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数据采集器与离线监测诊断系统

     企业管理的现代化必然要以设备的现代化作为其重要组成部分,而机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要的地位,为了做到对设备的预防维修,从设备维修的角度,首先必须建立起与设备有关的状态监测与诊断技术体系,即必须根据被诊断的对象设备自身的重要性选定相应的监测方法和仪器设备。这有多种配置,其中用于现场的数据采集器,并配有数据处理、分析和诊断的计算机系统在我国已经开展状态监测与故障诊断工作的工厂企业中约占70%以上,离线监测与诊断系统似乎是企业刚开展状态监测与故障诊断工作的切入点,这是因为数据采集器小巧便携、操作简便,不仅可以记录特征量值,而且可以记录时间波形和进行频谱分析,集测量表、磁带机和频谱分析仪的多项功能于一体;而计算机端的分析软件则可完成数据库建立,巡检路径组态,并可针对各个不同设备进行分析诊断和趋势预报。

一、离线监测与诊断系统的结构特点
    离线诊断是故障诊断中的一种类型或一种工作模式,对设备运行状态是定期地进行一次监测与诊断。从表面上看,“离线”与“在线”仅是工作方式的不同,但正是由于这种工作方式的区别,决定了应用场合和服务对象以及所采用技术的复杂程度的不同,从而形成了离线监测与诊断系统与在线系统在结构特点上有较大的差异,其次在分析功能上也存在一定差异。
    离线监测与诊断系统的工作方式通常是先在实验室或计算机房通过计算机对数据采集器进行巡检路径组态设置,然后单独将数据采集器带到现场进行数据采集、存贮。待数据采集完毕后,再将数据采集器带回实验室与计算机联机,然后将数据采集器中的数据上载到计算机并存入数据库中进行集中管理和分析、处理。
总体上讲,离线监测与诊断系统相对在线系统而言要简单的多,其系统基本构成如图.1所示,离线系统由传感器、动态数据采集器和微型计算机(包括监测、通讯、分析和诊断软件)所组成,也称T—C—PC机械故障巡检系统,其中动态数据采集器与微型计算机通过RS-232C接口或其他专用接口连接,形成可分离的联机系统。
 
 
二、数据采集器
    数据采集器是一种带有电荷放大器、积分器、程控放大与抗混迭滤波器、A/D转换器、随机存储器(RAM)、显示单元、控制单元以及具有一定分析、报警功能的数字式数据记录装置。它与单纯的数据记录装置的不同之处在于具有监测与分析功能,通常除了现场数据采集与存储外,还带有包括FFT在内的简单频谱分析功能。不过真正的功能全面、精细的分析诊断仍然离不开与微机联机依靠计算机软件来实现“离线分析”。
   数据采集器通常分为单通道和双通道输入,有些数据采集器还带有键相信号或转速脉冲信号输入口。多数数据采集器都选用加速度传感器作为信号拾取装置,因此,需要有电荷放大器与之配套。同时,为了获得振动速度和位移信号,必须对加速度信号进行一次和二次积分,这样就需要增加积分电路。数据采集器的原理结构框如图.2所示。

             图.2 数据采集器典型结构框图
    上海星晟检测仪器有限公司最新研制的VIB-35数据采集器是一种同样具有以上特性的高级便携式设备故障监测、诊断仪器,而且仪器采用了大屏幕、大内存,以及能在低温环境下运行,使得仪器更完美、更实用。
三、当前的应用状况
1.  国外应用状况
    美、日、德、英等发达工业国家的大中型流程工业几乎百分之百地拥有状态监测与故障诊断系统,其中装配离线系统的占80%以上,而有的则委托专业监测与诊断公司为其进行定期监测和分析。
