（机械工程专业论文）涟钢10000Nmlt3gth制氧机组状态监测与故障诊断分析处理.pdf

工程硕士学位论文 摘要 设备状态监测与机械故障诊断技术被广泛用于电力、石油化工、冶金等行业的大型、 高速旋转机械的监测中，对延长设备的检修周期、提高生产效率、预防事故、保障人身 和设备安全都起着重要的作用。 涟钢是国内较早开展设备故障诊断的企业，设备故障诊断技术的运用己积累了非常 丰富的经验，具备了实施在线状态监测应用的技术基础与良好氛围。1 0 0 0 0 n m 3 h 制氧 机组设备是涟钢制氧厂的重要设备系统，其运行状态的好坏、停机时间的长短、突发事 故及非计划检修、检修方案及效果等对涟钢生产有着极大的影响。 以涟钢1 0 0 0 0 n m 3 h 制氧机组为基础建立的涟钢设备状态监测网，在系统结构设计时 遵循了结合涟钢实际、经济、适用、总体规划、先进性、可扩展的原则；系统功能在进 行数据采集监测中具有自动分析报警等功能，还要求对数据进行存储管理等。同时，为 便于管理和实现信息共享，故障诊断系统具有网络通讯功能，并且各子系统之间能相互 通信，系统软件方面，统一标准化，与涟钢的e a m 、e r p 系统接口，实施用户权限分 类；系统性能要求系统处理准确、运行稳定、易于操作和维护、响应速度快和安全性高。 为适应大型化的需要，采用大型网络版( b s 架构) 监测系统b s ( b r o w s e r - s e r v e r ) 架 构的监测网系统；基于c o l d f i r e 硬件平台和u c l i n u x 嵌入式操作系统开发监测工作站的 嵌入式数据采集系统。 为满足以上要求，进行了系统的研发与建立，结合自己十多年的设备故障诊断实际 工作经验，针对制氧机组的常见故障进行分析研究，并建立了具有实际运用价值的故障 判定标准与报警系统。 通过建立的监测与故障诊断系统，针对一万制氧机组典型故障进行了分析与处理， 达到了理想的效果。在故障的处理过程中，率先提出了设备状态劣化速度控制的理论 与方法( 已获国家发明专利) 并进行实践，为涟钢的安全生产及提高设备故障处理的行 业技术水平做出了贡献。 关键词：监测；诊断；嵌入式采集；故障处理 涟钢i o o o o n m h 制氧机组状春监测与故障诊断分析处理 a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c em o n i t o r so fe q u i p m e n t sa n dt h et e c h n i q u eo fe x a m i n eap a t i e n tw i t h m e c h a n i c a lt r o u b l ea 1 0 eu s e de x t e n s i v e l yf o rt h em o n i t o ro f m a c h i n e sw h i c ha r el a r g ea n d r e v o l v i n gw i t hh i g hs p e e di np e t r o l e u mc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，m e t a l l u r g y e r e i ti sv e r y i m p o r t a n tf o rf i x i n gt h ep e r i o da n di n c r e a s i n gt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , p r e v e n t i n gt h e t r o u b l ea n dg u a r a n t e e i n gh u m a nb o d ya n de q u i p m e n t s t h es a f e t y t h es t e e l c o m p a n yo fl i a n y u a no p e r a t et h et e c h n i q u eo fd i a g n o s t i ce q u i p m e n t s b r e a k i n gd o w ne a r l y ，a n dh a sa l o to f e x p e r i e n c e s ot h eb a s eo f t e c h n i c a la p p l i c a t i o na b o u t t h eo n - l i n ea p p e a r a n c em o n i t o r sa r ev e r ya b u n d a n t t h em a c h i n e s o f1 0 ，0 0 0o x y g e na r e i m p o r t a n te q u i p m e n t si nt h ec o m p a n y t h e1 0 ，0 0 0o x y g e nf a c t o r yi n f l u e n c et h ee q u i p m e n