設備狀態監測系統與故障診斷技術應用

摘要：電機是當今生產活動和日常生活中最主要的原動力和驅動裝置,它廣泛地應用于現代工業生產中,它們數量之多,地位之重要,幾乎沒有其他設備所能與之相比。電機在運行過程中,難免會出現這樣那樣的故障,假如一條生產線上的主要電機故障,必將造成生產線停工,甚至會影響整個大生產系統的工藝流程。通過使用先進的技術手段對設備狀態參數監測和分析,判斷設備是否存在異常或故障,故障的部位和原因以及故障的劣化趨勢,以確定合理的檢修時間和方案。

關鍵詞：設備狀態監測；振動；故障診斷

為了保證重點設備在運行時的工作狀態，在設備運行時實現在線監測，出現缺陷時能及時預警、報警，診斷運行狀態，能被維護人員使用和操作，更好的為設備的安全運行提供服務。現代化設備管理維修模式正朝預知狀態維修為主、多種維修方式并存的模式轉變。針對關鍵設備，往往采取以預知狀態維修和周期性維修結合的方式，以期防止設備的重大故障發生、避免設備的欠維修與過維修。狀態維修的基礎是把握設備狀態，根據狀態結果決定設備維修時間、維修內容、維修人員投入及備件的投入等，這一切必須要有較完善的設備在線集中監控系統來保證。通過在線監測系統的實施，可以達到以下目的：將測振和視頻集成在統一的設備管理平臺，掌握重要設備的壽命趨勢。

一、設備狀態監測系統與故障診斷介紹

1.

狀態監測與故障診斷

通俗地說，狀態監測就是給機器體檢，故障診斷就是給機器看病。首先對機器的狀態進行監測，例如先看振動值，再進行頻譜、波形、軸心軌跡、趨勢、波德圖等各種檢測分析，然后結合設備的原理、結構、歷史狀況等，利用專業人員的知識及經驗，對故障進行綜合分析判斷。通常把設備在運行中所發生的狀態異常、缺陷、性能劣化、以及事故前期的狀態統稱為故障，有時也把事故直接歸為

故障。狀態監測是指在設備運行中和不拆卸的情況下，利用現代檢測與分析儀器，測取設備狀態信號，并對所測信號進行處理、分析，提取能反映設備狀態的特征信息，識別設備當前是處于正常、異常還是故障狀態，以及預測未來狀態。故障診斷是指在狀態監測的基礎上，結合設備的原理與結構以及制造、安裝、檢修、運行的記錄數據，利用領域專家及專業人員的知識和經驗，進行綜合分析判斷，從而確定故障的性質、類型、部位、程度，分析產生故障的原因，提出合理的運行和維修建議。

2、酒鋼集團煉鐵廠燒結區域設備在線監測系統架構

架構包括數據采集、數據處理、數據存儲利用、軟件技術架構、B/S架構、事務處理邏輯、維護和升級方式、數據庫層、業務邏輯層、表現層多個方面。

3、狀態監測與故障診斷的功能

狀態監測與故障診斷應具備以下功能：

①在不拆卸設備的條件下，能夠定量地檢測和評價設備各部分的運動、受力、缺陷、性能惡化和故障狀態，以便隨時掌握設備的實際運行狀況；

②能夠及時發現設備故障的早期征兆，以便采取相應的措施，減緩、減少、避免重大事故的發生；

振動速度值mm/s2.441.382.352.380.94振動位移值mm0.0730.0400.0700.0700.031

③能夠確定故障的類型、程度、部位及發展趨勢，估價設備的可靠性程度，振動速度值mm/s2.441.382.352.380.94振動位移值mm0.0730.0400.0700.0700.031以便合理地確定運行時間及維修項目；

④一旦發生故障，能自動紀錄下故障過程的完整信息，以便事后進行故障原因分析，避免同類事故再次發生；

⑤能夠確定故障來源，提出整改措施，以便改進設計、制造、運行、維修水平，提高設備的工作性能以及安全可靠性。

二、設備狀態維修管理的應用

2.1、對煉鐵廠一燒3#抽煙機電機水平振動在線監測數據進行分析、驗證。

2.1.1、3#抽煙機振動檢測數據（見下表1）

振動測試數據表

測點

電機自由端水平

電機自由端垂直

電機聯軸端水平

電機聯軸端垂直

風機聯軸端水平

0.631.410.710.0210.0490.022

風機聯軸端垂直0.631.410.710.0210.0490.022

風機自由端水平

風機自由端垂直

表1

2.1.2、故障診斷分析

頻譜圖顯示了各振動分量的頻率及其振幅值。

從表1各測點振動值中可以看出風機負荷端和非負荷端振動都較小，而電機振動偏大，結合振動趨勢圖分析，振動趨勢平穩并在標準范圍之內。

1、對電機負荷端水平方向振動速度波形圖、頻譜圖及趨勢圖進行分析，見下圖

電機負荷端水平方向振動速度

2、對電機非負荷端水平方向振動速度波形圖、頻譜圖及趨勢圖進行分析，見下圖

電機非負荷端水平方向振動速度

通過電機兩端軸承水平方向振動速度波形圖、頻譜圖及趨勢圖分析，振動頻率主要為轉速頻率16.25Hz（即998rpm/60s），且振動平穩，引起振動的主要原因有兩種可能：一是基礎剛度不足，二是電機轉子存在質量不平衡。

分析結論：風機振動較小，運行正常；電機振動稍大，趨勢平穩，運行基本正常，可繼續運行，電機振動雖然偏大，但仍在標準范圍之內，且運行平穩，可繼續運行，在檢修時可首先檢查電機基礎四個地腳振動是否均勻，如果基礎沒有發現問題，可考慮對電機轉子進行動平衡校正。

