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凉水塔风机网络化在线监测与故障诊断系统研究

0  引 言
在石油化工生产中,循环水温度对装置运行的稳定性及负荷的高低有着很大的影响,而凉水塔风机是控制循环水冷却的关键设备,其运行正常与否直接影响石化企业的经济效益。长期以来,由于运行环境恶劣、监测和维护手段不完善,风机不断地出现减速器断齿、轴承烧毁、传动轴弯曲、联轴器膜片损坏、甚至叶片断裂等故障。为此,企业迫切需要开发风机在线监测与故障诊断系统,以实现对风机的自动监测和综合保护。本文拟从软硬件结构、网络体系、功能及特点等方面对系统进行研究,并介绍该系统的实际应用。

1  系统总体结构
111  监测信号的选取
反映风机运行状态的物理量, 包括振动(位移、速度、加速度) 、转速、相位等动态参数,以及温度、油位、电流、功率等工艺参数。风机在出厂时普遍配置了监测减速器油温的热电偶和监测电机电流的互感器, 个别的还增设了以三参数组合探头为主体的监控系统, 但都存在监控参数不完善、监控未必及时有效的问题。单纯温度和电流的监控具有一定的滞后性, 即故障的产生、发展直至产生破坏可能在几秒钟之内完成;而状态变化引起温度的变化至少在数十秒以上,且状态变化不一定会引起电流的变化。以三参数组合探头为主体的系统, 其三参数为油温、油位和壳体振动, 油温和油位的监测是必须的; 减速器壳体振动的监测比单纯工艺参数的监测进了一步, 但也存在三方面的问题:凉水塔风机网络化在线监测与故障诊断系统研究
a1 减速器有两级齿轮传动, 只监测壳体振动难于分辨故障位置, 尤其是输出轴端与叶片有关的故障;
b1 风机是旋转机械, 振源和故障源是旋转部件, 壳体振动的测量对于反映故障只是间接的途径;
c1 组合探头拾取壳体振动信号后, 经过变送器输出到监控器的只是一个通频振动的幅值, 对监视状态变化趋势有一定的作用, 但不能满足诊断复杂故障的需要。因此, 比较理论的监测方案应是选择轴振为动态信号、电流及油温和油位为静态信号的综合监测。但是, 减速器输入轴受中间传动轴的影响, 自身回转精度较差, 且没有足够的空间安装监测轴振的电涡流传感器。基于上述考虑, 选择减速器齿轮箱输出轴的轴振和输入轴轴承座部位的壳体振动作为在线监测的振动信号; 同时测量润滑油温度、油位和电机电流作为在线监测的工艺信号。其中, 轴振采用2 个非接触式电涡流传感器、在输出轴同一截面上互成90°方向进行测量, 壳体振动采用2 个压电式加速度传感器测量。此外, 在输入轴上测量转速, 输出轴转速可以通过传动比计算得到:风机在正常运行下转速波动很小, 转速测量更重要的是起鉴相基准以获取相位信息的作用; 相位信息对于当前一些较新的诊断理论和分析方法是必不可少的[1 ] 。
这样, 每台风机有2 路轴振、2 路壳振、1路转速兼相位、1 路温度、1 路油位、1 路电流,计8 通道信号。用于循环水冷却的风机一般为多台构成一个机组群, 则整个系统的规模视机组群数目而定。
112  系统结构
风机网络化在线监测与故障诊断系统是一个基于微机的多级主从分布式系统,也是一个网络环境下集动态数据采集、实时监测与报警、在线分析与诊断为一体的多任务信息处理系统[2~3 ] 。根据各部分在物理联接和功能上的不同,可将系统分为4 个层次:现场测试层、数据传输层、状态监控层、决策管理层。系统总体结构如图1 所示。

 从安装在每台风机上的传感器拾取信号并经前置放大、到信号调理器对信号进行低通滤波及归一化处理、最后由数据采集器进行数据采集存储和通讯传输, 组成系统的现场测试层(又称现场采集层) ; 从数据采集器出来的数字信号经集线器、光纤收发器、光缆、屏蔽电缆等硬件传输到现场附近的监控室和远端厂办公楼的诊断室,为数据传输层; 监控室为状态监控层, 监测微机24 小时不间断运行监测软件, 监视风机的振动量与工艺量变化; 诊断室的服务器和诊断微机构成系统的决策管理层, 通过对风机信号的分析诊断决定风机是继续运行还是停车修检, 并且提供诊断结论和维修建议。
2  网络结构
设备故障诊断已经从单机监测发展到对机组群的监测乃至对整个企业大量关键设备的监测,在此基础上许多企业已经建立了企业级的监测诊断局域网[4~5 ] 。风机在线监测与故障诊断系统设计成网络化体系结构, 以适合对机组群的在线监测诊断, 同时, 能够通过企业局域网与行业性、区域性的远程诊断中心相连, 实现基于Internet的设备远程监测与诊断。风机机组群监测诊断局域网的核心功能是快
速准确地传输实时监测数据, 保障网络各节点之间稳定的双工通讯, 以及提供良好的网络扩展功能。网络包含3 个节点: 凉水塔塔顶、现场监控室和厂办公楼诊断室, 根据实际需要可以增加多个监测客户端, 形成多节点网络。局域网采用星形拓朴结构(如图2 所示) , 这种结构具有便于集中控制、易于维护、方便扩展等优点。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  软件功能及实现
在风机监测诊断系统4 个层次(现场测试层、数据传输层、状态监控层、决策管理层)中, 后二层是主要由监控软件和诊断软件构成的软件系统, 软件系统采用高度模块化设计。
311  状态监控层软件
该层软件主要包括: 系统组态、数据通讯、在线监测和趋势分析4 个模块。系统组态模块的主要功能是对系统进行初始化, 设置各级阈值和各类参数。数据通讯模块是网络化系统的核心模块, 主要负责数据的读取、数据库的刷新、相应数据的存储和参数超限情况下的处理, 其工作流程如图3 所示。
在线监测模块提供简图、棒图、时域波形、时—频图、轴心轨迹、幅值谱、相位谱、功率谱、倒谱、包络谱等多种形式的监测信息, 并实时刷新。趋势分析模块的功能是对振动量和工艺量在给定时间段内进行趋势描绘, 并生成各种报表,其中振动信息既包含通频幅值和相位, 又包含工频及其分频、倍频及高频的幅值和相位。
312  决策管理层软件
在决策管理层,利用神经网络、小波技术等先进的分析诊断方法,判断机组是否存在故障,当存在故障时,判断故障的类型、位置和程度,并对故障发展进行初步预测,为生产过程的控制和决策提供科学依据,为维修提供指导意见和合理建议[6] 。
4  系统特点
411  监测信息的完备性
保留了三参数组合探头的油温和油位测量,将单纯壳振幅值测量改为更能直接反映机组运行状态和能够进行复杂故障诊断的轴振和壳振动态信号的监测, 配置了鉴相探头, 增加了相位分析功能。当前国内的在线监测系统很少配置鉴相探头, 导致振动信号的幅值、频率和相位三大要素缺少相位信息。
412  结构体系的开放性
网络各节点处可以很方便地增加监测终端,使系统便于扩展; 支持基于Internet 的远程监测与诊断, 是系统具有跨地域的、多方参与的、更强大更开放的诊断功能。
5  结束语
本文研究的系统已在现场稳定运行, 采样信号真实可信。系统的投运不仅将24h 巡检工人解脱出来, 而且多次避免了设备事故, 其经济效益和社会效益都比较显著。

凉水塔风机网络化在线监测与故障诊断系统研究

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