t s w o r k , l e n g t ho fs h u t i n gd o w nt h eh o r a r y st i m e , a b r u p t i n gt r o u b l ea n dn o t - p l a nc h e c k , e c t , c a n g i v eab i gi n f l u e n c et oc o m p a n y sp r o d u c t t h ee q u i p m e n t sa p p e a r a n c e sm o n i t o r sn e t , w h i c hi sb a s e do ny i w a no x y g e nm a c h i n ei n l i a ng a n g ，f o l l o wt h ep r i n c i p l eo fc o n c l u d i n gt om a t c ht h ec o m p a n y ，e c o n o m y ，a p p l y , t o t a l p r o g r a m m i n g , a d v a n c e d , e x p a n s i v e t h es y s t e mh a s t h ef u n c t i o no fp r o c e e d i n gd a t a c o l l e c t i n gf r o mm o n i t o ra n dc a na u t oa n a l y s i sr e p o r t st ot h ep o l i c e , s t i l lr e q u e s t i n gt h e l o g a r i t h m sa c c o r d i n gt op r o c e e ds a v i n gm a n a g e m e n te t e a tt h es a l l l et i m e ，f o re a s yt o m a n a g e m e n ta n dr e a l i z e t h ei n f o r m a t i o ns h a r e ，t h es y s t e ms h o u l dh a v et h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，a n de a c hs u b - s y s t e ma ne a m , t h es y s t e mo fe r pf o rc a nm u t u a l l y c o r r e s p o n db yl e t t e r i nt h es y s t e ms o f t w a r ea s p e c t , i tc a nu n i f ys t a n d a r d i z i n ga n dc o n n e c t e w i t ho t h e r , p u tc u s t o m e rl e g a lp o w e rc l a s s i f i c a t i o ni n t op r a c t i c e t h es y s t e mf u n c t i o nr e q u e s t s t h es y s t e mh a n d l e sa c c u r a t e ，c i r c u l a t et h es t a b i l i t ya n da p tt ot h eo p e r a t i o nw i t hs u p p o r ta n d r e s p o n dt ot h es p e e dt h eq u i c ki s i n gh i 曲w i t hs a f e t y f o rt h eo r i e n t a t i o nl a r g et h ed e m a n dt h a t t u r n , a d o p tt h el a r g en e t w o r kv e r s i o n ( b ss t r u c t u r e ) m o n i t o r st h es y s t e mb s fb r o w s e r - s e r v e r ) c o n f i g u r i n g so fm o m t o rn e ts y s t e m w i t ht h eb a s eo fc o l d f i r eh a r d w a r et e r r a c ea n d u c l i n u xe m b e d d e do p e r a t es y s t e m t h es y s t e mg e td a t aw i t he m b e d d e ds y s t e m f o rs a t i s f y i n gt h ea b o v er e q u e s t , w eh a v ep r o c e e dt h ed e v