备一套计 算机系统。数采器有如下产品i r d 系列( 美国) ，s d 2 3 l ( 美国) ，c f 1 2 0 0 ( 日本) ，s 卜2 0 0 ( 中国) 等。 随着计算机技术及网络技术的迅速发展，发展了眺计算机为主的监测 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 与诊断系统。用计算机和软件建立的诊断系统，具有投资少，功能强大且 易于扩展和升级，使用维护方便等优点。随着计算机技术和诊断方法的发 展，以计算机为中心的监测诊断系统将在机械设备状态监测与故障诊断中 占有越来越重要的地位。 对于一般设各，发展了离线式计算机监测诊断系统。这种系统一般采 用便携式计算机或一体化工控机，它的信号输入一般采用配套的p c m c i a 型或p c i 总线型a d 卡及传感器进行现场采集，或通过数采器获得。然 后进一步对所采集数据用各种分析方法进行分析，从而判断机组状态，是 否有故障，故障类型，状态趋势。这种系统现得到了大量应用。如本研究 室开发的采用一体化工控机的攀钢集团热电厂汽轮鼓风机、发电机组离线 振动监测及故障诊断系统，采用便携式计算机的c d m s 2 0 0 0 便携式动态 信号测试分析系统。 对于重要设备或关键设备，一般采用一种建立在计算机辅助诊断基础 上的多功能、自动化、智能化的在线状态监测与诊断系统。该系统在执行 状态监测时，可以采用简单指标衡量的简易方式，当设备状态发生变化或 出现报警时，就采用更复杂的技术来进行精密的诊断。 对于在线式监测系统，一种方式采用单机系统。即用一台计算机实现 信号采集、状态判断、数据保存、信息输出、报警控制、精密分析等功能。 由于只有一台计算机，不能很好实现分布式状态监测与故障分析，也不能 将信号进一步传向其它计算机进行分析。如本实验室开发的攀钢炼铁厂烧 结抽烟机在线监测诊断系统，攀钢动力厂2 m c l 空压机在线监测诊断系 统便是这样的系统。 为解决以上问题，发展了网络化监测诊断系统，我们将在下节进一步 论述。 1 2 网络监测诊断技术的发展【l 】【3 】【s 】 9 l 【1 0 】f l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】 1 2 1 网络化监测诊断系统结构 网络化监测诊断系统一般都采用功能分布式结构体系。即在采用高性 能的计算机作系统的中心处理器的同时，还采用一些专用设备或处理器来 完成诊断监测过程中某些特定的工作，形成一个多处理器的具有一一定并行 处理能力的系统，其典型系统如图1 1 。 预处理器主要负责数据采集、状态监测及简单的故障诊断工作，数据 处理器主要用于算术运算处理，例如频谱分析时应用的f f t 运算。显示 器用于整个系统的输出处理。中央处理机负责协调各处理机问的工作、数 据库管理及分析诊断工作。由于监测诊断工作被分为几个部份同时由几个 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 监测诊断系统图 处理器完成，因此具有一定的并行处理能力，使得这类系统具有高速的特 点。它常用在对监测报警速度要求比较高或监测设备比较多的场合，如发 电机组的监测、油田水泵站的监测。一个好的监测诊断系统还要具有一套 高性能的系统软件；具有丰富强大的诊断功能：具有强大的监测功能；具 有丰富的输出及控制；具有先进的数据库结构和管理技术。 网络化监测诊断系统由于采用的通讯方式及计算机的不同，有采用 r s 4 8 5 等通信的网络化监测诊断系统、采用局域网组网的网络化监测诊 断系统和远程诊断等几种形式。 1 2 2 采用r s 一4 8 5 等通信的网络化监测诊断系统 r s 一4 8 5 是工业上使用最广泛的双向有补偿通讯规约，仅用一组双绞 线即可实现数据的高速和长距离的发送和接受，各节点并行连网，互相独 立。如下图1 , 2 便是一个r s 4 8 5 网络通信系统。 i 圭堡! 坠、l 芒 。