現場驗證結果：根據分析結論，現場計劃開展同心度檢測和電機轉子動平衡檢測。

同心度驗證：經現場驗證，聯軸器同心度檢測因1#燒結機生產，主抽風機串煙，無法進行風葉盤車操作，聯軸器同心度檢測未；

電機轉子動平衡驗證：打瓦檢查，未發現有研磨痕跡，軸瓦狀況良好；拆除聯軸器接手后空試電機，電機水平振動位移值0.04mm,判斷電機轉子動平衡存在問題，是電機水平振動值高的主要原因，因目前電機運行狀況趨勢平穩，電機可以繼續使用，設備狀況能夠滿足生產工藝要求，對電機轉子的隱患計劃后期安排計劃更換電機或電機轉子動平衡找平后重新回裝電機，消除隱患。

通過上述在線監測頻譜圖、趨勢圖分析認為電機振動大的可能影響因素為檢查電機基礎四個地腳剛性不足和電機轉子動平衡不好兩個因素。

4、3#抽煙機通過前期的分析，第二次處理實際處理和驗證過程如下：

拆除聯軸器接手后空試電機，電機水平振動位移值0.04mm,初始判斷電機轉子動平衡存在問題，但因不具備電機轉子動平衡試驗所需的時間，第一次采取了對聯軸器角度進行了調整，調整后效果不理想，電機負荷端垂直振動由0.072mm上升至0.09mm。

第二次采取了將聯軸器角度恢復到初始位置，恢復后，電機負荷端振動運行過程中繼續上升，最高上升至0.13mm,檢查發現電機負荷端南側底座處原墊鐵（硅鋼片）松動，可直接用手拉出，臨時加工1塊斜鐵在原位置在線打入后，電機水平振動最高0.075mm,垂直振動最高0.08mm,效果顯著，因考慮到采取的是臨時措施，未對斜鐵進行點焊固定，10日后，電機垂直振動逐步上升，但敲擊斜鐵，振動立刻由0.11mm下降至0.8mm左右，此時判斷電機剛性不足，底座未墊實。

第三次采取了拆除斜鐵，墊硅鋼片（6層硅鋼片）的方法墊實了底座，經激光對中儀同心度檢測電機同心度較好，電機不存在不正的問題，開機后垂直振動上升至0.13mm,采用斜鐵調整后，垂直振動穩定在0.05mm以下，但負荷端水平振動上升至0.11mm。

分析：通過幾次調整，均取得了一定的效果，電機振動部分有下降，分析認為底座未墊實，剛性不足是振動偏高的主要原因，目前垂直振動下降明顯，水平振動偏高，后期計劃查找底座未墊實點進行處理，觀測水平振動趨勢。

2.1.3依據燒結設備狀態監測系統跟蹤3#抽煙機風機電機、風機運行狀態。3#抽煙機風機電機轉子動平衡試驗和處理后，次月電機振動在0.04mm-0.075mm范圍內，電機振動趨勢正常，風機振動波動較大,趨勢圖如下：

電機振動趨勢圖

風機振動趨勢圖

分析：根據振動趨勢圖和現場實際運行狀況，風機振動波動較大，主要原因為風機動平衡異常，計劃在燒結2#燒結機定修期間對風機動平衡進行處理。判斷故障所形成的危害程度，對確定是否需要立即停車、能否維持運行、是否需要減負荷運行有著決定性的指導作用。

三、狀態監測和故障診斷

在判斷故障程度時，要仔細比較故障前后的有關數據、圖譜，然后參照有關規范、規定及設備的歷史情況加以綜合判斷。其中，既要考慮現在的數值，更要考慮與原正常值相比的變化倍數，關鍵看當前數值有無繼續上升的趨勢。

為防止突發性事故,現代生產部門都采用以安全為主要目的的在線監測系統。由于計算機與檢測技術的結合,新的、功能完善的綜合在線監測系統在進行在線監測的同時,還具備趨勢分析、故障診斷的功能,為實現預測維修提供了有效的技術手段。本文對在線監測系統進行了初步研究和設計,分析如下。

系統的總體框架

電機除了具有機械問題外,還有電氣、絕緣等問題,比一般的機械設備復雜,所以電機的在線監測系統比一般的機械設備復雜,具有自身的特點:

(1)綜合的多參數監測系統。因引起電機故障的原因很多,需要對很多運行參數如電壓、電流、轉速等進行監測,所以監測系統必須采用多種檢測技術來實現。

(2)自動監測功能。監測系統能連續地、自動地進行監測,從安裝在電機的傳感器上不斷獲取狀態信息,將測量值與設定值比較,確定電機狀態是否正常,監測系統具有按硬件和軟件規定的程序實現自動信號監測、記錄和報警的功能。

(3)診斷功能。監測系統配置了數據庫和分析軟件,可對電機或機組的狀態信號進行各種處理和分析,并對故障進行診斷。

(4)人工智能化。計算機是監測系統中控制、信號處理和診斷的核心,它操作方便、顯示和記錄更及時、更詳細。人工智能技術應用于監測系統,更增強了監測系統的功能,使其更準確。

四、分析總結

根據現場實際，重點設備處部署振動及溫度傳感器，能有效監控設備運行狀態，減輕點檢人員工作量，有效掌握重點設備的運行狀態。

設備是現代企業進行生產活動的物質技術基礎，設備狀態管理是設備管理的重要組成部分。煉鐵廠燒結區域2017年搭建設備狀態系統管理平臺，通過實踐

證明先進的生產工藝和設備只有依靠先進的管理理念、狀態監測系統，通過建立規范高效的設備管理