e l o p m e n ta n de s t a b l i s ho f t h e s y s t e m ，a c c o r d i n gt h e a c t u a lw o r ke x p e r i e n c eo fm o r ct h a nt e ny e a r w ee s t a b l i s ha b r e a k d o w n j u d g e st h es t a n d a r dw h i c hc a na c t u a l l ya p p l i c a t ea n di tc a nr e p o r tt ot h ep o l i c et h e s y s t e mt h r o u g ha n a l y s i st h er e s e a r c hc o m m o nb r e a k d o w n w i t ht h ee s t a b l i s ho f t h es y s t e m , t h eb r e a k sd o w nc a l lb ea n a l y s i s e da n dh a n d l e dv e r y w e l l a tt h es a n et i m e ，w ep u tf o r w a r dt h e o r i e sa n dm e t h o de a r l i s ta b o u tt h ee q u i p m e n t s i i 工程硕十学位论文 a p p e a r a n c ei n f e r i o rs p e e dc o n t r o l ( h a v eg o tn a t i o ni n v e n tp a t e n t ) t h ep r o c e e d i n gp r a c t i c e si n h a n d l i n gb r o k ed o w np r o c e s s ，a n dh a v ed o n ea c o n t r i b u t i o nf o ri n c r e a s i n gt e c h n i q u el e v e lo f h a d d l i n gt h ee q u i p m e n t s f a u l t k e y w o r d s ：m o n i t o r ；d i a g n o s i s ；c o l l e c t i n gi ne m b e d d e dm e t h o d ：h a n d l e f a u l t ； i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 璃卑弗长 日期：缈彳年，f 月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签 磷材 日期：钞p 5 年，月帽日 日期：谚，月，夕日 t 程硕士学位论文 第1 章绪论 设备状态监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其 整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。通俗 地讲，它是一种给设备“看病”的技术【l j 。 设备状态监测与故障诊断思想的酝酿，可以追溯到很久以前，但真正形成一种技术 并应用到生产实际中，还是近几十年的事。这项技术最初形成于英国，由于其实用性以 及为企业和社会带来的效益，日益受到企业和政府的重视。特别是近3 0 年来，随着科 学技术的不断进步和发展，尤其是测试技术、计算机技术的迅速发展和普及，它已逐步 形成了- - i 较为完整的学科。该学科以设各管理、状态监测和故障诊断为内容，以建立 新的维修体制为目标，在欧美、日本以不同形式得到推广，在国际上成为一大热门学科。 近年来，振动与噪声理论、测试技术，信号分析与数据处理技术、计算机技术及其 他相关基础学科的发展，为设备状态监测与故障诊断技术打下了良好的基础，而工业生 产逐步向大型化、高速化、自动化、流程化方向发展，又为设备状态监测与故障诊断技 术开辟了广阔的应用前景。可以预见，这项源于生产实际，又与近代科学技术发展密切 相关的新兴学科在实际生产中必将发挥越来越大的作用1 2 1 。 1 1 状态监测与故障诊断技术及其应用 机械故障诊断技术是随着电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速发 展而发展起来的一项新技术。应用故障诊断技术对机器设备进行监测和诊断，可以及时 发现机器的故障和预防设备恶性事故的发生，从而避免人员的伤亡、环境的污染和巨大 的经济损失；并可以找出生产系统中的事故隐患原因，从而对机械设备和工艺进行改造， 以消除事故的隐患。 工业部门有着许多各种各样的机器和设备，它们运行是否完好直接影响企业的效 益，其中一些关键性重要设备甚至起着决定企业命运的作用。一旦发生事故，损失将不 可估量。因此，如何避免机器发生事故。尤其是灾难性事故，是人们一直极为重视的问 题。