l l l 浮 u l 迦 几1 下 覃 _l l 、r 7 _ 图1 2r s 4 8 5 连网拓扑结构 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 在这种系统中上位机和下位机之间的通信方式采用主从异步通信方 式，每次通信均先由上位机发出命令信息包，下位机接受后返回响应的信 息包。上位机向下位机发送信息和从下位机接受信息均采用中断方式进 行。 这种系统上位机一般采用较高档次的工控机，下位机采用较低档次的 工控机或单片机等设备。它已用于一些中小型化肥厂的分布式监测诊断系 统和一些大型机械设备的分布式状态监测机诊断系统。 这种网络监测诊断方式具有安装方便、调试和维护容易，可扩展性好、 较高的性价比等优点。但它也具有数据传输速度慢、各网络之间不兼容、 传输距离有限等缺点。 1 2 3 采用局域网技术组网的网络化监测诊断系统 随着局域网及互联网技术的迅速发展，局域网与互联网己被各行各业 广泛使用。用于企业的企业内部网( i n t r a n e t ) 在内可单独形成局域网， 又可向外连接到因特网中，与世界容于一体。企业内部网在生产管理中得 到了大量的使用。局域网及互联网技术在设备状态监测与故障诊断中的大 量使用使其得到了巨大发展，使网络化监测诊断迈上了一个新的台阶，也 使远程诊断、分布式网络专家诊断成为了现实。 采用计算机局域网技术组网的网络化监测诊断系统如图1 3 f 娟一 工控机i 网卡或其它设备 数据采集卜一 在线监测l 上位机 p c 计算机 产咽吨擎竺遵 在这种系统中联网采用国际标准，上位机和下位机之间的通信方式采 用国际通用协议，如t c p i p 协议。通讯简单、安全、编程容易。各机通 信相互不影响。较好的实现了分布式监测诊断。这种网络化诊断方式已厂。 泛用于国内外各种设备的监测诊断系统中，并将会得到进一步推广应用。 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 该网络诊断方式具有安装方便、调试和维护容易，可扩展性好，数据 传输速度高、传输距离远、安全及可靠性高等优点。更重要的是，它的兼 容性好，各网络监测诊断系统之间通讯容易，为远程诊断创造了条件。 1 2 4 远程诊断 远程诊断是建立在因特网技术、网络化监测诊断技术、计算机技术、 专家智能诊断、神经网络和模式识别技术等基础之上的监测诊断方法。它 的思想是一批专业人员在一定地方建立远程诊断中心，通过 i n t e m e t i n t r a n e t ( 因特网企业内部网) 将各设备监测诊断点联为一体。一 方面，当监测到设备运行状态发生故障或出现异常时，通过i n t e m e t i n t r a n e t 将数据传输到各个地方，集中一批专家对该设备进行远程会诊，这些专家 不一定在一个地方；另一方面，在远程诊断中心建立各种精密诊断系统， 通过i n t e m e t i n t r a n e t ，各监测点将振动数据发送给远程诊断中心，通过软 件自动得到诊断结果；另外，还通过i n t e m e t i n t r a n e t ，不断从各监测点收 集数据及故障信息，丰富诊断规则库，使之与人类领域专家的知识水平和 判断能力相结合，完善神经网络智能诊断系统，达到专家在或不在都能智 能的诊断出故障的效果。远程诊断一般结构图如图1 4 。 电话电缆和 图1 4 远程诊断连接图 各监测诊断站通过不同方式连接到因特网或通过企业内部网连接到因 特网上。不同监测诊断站与远程诊断中心在进行通信时，不论远近，连接 方式不同，但只要采用相同通信协议，在使用上完全一样。这样将物理连 接与逻辑使用分开，给使用编程带来极大方便。 一个好的远程诊断中心，除了硬件设旖外，更重要的是软件系统。 般来说，一个远程诊断中心应包含以下软件系统：用于信号采集服务器的 信号采集系统，用于信号分析服务器的信号分析系统，故障诊断专家系统， 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 数据库生成与维护系统，网络管理服务系统等。 