据统计资料介绍:
    仅SKF—CM一家公司就为加拿大10家主要造纸工业的工厂装备了11套离线系统, 为美国23家主要造纸工业的工厂装备了63套离线系统。
CSI、Entek-IRD、DI等公司的离线系统市场占有率则更胜一筹。例如,Entek-IRD公司为美国、英国、澳大利亚等数十家电力公司的近百家工厂提供了dataPAC/dataline + EFW离线系统。在美国超过38%的发电设备采用了Entek-IRD公司的巡检式状态监测与诊断系统。
2.   国内应用状况
     国内以石化、钢铁、冶金、电力等大中型流程工业为代表,在离线状态监测与故障诊断工作的开展方面取得了相当不错的成绩。典型的应用实例有:
    (1天钢集团有限公司是天津冶金行业中的龙头企业,于93年底购置了一套离线监测系统,由动力处负责定期对重点生产设备进行监测。该公司第一炼钢厂180T铸锭吊车在更换了国产减速机之后,出现工作状况异常,振动加大、噪音偏高等现象。通过反复测试、分析,最终确认为减速机中的伞齿轮啮合间隙太大。经过调整,减速机振动值大大降低,恢复正常运行。
    (2大亚湾核电站的两台900MV系列压水堆核电机组早在设备调试阶段就针对核电站中泵机和管道多的特点,引入了离线状态监测与分析系统,在工作中多次发现反应堆冷却剂系统(RCP)的主泵振动高、通风系统(DVM)的风机振动超标、循环水冷却系统(CRF)的电机振动大等状况,经过利用离线监测系统对设备进行振动频谱分析,确认振动是由于质量失衡所引起的。
     97年2月发现2号机组的1号循环水泵电机非驱动端振动位移达到140µm,已超过规定的112µm极限值。按运行规程两台循环水泵若因故障停运一台,则机组只能带60%负荷运行,经过细致的测量与分析,最终确定是由于电机转子质量不平衡造成,并于5月30日通过现场动平衡使振动值降为11.5µm,达到优良水平。
    (3株洲冶炼厂是年产铅锌铜33万吨的大型有色金属冶炼基地。全厂共有100多台套国外引进的大型设备,工艺流程为连续性生产。于1993年购置了离线预测维修系统,先后建立了锌Ⅰ系统、锌Ⅱ系统、铅系统、铜系统以及辅助系统共5条巡检路径,定期监测重点设备50多台套,先后成功地诊断出设备大小故障500多例。
    (4抚顺乙烯工业公司是一个大型的石油化工企业,有乙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、ABS等多个主体生产装置。该公司于1992年和1996年分别引进两套基于便携式数据采集器的离线状态监测与诊断系统,日常监测与诊断工作由诊断工程师带数据采集器定期到各个车间采集数据,然后将数据上载到计算机进行分析、处理和存贮,并且将设备的运行状态及发展趋势制作成报告。
    几年来取得了显著效果,其中:指导机组顺利开车14次(按每次大修后开车计);避免了3起仪表的虚假信号而造成的误停车;发现重大设备隐患8次;解除重要设备故障31次;发现并解决一般的设备故障45次。
    (5独山子石化总厂乙烯厂是石油化工领域的大型企业,拥有多钟类型的大型机组设备。该厂于90年中期引进了离线预测维修系统,他们将全厂的大机组或关键设备逐一建立数据库,定期进行巡回监测。
      97年8月,炼油厂第二套催化装置开工,当气压机升速至6000rpm时,开始出现较强振动,当继续升速到7000rpm时,机器发生剧烈吼叫声,于是决定用数据采集器进行选点测量,经过分析最终确定故障发生在压缩机端,原因是由于转子不平衡,逐步发展造成迷宫式密封和轴瓦碰磨,进而引发转子弯曲。