长期以来，由于人们无法预知事故的发生，不得不采取两种对策：一是等设备坏了 再进行维修( 事后维修) 。该办法经济损失很大，因为等设备运行到破坏为止。往往需 要昂贵的维修费用、灾难性破坏需要更换设备，还可能造成人员伤亡；二是定期检修设 备，这种方法需有一定计划性和预防性。但其缺点是如无故障。则经济上损失很大，而 且定期检修的时问周期也很难确定。因此，合理的维修应是预知性的( 预知维修) ，即 在设备故障出现的早期就监测隐患，提前预报，以便适时、合理地采取措施，于是设备 琏钢1 0 0 1 ) o n m 确制氧机纽状奋鹱删b 放婷玲断分析处理 状态监测与故障诊断技术应运而生。 机械设备振动监测及故障诊断技术日益受到各国专家学者的重视，并被广泛用于电 力、石油化工、冶金等行业的大型、高速旋转机械的监测中，对延长设备的检修周期、 提高生产效率，预防事故，保障人身和设备安全都起着重要的作用，国内外的实践表明 【3 卅，以振动监测和故障诊断技术为基础的设备预知维修，能够克服传统的设备维修制 度造成的生产效率低下和维修费用浪费等缺点，并取得了显著的经挤效益【5 1 。 现代设备状态监测与故障诊断技术对于国民经济有着十分重要的意义，其作用主 要表现在以下几方酝：( i ) 早期预报防止事故发生；( 2 ) 预知性维修，提高设备管理水 平；( 3 ) 提高设备的设计、制造水平，改进产品质量；( 4 ) 确定复杂机器的最佳工作参数， 提高效率；( 5 ) 降低噪声、泄漏等污染，保护环境。 故障诊断技术最重要的意义在于能改革设备维修制度，现有的定期检修模式，既使 没有故障也按人为的计划时间进行定期检修，这将造成很大的浪费。由于诊断技术能预 报设备的故障，因此在设备正常运转没有故障时可以不停车，在发现故障前兆时能及时 停车，按诊断出故障的性质和部位，可以有的放矢地进行检修，这就是预知维修一现代 化维修技术。定期维修向预知维修转变，在进一步安全可靠性的同时，不但可节约大量 的维修费用，而且减少了许多不必要的维修时间，从而大幅度提高生产效率，产生巨大 的经济效益。 1 2 状态监测与故障诊断的研究内容 大型设备状态监测与故障诊断技术研究所涉及的学科领域十分广泛，并在不断扩 展，根据目前的情况与潜在价值其研究内容主要有故障信息检测、故障特征分析、状 态监测、故障机理研究、故障识别与专家系统、状态监测与故障诊断系统的实现等几个 方面睁7 】。 1 2 1 故障信息检测 故障信息检测是对机械设备实现状态监测与故障诊断的第一步，是故障论断工作的 重要基础，故障信息检测是对机械设备本身的工作参数、性能指标、相关物理量等信息 的信号进行检测和量化的技术。而传感器则是获取各种信息并将其转换成易测量和处理 的信号器件( 传感器输出的信号一般为电信号) ，是故障信息检测的关键和主要手段； 另外，故障信息的检测还有取样，采集等手段。 机械没备故障信息检测涉及的主要物理量有振动( 如位移、速度、加速度：机械阻 抗或声纳) 、声( 如声压、声台声功率) 、力( 如应力、载荷、力、力矩、扭矩、压力) 、 转动( 如转速、角位移) 以及温度流量等。取样检测是从设备运行有关的液体或固体 2 工程硕十学位论文 物质中提取一些样品，进行光谱、铁谱分析，获得设备磨损、泄漏等信息。探伤检测主 要是以超声、声发射、核子等技术对设备结构故障进行检测。对于以传感器为主的机械 设备故障信息检测。其相关被测信号的一般特点是噪声大、干扰背景强、动态变化和个 体差异大，加上受现场温度、灰尘、蒸汽等环境影响，因此要求检测传感器和仪表抗干 扰能力强，噪声小、动态特性好，尤其是在长期稳定性和可靠性方面要求高，同讨还要 容易维修和校准。 目前，故障信息检测技术已广泛应用于工业大型设备的运行状态监测。使用的传感 器主要有电涡流位移传感器、电磁式速度传感器、压电式加速度传感器、热电偶温度传 感器以及压力、流量等传感器。国内在传感器设计方面已趋成熟，也有小批量生产，但 同国外相比较，在传感器材料、加工生产工艺以及传感器可靠性，长期稳定性等方面尚 存在较大差距，与这些传感器配套使用的二次仪表的情况也是这样。 故障信息检测与传感器技术的发展趋向【8 1 1 9 1 0 堤：发展以高可靠性和长期稳定性为 代表的检测与传感器技术；发展固定植入式和介入式检测与传感技术；发展故障信息的 遥测技术；发展振动测量用光纤传感技术；发展声发射检测技术；传感器技术将继续是 状态测与故障诊断的一个重要研究内容。随着微电子技术光电技木和精密机械加工技 术与传统的传感技术相结合，传感器将向微型化、多参数、数字化、实用化发展，与之 配套的二次仪表也将向多功能、智能化方向发展，将导致集微传感器微处理器于一体 的智能前端微系统的问世和应用。 1 2 2 故障特征分析 故障特征分析的主要内容是信号分析和处理，即如何从传感器采集来的原始信号中 分析提取能代表故障特征的信息，这是故障诊断的核心问题，尤其是对声与振动信号的 分析处理技术对于机械设备的故障诊断起着十分重要的作用【1 3 1 。 提取故障特征有多种方法：常用的有时域分析法、频域分析法、旋转特征分析法、 相位分折法和时间序列分析法、模态分析法等【l4 1 。