当系统出现故障时，其系统状态和故障信息通过因特网以传票的方式 向远程诊断中心申请在线技术帮助，同时以电子邮件方式向有关专家发出 故障诊断请求。在一个较短的时间内调动入网的所有技术资源，实现对设 备故障和维修指导。 远程诊断中心软件系统一般采用【客户机服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 结构 模式。实现w e b 交互及w e b 与数据库的交互。它是在网络基础上，以数 据库管理系统为后援服务器( s e r v e r ) ，以微机或工作站为客户机( c l i e n t l 的 一种系统结构，其关键在于把数据存取与应用程序分离开来，分别由数据 库为服务器及工作站为客户机来执行。通常情况下，以普通p c 机作为前 端客户机，以运行u n i x 或w i n d o w sn t 和数据库高档微机作为后端服务 器。前后端之间，通过异步端口连接，用户的应用程序在前端机上运行， 需要访问后端的数据库时候，向后端发出请求，由服务程序完成操作后， 将结果返回到前端客户机上。为了能很好的在i n t e m e t i n t r a n e t 中使用，该 远程诊断中心还要提 供w w w 服务、f t p 服务、远程登录服务 等。用户发出一个远 程诊断请求及其应答 如图1 5 。图1 5 远程诊断执行图 远程用户通过w w w 浏览器发出诊断请求，远程诊断中心w w w 服 务器接受到任务请求，通过c g i 程序调用相应的服务程序并从后端数据 库中读出相应数据，执行程序得到诊断结果，将有关数据加入数据库，并 将执行结果通过c g i 程序及h t m l 文件返回给远程用户。 在远程诊断应用中，较成功的有美国西屋电器公司等，国内有华中理 工大学等。另外美国南部电力公司( s o u t h e r ne l e c t r i cp o w e rs e r v i c e ) 则通过恩泰克公司提供的广域网预测维修p m ( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ) 软件将公司的3 0 个电站共9 0 台机组组成一个整体，昆腾化学公司( q u a n t u m c h e m i c a l ) 将分布在美国数个州的五个大型化工厂和数个小型化工厂联成 了以恩泰克p m 软件为核心的监测网络，这些网络的特点都是将同类装置 或相同工艺流程下的机器信息联系在一起，大大提高了信息的对比和利用 水平。 虚拟现实技术在设备状态监测与故障诊断系统的应用，使远程诊断更 加完善。利用该技术，可以研制虚拟故障诊断环境，在某一固定地点的专 家或多个不同地点的专家可以投入到另一个地点发生的事件或过程中去， 通过计算机网络或调制解调器传输数据，在专家面前的计算机中再现现场 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 设备的运行情况或发生故障的过程，使得专家可以凭专家经验及调用分 析、诊断专家系统进行分析和诊断给出对策，并通过 i n t e n 幢研n t 凡n e t 反馈至现场，指导解决问题。 1 2 5 计算机监测诊断系统发展方向 计算机状态监测与诊断系统最终要达到较高的智能，最大限度地代替 人来进行设备的状态监测与故障诊断，它具有如下发展趋势： 1 ) 以微机为主的监测诊断系统将成为今后几年的主力军。并不断向 网络监测诊断及远程诊断发展。 2 ) 随着计算机功能的不断强大，将使人工智能研究成果不断引入到 设备的状态监测与故障诊断中。从而使监测诊断系统具有自学习能力。另 外，专家系统的应用将使监测诊断系统向智能化迈进一大步。 3 ) 模式识别理论用于监测诊断技术，将使系统处理问题的能力得到 极大的提高，从而使监测诊断系统得到更加广泛应用。 4 ) 虚拟现实技术在监测诊断系统中的使用将使远程诊断、智能诊断 更加完善。 