这些方法最适合于声与振动信号的分 析处理，目前已经发展成为现代故障诊断技术的主流。 以上信号处理方法都是基于被分析系统是线性的，但由于一切运动本质都是非线性 的，而目前人们对非线性系统的认识可以说是极其有限的，因此我们在实践中有时在线 性系统范围内无论是采用时域频域以及统计学的处理方法都难以完美地解释一个故障 现象。 1 2 3 状态监测方法 状态监测与故障诊断技术的现状状态监测与故障诊断技术以复杂系统和设备为研 究对象，以高新技术为依托，涉及各种工程技术系统设备及领域，已形成- i - j 既有理论 涟铡1 0 0 0 0 n m h 制氧机纽状态监删与故障诊断分析处理 又有方法，且工程应用性很强的跨学科，综合性的应用技术。 目前状态监测的理论和方法主要有基于模型的基于模型的状态监测，即对系统和设 备建立数学模型以及对所建模型中的参数进行估计，通过模型达到对系统和设备运行状 态进行监测的目的。当前常用的模型有：传递函数模型、状态空间模型、基于统计分析 的模型等。基于特征的状态监测，其核心是确定系统和设备的监测指数，也就是合理选 取能够反映系统和设备输出信号特征的测点，达到对系统和设备运行状态的监测。这种 方法主要通过a r 自回归模型和a r m _ a 自回归滑动模型来实现。 1 2 4 故障机理的研究 故障机理研究的目的是了解故障的形成和发展过程，掌握故障的内在本质及特征， 是故障诊断的理论基础。其研究方法是依赖于相关的基础学科，建立设备故障分析的物 理和数学模型，求出模型的解析解或近似解，进行仿真计算，从中总结出一般性的规律， 找出故障特征量。 1 2 5 故障识别与专家系统 对于设备故障来说，关键在于怎样去识别它。设备故障种类繁多，而且往往是以一 因多果、一果多因或多果多因。因此，如何掌握设备故障产生的原因和结果之间的联系 就是要进行故障识别的主要目的。 1 2 6 状态监测与故障诊断系统的实现 故障诊断是对获取特征信号进行分析判断，它离不开状态监测系统。 状态监测系统在功能上可分为数据采集和数据预处理两部分。数据采集包括接受下 位机传来的数据、完成信号的采集和初步处理等内容；状态数据预处理包括对接受进行 时域、频域变换和功率谱分析等，提取反映机组运行的状态特征，并将它们存人状态监 测数据库中，供诊断专家系统使用。 传感器布置状态监测包括对所需的状态点进行监测，含振动、温度等。故障诊断专 家系统，是由若干个相互联系又相互独立的模块组成的，通过由各模块执行具体的动作 来支持整个系统的功能。一般系统主要由知识库文件管理、知识库管理、数据库管理、 推理机，信号分析等组成， 1 3 课题产生的背景及意义 “九五”以来，涟钢不断加大对技改工程的投入，努力提升技术装备水平，固定资产 由2 0 0 1 年的4 9 亿元，增至2 0 0 4 年1 1 6 亿元( 尚有部分在建工程未计入) ，钢产量由2 0 0 1 4 丁程硕士学位论文 年的1 8 0 8 万吨提高n 2 0 0 5 年的4 2 0 万吨，实现了跨跃式的大发展，“十一五”期间，涟钢 将达到年产6 0 0 万吨钢的规模。目前，涟钢的主要设备包括： l 、两座4 2 ： l 焦炉；一座5 5 孔焦炉：一座6 0 孔焦炉。 2 、两座8 m 2 竖炉；两座4 0 m 2 烧结机：一座1 3 0 m 2 烧结机；一座1 8 0 m 2 烧结机；一座 2 8 0 m 2 烧结机。 3 ，现有六喳高炉，其a e 6 # 高炉有效容积为2 2 0 0 m 3 ；另5 座高炉中l # 高炉有效容积 4 5 0 m 3 ；2 社、5 群高炉有效容积均为3 8 0 m 3 ；3 # 、4 j 5 高炉有效容积均为3 2 3m 3 ：总有效容积 为4 0 5 6 m 3 。 4 、拥有1 座1 0 0 t 、2 座9 0 t 、1 座5 0 t 项底复吹转炉，l 座9 0 t 、i 座7 0 t l f 钢包精炼炉，3 座6 0 0 t 混铁炉，2 台弧形半径8 m 的6 机x 6 流、1 台弧形半径8 m 的4 机x 4 流高效连铸杌。 5 、半连轧生产线一条，装备1 7 架轧机。 6 、一条平立交替布置的全连轧生产线，装备2 0 架轧机。 7 、热轧窄带钢生产线一条：一架大立辊除鳞机，一架0 5 3 0 初轧机，二架立辊与四 架平辊组成中轧机组和二架立辊与六架四辊轧机组成精轧机组，共十四架轧机。 8 、往复跟踪式轧制生产线一条，装备8 架轧机。 9 、薄板坯连铸连轧生产线一条，采用s m s 紧凑式带钢生产专利技术( g 口c s v 技术) ； 主要包括3 座11 0 t l f 钢包精炼炉，2 台薄板坯连铸机，2 座辊底式加热炉、7 架精轧机、轧 后冷却、卷取机和钢卷输出系统。 1 0 、冷轧设备生产线一条，包括：酸轧机组、热镀锌机组、平整机组、罩式炉机组、 磨辊间设备、重卷机组、彩涂机组等设备。 1 1 ，2 1 0 0 0 n m 3 h 、1 6 0 0 0 n m 3 h 、1 0 0 0 0 n m 3 h 、5 0 0 0 n m 3 l a 制氧机组各l 套，1 5 0 0 n m 3 1 1 制氧机组2 套，1 8 0 0 0 n m 3 h 、1 5 0 0 0 n m 3 h 、1 0 0 0 0 n m 3 h 、8 0 0 0 n m 3 h 氮压机组各1 套。 1 2 、自备电厂拥有2 5 m w 煤气汽轮发电机组1 套、7 0 0 0 k w 煤气n 盯发电机组l 套、 6 0 0 0 k w 汽轮发电机组2 套、在建2 5 m w 煤气燃汽式发电机组1 套。 从2 0 0 2 年开始、涟源钢铁集团公司( 以下简称涟钢) 的设备现代化进程大跨步前 进，2 5 t 系n 4 , 转炉被3 座9 0 t 大转炉替代，1 3 0 m 2 、1 8 0 m 2 烧结机先后建成投产，2 8 0 m 2 烧结机、2 0 0 万吨超薄板工程也将开工兴建，2 2 0 0 m 3 高炉计划在2 0 0 3 年1 0 月投产， 2 1 0 0 0 n m 3 h 的制氧机组及其配套工程也将相继投产，随着涟钢设备的大型化与现代化， 传统的计划检修方式已不能满足涟钢当时及将来的设备管理要求。结合计划检修，逐步 加大预知维修比重，最终实现以预知维修为主将是涟钢设备管理的发展方向。 目前，涟钢股份公司是使用振动监测仪表对机械设备进行定期或在线测量，对设备 进行离线监测与故障诊断。振动监测仪表存在功能简单、不具备分析功能等缺点。而离 线监测与故障诊断不能连续采集数据，有用的突变信号往往不能及时捕捉或遗失，缺乏 实时性和全面性，故障判断不确定性因数增多，从而过多地依赖设备维护者的经验，导 涟铡1 0 0 0 0 n m 3 h 制钒机组状态髓测与故障诊断分析处理 致决策风险加大。所以有必要采用在线状态监测系统对机械设备运行状态进行实时监测 和故障分析，获取机械设备的实时运行状态数据，再根据设备运行状态的特征值确定设 备是否有故障及故障的部位和可能的原因，对设备维护有积极的参考作用。根据故障设 备的振动特征值趋势可以决定设备是否需要维修，防止设备高危状态运行及突发事故的 发生，有利于设备的安全运行，更有利于生产的组织调度。 设备监测与故障诊断技术是预知维修的基础，通过检测分析，能有效判别设备故障 类型，结合被诊断设备结构特点及故障机理，可找出故障原因与故障发生部位，指导检 修并实麓改良，能快速有效处理故障并防止或减少设备故障的发生。关键旋转设备及主 供电电缆隧道是涟钢生产的核心设备设篪，其运行状态与维护效果对生产和经营至关重 要，必须确保其安全、高效运行。根据上海宝山钢铁公司、武汉钢铁公司的实践经验， 采用设备在线状态监测及故障诊断技术是最为行之有效的办法，涟钢也是国内较早开展 设备监测与故障诊断的企业之一，设备故障诊断技术的运用己积累了非常丰富的经验， 并已具备了实施在线状态监测应用的技术基础与良好氛围。为进一步满足生产需要，提 高涟钢的设备管理水平，因此需建立设备状态在线监测与故障诊断系统。随着信息化建 设在涟钢的发展，涟钢的企业信息网络光纤己遍布各机房及办公室。为设备状态在线监 测与故障诊断系统网络化奠定了基础。 涟钢是国内较早开展设备故障诊断的企业，设备故障诊断技术的运用已积累了非常 丰富的经验，具备了实旌在线状态监测应用的技术基础与良好氛围。 1 0 0 0 0 n m 3 h 制氧机组设备是涟钢制氧厂的重要设备系统，其运行状态的好坏、停 机时间的长短、突发事故及非计划检修、检修方案及效果对公司生产有着极大的影响， 在许多兄弟单位，因其故障导致生产灾难性事故的例子屡见不鲜，1 9 9 6 年涟钢曾发生过 d h s 0 空压机断轴事故，更新后的d h 8 0 空压机虽然经过公司多年来的精心维护， 1 0 0 0 0 n m 3 h 制氧机组设备未再出现因故障而导致的非常重大的生产影响，但因缺乏有 效的数据采集及故障诊断方法，在几次大的故障判断决策中，存在较大的不确定性，使 公司承担了巨大的决策风险，针对1 0 0 0 0 n m 3 t l 制氧机组设备实施预知维修，具有重要的 意义。因此，将涟钢1 0 0 0 0 n m 3 h 氧机组纳入建立的涟钢设备在线监测与故障诊断网络 系统，对其进行快速合理的故障诊断，以1 0 0 0 0 n m 3 h 制氧机组为研究基础，再在涟钢 其他关键旋转设备中进行推广运用，具有非常重要的意义。 6 t 程硕十学位论文 第2 章系统的结构方案设计 2 1 系统方案的基本原则与要求 2 i 1 方案设计的基本原则 根据涟钢实际设备及现场条件，对设备状态监测与故障诊断的方案进行设计，应具 体考虑到如下一些基本原则： 充分利用现有检测设备、仪器仪表和网络系统； 基于现有的点检管理模式和组织；机构，人员不做大的调整； 利用当前成熟可靠的监测、分析等状态检修技术； 通过数据分析、状态评估和故障诊断部分的功能，融入人工诊断经验，专家系统分析 得出结论，向技术管理层提供有效的建议和意见； 往重效果、注重投入产出比； 建立密切实际的、切实有效的先进监测和检修方法及体制； 采取总体规划、逐步展开，不断调整完善的实施步骤。 2 1 2 系统功能要求 设备状态监测与故障诊断系统通过从传感器采集来的原始信号进行分析，提取能代 表故障特征，进行异常分析，得出诊断结果。因此系统不仅应有自动分析报警等功能， 还要求对数据进行存储管理等：同时，为便于管理和实现信息共享，故障诊断系统应具 有网络通讯功能，并且各子系统之间能相互通信【s - 9 1 。 