1 3 本课题内容，目的与意义 攀枝花新钢钒股份有限公司提钒炼钢厂是攀钢重点骨干企业，近年 来，随着炼钢规模的不断扩大，对设备运行状态的监控也就提出了更高的 图1 6 y 4 7 3 n 0 2 5 f 型提钒除尘风机设备结构图 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 要求。提钒炼钢厂现有4 台y 4 - 7 3 n 0 2 5 f 型提钒除尘风机，是提钒炼钢过 程重要的排废和矿物回收装置，为冶金部部控大型重点设备( 风机布置间 图见图1 6 ) 。 在此之前，提钒炼钢厂采取了三层措施对提钒除尘风机进行检查维 护。一是各级管理人员、岗位作人员利用自己的经验，通过摸、听等五官 检查法，结合提钒除尘风机各种参数做定性判断。但根据提钒炼钢厂的实 际情况，仅靠经验判断，不同的人诊断结果差别较大，诊断极不精确，而 且对设备劣化趋势心中无底，常常是该维修时得不到维修，不该维修时又 不得不进行例行维修。二是利用简易的手持式测振仪对设备进行定期测 试，分析和记录固定间隔时间的有关振动的各神数据，建立运行状态趋势 图表，作简单的定量分析和状态判定。这种方法由于受测试者、测试时间、 检测方式以及现场工况条件等诸多因素的影响，所测数据随意性较大，前 后数据缺乏可比性，不能准确反映机器的运行状态和预测设备的劣化趋 势，常常出现误报警和误诊断，应用效果不甚理想。第三，由于提钒除尘 风机是连续运行设备，停机维修会对提钒炼钢生产造成影响，因此对转子 的维护是以运行周期为依据；转子每周要进行检查，转子运行一年后，无 论性能如何，都要拆下运到动力厂做动平衡和基本维护。但是，据工厂反 映，经平衡的转子安装使用后并未达到预期的减振效果。1 9 9 7 年1 月1 8 日，因为叶片掉块( 6 0 0 m m 6 0 0 m m ) 、转轴弯曲，造成严重动不平衡，致 使4 号提钒除尘风机整个机组各联接件被切断或变形，承力的轴承支座和 水泥基础严重损坏，导致电机、耦合器、风机转子报废，经济损失严重。 提钒炼钢厂在总结上述风机事故教训时，提出“要尽快申请安装提钒除尘 风机在线监测诊断装置，以完善系统监测功能，确保设备正常运行”。 提钒除尘风机的主要故障有： 1 ) 转子运转偏心或叶片变形、掉片等，产生动态不平衡。 2 ) 滚动轴承故障；转予叶片碰磨；转予轴向窜动；主轴弯曲；联接 部。 3 ) 零件或支撑件失效等故障，在极短的时间内将发生恶性事故。 4 ) 轴不对中、管道或基础结构共振、机座松动或变形等引起机组机 械性能下降，产生非正常振动，影响风机的安全运行。 该项目的主要内容就是在机组的整个运行过程中实时监测以上三个 方面的故障状态，主要目标是： 1 ) 指导并完成现场双面动平衡。 2 ) 在线监测提钒除尘风机的振动大小，与有关标准对比，判别机组 状态，并进行状态指示及报警。 3 ) 通过网络化诊断，在不影响在线实时监测的情况下，采用各种分 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 析诊断方法精密诊断分析转子不平衡、叶片碰磨、轴向窜动、联接松动、 轴不对中、结构共振等故障的大小及性质。 4 ) 实现振动值的自动报表生成，以及其它参量的录入并最终生成报表。 5 ) 通过企业内部网，报表可实时供各单位领导、管理人员查阅。 6 ) 中文界面，弹出式菜单操作。 7 ) 操作系统实现口令分级操作。 8 ) 系统数据库分为三级：a 特征数据管理：始终保存最近一年测 试的各钡4 点分析计算的特征值数据。b 正常数据库：在设备正常运行时， 每隔3 分钟( 该时间间隔可以调节) 保存一次所有监测测点的原始数据。 c 报警数据管理：当系统发生报警或出现故障征兆时，保存报警前1 0 次 测试和报警后1 0 次测试的原始数据。 根据以上提钒除尘风机主要故障和系统主要目标，该项课题的研究内 容和工作计划包括： 1 ) 确定提钒除尘风机在线监测与分析诊断系统的总体设计方案，包 括整套系统的体系、结构、功能和实现途径。 2 ) 根据总体设计方案，在最优性能价格比的前提下进行设备选型， 确定传感器、调理仪、模数转换卡、工控机等硬件设备的型号、规格。 3 ) 根据总体设计方案，结合硬件设备，确定用户软件的操作系统、 编程语言、基本算法等，并对测幅法动平衡算法进行实验验证或模拟仿真； 在此阶段，着重对各种信号处理算法、测幅法动平衡算法做一些应用研究。 4 ) 建立软件系统框架，通过解决一些关键技术，如a d 采样、数字 量信号输出、消息响应、信号的程控增益放大、操作界面的调度、异常处 理、数据库的建立等，逐步细化和完善软件功能，形成一套进入现场前的 原型软件。 5 ) 现场硬件设备的安装调试，包括传感器的分布、安装与标定、信 号电缆与电源电缆的现场布线、信号调理仪的设计安装、a d 卡与计算机 接口处理、报警电路的设计、工控柜的安装等工作。 6 ) 现场调试。这是整个系统研制过程中工作量最大的一个阶段，因 为前期的软、硬件设计中的种种不足与缺陷都会在此暴露出来，解决这些 问题需要全面综合考虑，三个大的原则是：( a ) 首先排除系统硬件故障； ( b ) 在排除硬件故障的前提下，解决软件问题；( c ) 多次反复，不断验 证，逐步完善。现场调试最终要求形成一套软硬件相互协调配合、基本功 能具备、系统能正常运行的测试软件，为下一步的试运行打下基础。 7 ) 试运行阶段。通常一套系统完成后都需要经过至少三个月的试运 行阶段进行测试检验。在此阶段，提钒除尘风机设备及监测系统自身都会 遇到各种异常情况，外部异常如系统突然掉电、设备停机、下游生产工况 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 改变、传感器工作环境异常等，内部异常如系统消息响应速度慢或不响应、 死机、组态不合理、数据库溢出、人工操作容错性差、诊断功能不完善等， 这些异常的出现都将考验系统软硬件各项功能的完备性。有些异常情况的 出现是事前无法预计和处理的，试运行阶段就是要暴露并希望尽可能暴露 所有异常( 但这是不可能的) ，并解决由于异常可能引起的系统功能的不 完善。试运行阶段的另一个重要内容是进行提钒除尘风机转子的现场动平 衡。试运行后将形成最终软件。 8 ) 系统鉴定与验收。主要工作是鉴定资料准备、申请鉴定、系统交 接等。 9 ) 人员培训与系统维护服务。系统的维护及系统运行的各种反馈信 息能为我们评价该套系统的优劣提供较客观的依据，从这种意义上讲，系 统的研制周期将一直延续到系统运行寿命的终结。 通过该项目的研制与实施，能最大限度地避免爆炸、飞车等重大事故 造成的人身伤亡、转炉停产和机组损坏，避免由于这些重大事故造成的直 接或间接经济损失；能及时准备备品备件，及时处理有关故障，做到该修 就修，无故障或故障轻微时就不修，放心大胆地运行，实现预测维修， 使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低：能为运行人员提 供及时的信息，有效地支援运行，提高设备使用的合理性、运行的安全性 和经济性；通过提钒除尘风机在线监测诊断系统的动平衡系统，实现对风 机转子的磨损修复和动不平衡量修正的指导，延长转子的使用寿命、保证 检修质量，降低设备费用的投入。 o 重庆大学硕士学位论文第二章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 第二章提钒除尘风机监测与分析诊断原理与实现方案 2 1 提钒除尘风机监测分析的实施方法【1 】【2 】1 3 1 【7 【8 l 【1 1 5 1 1 6 】【1 7 设备状态监测与故障诊断统一于动态系统之中，设备状态监测是判别 设备状态是否正常，监测其发展趋势、预防突发性故障产生。一旦偏离正 常功能，如系统有可调参数，应迅速做出调整，使设备状态恢复到正常， 如果没有参数可调，应给出解决方案。如果判断存在故障，就要进一步查 明故障原因及其部位，这就是诊断。从实现功能上来说，主要分为数据采 集、状态监测和故障诊断三部分。它们之间的关系是：数据采集是保证正 确监测和诊断的前提和基础；状态监测是数据采集的功能延伸，又作为故 障诊断的前提和基础；故障诊断是系统的核心。三个部份的流程图如图 21 。 