系统软件方面，同类监测系统使用统一的界面风格，统一的数据库表结构，统一的 具体功能要求，统一的数据存储要求，统一与e a m 、e r p 系统接口，甚至共用同一个 w e b 应用。同时系统必需达到与e a m 系统的接口不得对e a m 系统及e r p 系统的安全 性产生影响这一基本要求。 从管理及其安全的角度考虑，系统统一使用一个用户登陆界面，统一进行用户权限 管理。用户权限分两类，一类是对于子系统的权限；另一类是对子系统的具体功能权限， 此权限与功能模块一一对应，用户只能访问或操作已授权的模块。 2 1 3 系统的性能要求 系统的性能要求可从以下几个方面来考虑： i 、系统的准确性和稳定性 迸钢1 0 0 0 0 n m h 制钒机组状志监删与故障侩断仆忻处理 系统处理的准确性和系统运行的稳定性是系统的基本性能要求。在系统开发过程 中，必须采用可靠的方法保证系统，特别是信号采集及分析算法的准确性和稳定性。 2 、系统的开放性及可扩展性 在系统的开发过程中，应该充分考虑以后的可扩展性，即要求系统提供足够的手段 进行功能的调整和扩展。为实现这一点，应通过系统的开放性来完成。该系统应是一个 开放系统，只要符合一定的规范，可以按照引导加入和减少系统的模块，配置系统的硬 件。通过软件的修补、替换完成系统的升级和更新换代。 3 、系统易操作性和可维护性 要求系统能够提供良好的用户接口，方便的人机交互界面。要实现这一点，就要求 系统应该尽量使用用户熟悉的术语和中文信息的晃面；针对用户可能出现的使用问题， 应提供足够的在线帮助，缩短用户对系统熟悉的过程。 系统涉及到的监测数据特别是故障运行数据是相当重要的信息，系统须提供方便的 手段供系统维护人员进行数据的备份，日常的安全管理，系统意外崩溃时数据的恢复等 工作。 4 、系统的标准性 系统在设计开发使用过程中都要涉及到很多计算机硬件、软件。所有这些都要符合 国际、国家和行业标准。例如在开发中使用的操作系统、网络系统、开发工具都必须符 合通用标准。如规范的数据库操纵界面、作为业界标准的t c p i p 网络协议及相应的软 件质量规范等；同时，在自主开发本系统时，要进行良好的设计工作，制订有效的软件 工程规范，保证代码的易读性、可操作性和可移植性。 5 、系统的先进性 目前软硬技术发展很快，设备监测网络系统工程，应在系统的生命周期尽量做到系 统的先进，充分完成设备状态监测和故障分析的要求。一方面通过系统的开放性和可扩 充性，不断改善系统的功能完成；另一方面，在系统设计和开发的过程中，应在考虑成 本的基础上尽量采用当前具有先进性及有良好发展前景的产品。 6 、系统的响应速度和安全性 在w e b 网络应用中响应速度是很重要的需求，要求提供很好的网页访问速度，除 了某些复杂分析功能及大量数据统计外，访问的速度要求为秒级，达到实时要求，及时 反馈信息。保证操作人员不会因为速度问题而影响其对设备运行信息的查看和分析。在 网络传输过程中某些敏感数据需加密，保证系统的安全性。 监测工作站、内部网各用户终端、监测用数据服务器及外网计算机与w e b 服务器 连接时，中间均通过硬件防火墙，以避免系统被攻击。 s t 程硕士学位论文 2 2 系统网络结构方案 故障监测系统8 1 的大致经历了监测仪器、单机版监测系统，小型网络版( c s 架构) 、 大型网络版( b s 架构) 这四个阶段。其中后两种构架在现在应用比较广泛。 2 2 1c s 构架 小型网络版( c s 架构) ( 需补充) 是指由一台主机充当监测系统的服务器，通过 网络协议与多台计算机控制的监测仪器进行通讯，协同完成监测任务。同时，用户控制 的计算机充当客户端，与服务器进行通讯，完成监测业务中的查询、控制等操作。c s 架构在使用方便性和功能上也出现了很多不足，如无法远程操作，无法进行大规模的互 联。一般每台计算机可以控制的监测设备数量有限，不能满足日益发展的监测业务的需 要。采用网络版本的监测系统带来的一个直接的优点是在个监测系统中可以同时控制 多台监测前端系统。但存在的不足是一般系统的体系架构都是c s ( c l i e n t s e r v e r ) 架 构，系统的规模有限且不易扩充，一般可以控制的前端监测设备数目在几个到十几个之 间，可以同时支持的客户端数日也极为有限，数日太多就会遇到性能上的局限。 2 2 2b s 构架 大型网络版( b s 架构) 监测系统b s ( b r o w s e r - 一s e r v e r ) 架构的监测网系统是现在 监测网系统发展的终极形态，这种架构的监测网系统借鉴了成熟的四层体系设计特点， 将中心服务器再次细分为w e b 服务器、应用服务器、数据库服务器等，每个服务器负 责相应的功能；对前端设备的调度使用应用服务器完成：对客户端请求的支持使用w e b 服务器完成；由于在通讯上采用h t t p 协议，并采用了成熟的w e b 服务器和中间件软件， 使得系统的性能和稳定性大大提升，在实际应用中，采用b s 架构的监测网系统可以同 时控制几百个监测前端，并支持上百个客户端的并发连接。这样的性能是使用c s 架构 的系统无法达到的【1 0 。l l j 。 