图2 1 监测诊断系统的任务划分 数据采集部分的任务包括：快变、慢变信号及开关量信号的采集；信 号的预处理，包括电平变换、放大、滤波、限幅、零均值化处理等；鉴相 信号的处理及利用：数据的检验工作，包括平稳性检验、周期性检验等； 数据的a d 变换；数据的压缩、存储；与监测及诊断部分的通信协调等。 状态监测部分的任务是在前端数据采集的基础上，对机组的状态进行 判别和分类，给出机组的状态报告。具体内容可包括：信号分析工作，如 超限分析，统计分析，时序分析等：数据的快速付里叶分析；旋转设备的 启停工况分析：正常运转工况分析；各种监视图形的显示，如棒图、频谱 图、轴心轨迹图等；机组状态的判别和分类：机组状态显示；机组的状态 报告及打印：机组日常报表管理及档案管理；自动声光报警；趋势分析： 数据库的形成；前端的数据处理及后端故障诊断的通信协调等工作。 故障分析诊断部份指根据状态监测部份的设备状态报告决定故障珍断 部份是否启动进入工作状态，以诊断出故障发生的原因、部位，并给出故 障对策等。具体内容包括；各种数据分析处理方法对数据库数据进行分析 处理以诊断故障：诊断知识库的管理及维护；诊断结果报告打印及管理； 诊断结果显示；故障的处理对策，建议和维修咨询等；还可包括知识获取 的功能：潜在故障的早期诊断功能等。现在国内外都不能达到准确的自动 重庆大学硕士学位论文第二章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 诊断。都需要人进行分析诊断。 要实现以上功能，在网络化监测分析诊断系统具体实施上一般又分为 三个层次。它的总体结构如图2 2 堡兰堡王i 振动信号l ：竺兰 i p c 一 同步采集广一 工业控制机 网络或光 p c 隔电流环计算机 机 转速信号l 转速采集| p c 总线 数据采集 组 l 定时触发i 一 实时监视故障分析 竺网竺兰： 系统 系统 陌南笙i 号采集i 图2 2 监测诊断系统的总体结构 第一层次由多路振动信号并行采集卡、工艺信号( 温度、压力等信号) 采集卡、转速采集卡、联锁报警开关量信号采集存储卡以及相应的信号切 换、调理电路所组成。利用振动、温度、压力等检测传感器在线获取机组 运行状态信息，且对振动信号利用转速信号实现整周期同步采集等。该层 次对应数据采集部分的任务。 第二层次由一台或多台p c 总线、工业控制计算机实现( 简称下位机) 。 实时监视各种快变信号( 如振动) 、陧变信号( 如压力、温度) 以及开关 量信号的状态，运用时域分析、频域分析等方法判别机组运行是否正常， 实现异常工况自动报警，并有在不可预 见事故发生时保存现场信息功能，实现 数据库形成功能。该层次通常还具有一 定的简易诊断功能。该层次对应状态监 测部分任务。 第三层次由一台或多台高档的p c 总线计算机构成( 简称上位机) 。该层 次接收第二层次实时监视和状态识别模 块的初步分析结果及有关数据，利用各 种分析方法进行诊断。该层次较高要求 是要具有智能诊断决策功能，可结合本 领域专家知识和机组历史档案进行分 图2 3 简易诊断与精密诊断的关系 析，做出诊断。该层次对应故障分析诊断任务。 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分为简易渗断和精密诊断。简 易诊断是设备运行状态的初级诊断，能够对设备的状态迅速作出概括的评 重庆大学硕士学位论文第二章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 价。它主要由设备现场t 作人员通过测定设各的某一较为单一的特征参 数，检查其状态是正常还是异常。当特征参数在允许值范围以内时便认为 是正常，否则为异常。往往以超过允许值的大小来表示故障的严重程度， 当达到某一设定值时就停机检修。一般来说，简易诊断对人员素质要求不 高，简单易学，常作为一种常规性的检查措施。一般情况下位机具有简易 诊断功能。 精密诊断是在简易诊断基础上所进行的更深层次的诊断，目的是对设 备故障的原因、部位以及严重程度进行深入分析，作出判断，从而为进一 步的治理决策提供依据。精密诊断需要专用的精密分析仪器，价格昂贵， 同时对使用者的素质要求较高，往往应用于大型、关键设备上。图2 3 所 示为简易诊断与精密诊断的相互关系。 故障的分析和预测比一般性的监测具有较大的难度。为了进行故障的 分析和预测，不仅要求有较完整的数据监测和采集系统，而且要求对转子 一支承系统的各类振动问题的一般规律以及机器表现出的现象有深入的 了解。只有两者的结合，才有可能判断出故障的原因及其在机器上的可能 部位。一般情况上位机具有精密诊断功能。 提钒除尘风机属大型旋转设备，它的状态监测与故障诊断具有其特殊 性，这一特殊性表现在测试的主要对象是一个转动部件，即转子或转轴以 及转动体与静止体之间的相对关系等。转动部件包括转子及连接转子的联 轴器等；非转动部件包括轴承、轴承座、机壳和基础等。转子是提钒除尘 风机的核心部件，整个提钒除尘风机能否正常工作主要决定于转子能否正 常运转。当然，转子的运动不是孤立的，它通过轴承( 滑动轴承或滚动轴 承) 支承在轴承座及机壳与基础上，即构成了所谓的转子一支承系统。支 承的动力学特性在一定程度上影响转子的运动。实践表明，提钒除尘风机 的大多数振动问题或故障都是与转子竟接有关，只有少数问题直接与支承 箱体或基础有关。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，要求我们主要 避从转子运动中去监测和发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提 取信息更为直接和有效。当然，监测转子轴的振动比之测量非转动部件的 振动，在测试技术上难度更大一些。随着传感器和其它电子测试仪器的发 展，对旋转机械的试验研究及运转监测，特别是对转子运动的测试技术都 有了发展，使得我们有可能借助于试验和测量手段更深入地研究旋转机械 的振动问题。 自从旋转机械测试中引入微处理机以后，对转予一支承系统的故障分 析和预测起到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存 夫量有关振动的资料信息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和 重庆大学硕士学位论文 第一章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 预测提供了极为有力的工具。但是，故障预测工作到目前为止不能说已形 成为一门完整的学科，因为它涉及到机器多方面的因素，比如机器的类型， 工作条件变化的影响，可能出现哪些故障，这些故障会有哪些征兆，属于 转子动力学哪一类问题，它的振动表现有何种特点，突出表现在哪些部位， 用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息等等。因此，完成一项大型旋 转机械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及被测对象有较为完整、 深入的整体理解，只有这样，髓测系统才能担负起保障大型旋转设备安全、 经济运行的职责。 2 2 提钒除尘风机监测与分析诊断实现方案【1 】【5 】【1 1 要有效的实现对四台提钒风机的监测与分析诊断。就要有效实现对旋 转设备监测和分析诊断的三个部分，即数据采集、状态监测和故障分析诊 断。结合用户要求，由于温度、压力已有仪器进行监测，并且不在本系统 要求范围之内，因此本系统不予考虑。本文只论述振动信号。 2 2 1 提钒除尘风机特点【1 8 】 提钒除尘风机是提钒炼钢厂重要设备，它完成对提钒排出的气体进行 图2 4 提钒除尘除尘流程 二次除尘，并将有用尾矿进行回收。它的流程图如图2 4 。从转炉出来的 气体通过管道运输到提钒除尘风机。经过提钒除尘风机后，进入到布袋除 尘，然后排放。而灰尘将被吸附到除尘布袋上。到一定时候，一般是八小 时一次，风机反转，将吸附到布袋上的灰尘抖落，通过螺旋运输机运到灰 重庆大学硕士学位论文第二章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 斗中，进行再利用。 