2 2 3 网络方案的选择 涟钢是一个大的企业，设备较多，同时也基于i n t e m e t & i n t r a n e t 的w e b 服务技术 目前非常成熟，涟钢在线状态监测与分析系统中数据分析和查询功能宜采用b s ( 洳j 览器 朋务器) 工作模式，这样用户可通过企业局域网使用浏览器直接访问w 曲服务器获得设 备的运行状态和趋势。当较远的工程现场出现故障时，工程师可远程进行监测诊断，查 看故障的发生原因，有利于迅速及时解决问题。提高工作效率；同时数据w e b 共享有 9 涟制1 0 0 0 0 n t o3 h 制氧机组状态舱删上了故障诊断分析处理 利于管理部门对设备运行的管理和监督，其与e a m ( 设备管理系统) 系统兼容，为e a m 系统提供重要数据的接口。 2 3 数据的采集方案 监测工作站通过各种传感器将不同类型的设备实时运行信息进行信号调理后，采集 到工作站中。选择了合适的传感器后，工作站的设计主要体现在数据采集系统的选择上。 传感器分为多种类型，本项目的传感器主要为振动传感器。它主要分为位移型电涡 流式传感器，速度型传感器与加速度型传感器等，应根据要求、经济性等方面综合考虑， 选择合适的传感器。 现在流行的数据采集卡一般是p c i 数据采集卡，其优点是可以利用p c i 总线的研究 成果快速的开发系统软件，而且速度快，能够实现实时采集实时处理，因此，基于p c i 总线的设计采集卡仍是数据采集系统的主流。但是在某些场合使用基于p c i 总线的数据 采集卡却不合适，比如在一些工业测控现场监测运行速度较慢的大型设备，使用基于 p c i 总线的数据采集卡有如下缺点：性价比低，高速数据采集的特点没有发挥出来；现 场布线困难，一般从现场到机房有一定距离，模拟信号传送到安装在p c 机内的p c i 数 据采集卡的过程中会有不同程度的衰减。 基于c o l d f i r e 硬件平台和u c l i n u x 嵌入式操作系统的嵌入式数据采集系统就能够很 好的解决这个问题。嵌入式数据采集系统作为整个采集系统的前端，在现场边采集数据， 采集完成后将数据从网络发送给上位机( p c 机) ，避免了模拟信号从现场传递到上位机 的过程中的衰减，并大大地简化了现场的布线难度，使数据采集系统更加精准可靠。 2 4 总体结构方案的确定 结合网络设计方案和工作站的设计方案，综合考虑管理等其他方面的因素，监测网 络系统，是一个开放的多层分布式系统，采用b s ( 浏览器服务器) 工作模式，所有设各 监测、分析、诊断的数据都储存在中心数据库服务器上，各分散的系统通过网络把自己 的监测数据实时的传给数据库服务器，用户使用本系统只需通过中心数据库服务器，运 用w w w 主页进行管理。用户可在企业任何地方登陆内部网，输入本系统主页的i p 地 址。通过主页访问w w w 服务器，远程监测可由i n t e r n e t 通过防火墙进行连接。 系统按监测系统分类对各类系统的功能和数据规系统接口提供重要数据，并预留对 其它系统的接口。同时本系统是基于i n t e r n 范进行统一规划，组成一个集中管理的网站。 按监测系统分类统一向e a m 、e r p e t 的远程在线监测与诊断系统。网络管理和现场的设 备监测系统采用基于i n t e r n e t 的连接，客户端不需要进行任何安装，这使得系统具有很 _ 程硕士学位论文 强的开放型和扩展性。同时系统有严密的用户认证，具有很好的安全性1 2 彤】。其结构示 意图如图2 1 ： 图2 1 设备监测网络系统拓扑图 监测工作站负责定时搜集设备实时运行状态，通过各种传感器将不同类型的设备实 时运行信息进行信号调理后，采集到工作站中。工作站提供短时监控报警和实时分析功 能并存贮实时数据，并由工作站将数据以一定规则定时发送给设备监测网络系统服务 器。设备监测网络系统应具备实时监控，数据分析，故障诊断、故障追溯等系统功能。 设备监测网络系统负责将监测工作站传入的数据经过抽取、压缩，形成可以作为诊 断源的特定数掘格式，以特定的方式存储到相应的数据库中。利用这些实时测量的数据， 通过各种诊断方法，系统可以为相关人员提供实时的设备运行状况报告趋势分析。 公司各级用户都可通过设备监测网络系统统一授权访问。设备监测网络系统的特征 数据按不同监测系统分类通过e a m 、e r p 系统接口，按e a m 、e r p 系统规则进行特征 数据处理及传输。 2 5 系统方案设计的特点 上系统方案设计的特点可总结如下几点： l 、运用网络技术实现监测数据共享与远程监测与采集控制； 2 、设备状态监测以振动监测为主，结合温度等工控状态参数； 涟俐1 0 0 0 0 n m h 制氧机组状态监删与故障诊断分析处理 3 、 4 、 5 、 6 、 采用嵌入式数据采集系统，便于控制与减少信号干扰、简便安装； 浏览访问w e b 服务器通过防火墙，以保证系统安全； 通过监测专用数据服务器与涟钢公司e a m 、e r p 系统接口： 开放式系统可不断完善设备故障模型。 1 2 t 程硕士学位论文 第3 章故障诊断系统的硬件系统设计 本系统将采用现代化的设备和信息技术对涟钢制氧机组的振动和相关工艺参数进 行监测，通过科学的分析手段，监测机械设备的运行状态及对