提钒除尘风机的工作方式是将转炉出来的气体从转子一端的进风口吸 入腔体，再通过转子叶片的旋转作用将烟气从另一端的出风口排出，产生 一定的风速，从而使转炉出来的烟气能不断的排走，保证转炉提钒的质量。 另一方面保证出风口出来的气体不断吹过布袋，使灰尘吸附到布袋上。 y 4 7 3 n 0 2 5 f 型除尘风机机的主要性能参数如下： 工作介质：转炉排除气体。 主轴转速：2 0 0 9 5 0 r p m ；一阶临界转速：1 4 5 3 r p m 。 转子叶片数：1 2 片，分为三层。 原动机：y 5 6 0 2 6 型三相异步电机，1 2 5 0 k w ，额定转速，9 9 1 r p m 。 传动：风机和电机之间通过一个液力耦合器进行力传递和调速，使风 机工作在需要的转速。 液力偶合器：y o t 6 0 1 0 0 型，额定转速1 0 0 0 r p m ，功率6 4 0 8 6 0 k w 。 叶片数为5 4 ，它的结构示意图如图2 5 。 图2 5 液力偶合器结构图 液力偶合器工作腔内充满工作油液。泵轮在电机驱动下旋转。工作腔 内油液在叶片作用下获得能量，即将机械能转换成液体能。油液在离心力 作用下，以一定的速度从泵轮外缘处流入涡轮。进入涡轮的油液推动涡轮 旋转，从而使输出轴获得转速。达到传动的功能。通过调整液力偶合器内 油液量的多少实现变速的功能。由于油液量可连续变化，因此可无级调速。 轴承：采用滚动轴承3 6 3 3 2 型。 风机布局：l 、2 号机组安装在同一房间，3 、4 号机组安装在同一房 间。 工作机组：一般情况，l 、2 号机组有一台机组工作，3 、4 号机组有 一台机组工作。总共两台机组同时工作。 由以上性能参数可知，该型机外型尺寸较大，内、外部结构复杂，驱 动率较高，属于大型旋转机械；另外，与该机相连的通风管路较多，两台 重庆大学硕士学位论文第二章提钒除尘风机监测与分析诊断理与实现方案 机组安装在同一房间，并且下游工况变化较大。由于这些现象的存在，往 往掩饰或夸大提钒除尘风机的实际振动效果，从而为该机的故障确诊带来 不确定因素。 同其它旋转机械一样，提钒除尘风机设备由于存在结构、加工及安装 等方面的缺陷，使其在运行过程中产生振动，过大的振动又加剧了机器的 磨损。同时，由于提钒除尘风机的工作方式与运转条件不同于其它机械， 使其故障诊断又具有自己的特点。 提钒除尘风机工作介质一提钒烟气中含有大量的粉尘和矿渣，对转子 及叶片的磨损较大。尽管叶片表面堆焊有较硬的耐磨层，但转子长时间运 转使用后，叶片会产生结垢、掉片、疲劳裂纹或不均匀磨损，这样将很快 导致转子动不平衡。失衡后的转子会进一步加剧对滚动轴承滚槽的磨损， 并通过轴承座将振动传递到机壳和基础上。在大多数旋转机械中，由转子 不平衡造成的振动故障次数最多。如9 7 年1 月1 8 日发生的叶片撕列，偶 合器爆炸也是因为转子不平衡所至。动不平衡转子在运转时其惯性主轴偏 离旋转轴线，当转子每转动一周，就会受到一次不平衡质量产生的离心惯 性力的冲击，这种离心惯性力周期作用的结果，便引起转子产生异常的强 迫振动。由于转子不平衡产生的振动频率与转轴的旋转频率相同，观察频 谱图可发现其振动能量主要集中在转频分量( 高速为f r = 9 4 0 6 0 = 1 5 6 7 h z ， 低速为3 0 0 6 0 = 5 h z ) 上。图2 6 为本系统中采用速度传感器测得转子信 号的频谱图，它的最 高频率成分在 1 5 6 4 h z 处。这种频 谱特征采用位移传感 器、速度传感器或加 速度传感器所得到信 号的频谱中都可以看 到。另外常见的故障 为滚动轴承的故障。 一般而占，位移传感 器和速度传感器频谱 成分单纯一些：而加 速度传感器焊接在机 壳或轴承基座上，它 通过轴承座的传递来 图2 6 速度传感器测得的频谱图 感应转子动不平衡带 来的振动，并且它的抗干扰能力较差，其频谱图中可能包含其它振源成分 1 6 重庆大学硕士学位论文第二章提