      97年9月在对顺丁橡胶车间GB-601S冷冻机进行例行监测时,发现压缩机端轴承测点处频谱图出现超过工频的340Hz频率分量,经过分析计算得知为轴承外滚道通过频率,表明外滚道有故障。开机检查证实轴承外滚道有明显剥落凹坑,更换轴承后,340Hz频率分量消失。
     (6抚顺乙烯化工有限公司引进离线预测维修系统,主要用于对汽轮机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、风机、电机、离心泵等重要设备或机组进行定期测试分析或跟踪分析。
          在工作中,共建立机组数据库6个,测试路径6条,监测设备60余台,测点总数超过500点。同时针对不同机组设备及工艺流程的变化,建立多级判断标准和诊断层次。几年来,先后诊断出机组转子不平衡、转子弯曲、轴子不对中、轴承损坏、齿轮损坏等各类故障100多例。
     (7上海石化股份有限公司是一家加工原油600万吨,集炼油、化工、化纤、塑料等多套生产装置为一体的大型石化联合企业。该公司早在86年就先后配置了B&K及CSI的测试分析仪器,91年至97年又新添置了数据采集器并将离线诊断软件升级。近几年的工作中利用离线诊断系统为公司12套生产装置的100多台机组、共计1200多个测点进行定期(或不定期)的巡回监测,建立了各机组完整的振动数据档案库,并先后预报或诊断出设备的故障数十起,设备维修已由过去的1年1修改为目前的3年2修。
     (8上海一钢公司是一个以炼钢为主的大型钢铁企业,也是一个集烧结、炼铁、炼钢、轧钢等流程工业于一体的钢铁联合老企业。95年底公司购置了数据采集器和离线监测软件,重点对烧结主抽风机、750高炉进口汽轮风机、三炼钢新除尘风机等关键性设备,进行状态监测和故障诊断。
          96年1月,在两次巡检中发现三炼钢除尘风机三号机组电机两端轴承座振动较大,脱机让电机单独运行时振动仍然很大,后经详细的频谱分析,确定故障为电机两端轴承间隙过大产生松动所致,拆检后诊断结论得到证明。
          96年8月,现场测试中发现除尘风机二号机组的风机两端振幅增大明显,且水平方向较为突出,其频谱特征为一端以1阶工频成分占主导,另一端以1阶、2阶工频突出并带有其他高阶成分。因此,经分析后认为,故障原因为风机叶轮不均匀吸附烟尘,从而导致转子失衡,并引起其中一端轴瓦松动。拆检后证明轴瓦间隙偏大,且有轻微损坏。恢复后机器运转正常。
     (9克拉玛依石油化工厂共有动设备2400多台,其中关键设备145台。91年购置了便携式频谱分析仪,于95年9月又购置了Entek-IRD的PM离线预测维修系统,针对全厂145台关键设备,共设置测点2675个,坚持每周一次定期监测。截止97年底,累计发现设备故障征兆154台次,准确预报设备故障40多台次。全厂关键设备减少非计划停工50%,事故率减少72%,紧急抢修下降54%,维修费用降低30%。

四、离线状态监测与故障诊断的发展前景
    状态监测与故障诊断系统分为在线与离线两大类型,在线监测与诊断有反映及时、实时多通道、功能全面等优点,但其投资相对很昂贵,监测与诊断功能的实现受被诊断对象的构造成本及运行方式的制约,致使运用有一定的局限性。
    就我国目前工业生产总体情况看,尽管可以认为大部分企业已跨入现代化生产,但在设备管理现代化方面形式并不十分乐观,很多单位还仅仅是认识到状态监测与故障诊断的重要性,但并未付诸行动,或是刚刚启动,在人员素质、理论水平和实践经验各方面均跟不上形势发展。
   中国石化公司于1996年对下属全部企业的大机组进行了书面调查和分析,同时抽查了部分企业的现场技术状况,被调查的大型机组共计168套。
通过调查发现:
(1各企业都将状态监测作为一项重要内容纳入大型机组的日常管理中。目前在机组状态监测中使用在线监测系统的占31%,其余则是采用离线监测系统。部分企业还将铁谱分析技术用于机组润滑油监测与振动分析相结合,开展综合诊断。
(2企业采取了国外引进和自主开发相结合的方针。在线监测系统有45.2%是进口的,国产的占54.8%。用于离线监测的便携式仪器,由于国外技术和产品首先占领市场及其先进性、可靠性相对较高等原因,以进口为主,占87%。
(3强化管理,培养一支素质优良、技术过硬的监测队伍是搞好状态监测工作的基础。因此,各企业都配有专人负责大型机组的监测与诊断工作。
众所周知,石化企业是我国推行设备状态监测与故障诊断相对较早、应用相对深入的行业,但即使这样,仍然有大量的机组缺乏固定的监测点,尤其是那些量大面广的中小机组(泵机、风机、电机等),将来也不可能、也没有必要配置固定的监测点,而其它许多企业相对石化企业而言监测与诊断技术的发展要稍微缓慢一些。可见,根据我国目前企业总体发展水平,在考虑重点、关键设备上在线监测与诊断系统的同时,发展应用离线监测与诊断系统仍然是极为重要的方向。
离线监测与诊断系统在技术上已经十分成熟,构成离线系统的便携式数据采集器及分析软件已经有了长足的进步和飞跃的发展。
便携式数据采集器已经不再是功能单一的数据采集、存储仪器了,随着集成电路和电子技术的发展,数据采集器的体积越来越小,存储容量越来越大,功能越来越丰富,不断朝着现场频谱分析仪的方向发展;另一方面,原来的一些动态分析仪由于采用了液晶显示屏等小型化设计,也在向现场便携的方向发展,出现了多种便携式频谱分析仪,如HP公司的HP3565,日本小野公司的CF250等。
同时,有些数据采集器还具备现场诊断功能,如各种报警、频率细化、现场动平衡、轴系对中、现场轴承诊断、现场电机诊断等。

五、离线系统发展趋势
    (1由便携式数据采集器担任数据采集装置的离线状态监测与故障诊断系统,目前多数是由传感器、数据采集器和PC机及其监测与诊断软件组成一套独立系统,既不能相互连接,也很难融入企业内部的信息管理等系统,不便于数据与分析结果的相互交流和共享。
因此,支持网络,让离线系统形成网络系统的一个工作站,是将来发展的一个必然趋势。这样离线系统就将不再是一个孤立的系统,而可以利用计算机网络数据传送快捷、简便的优势,与其它系统或专家交流数据信息,分享经验,甚至还可以进行系统软件升级换代。当然,完全实现离线系统的网络支持必须要有统一、有效的数据库的支撑。
    (2许多便携式数据采集器在数据采集、存储、分析乃至诊断等多方面的功能已经十分丰富,在操作简便性、使用可靠性等方面也达到很高的水平。但硬件的成本相对还是比较高,尤其国外进口的系统可谓非常的昂贵。因此,进一步提高集成度、降低数据采集器的成本,提高国产数据采集器的质量和性能,是广泛普及、推广状态监测与诊断技术的重要方面。
    (3虚拟仪器是一种利用微型计算机、数据采样及调理卡和软件实现的信号处理与分析仪器,具有功能组合多样随意,更改、调整、补充灵活和实现成本底等特点。随着信号分析新技术、新方法的不断开发与充实,我们只需不断更新信号处理与分析软件,便可达到更换分析仪器的目的,从而使“仪器”获得很高的灵活性与适应性。因此,将虚拟仪器的概念引入状态监测有许多诱人的优点,例如,在相同硬件配置的条件下,只需调整测试与分析软件,便可将便携式数据采集器、便携式(振动)信号分析仪和便携式离/在线监测系统等三者融为一体。可以预见,基于虚拟仪器概念的监测与诊断系统,具有极强的竞争实力。
     (4部分高档离线系统经过发展,兼备一些在线功能,以满足某些应急需求,在必要时可以快速、

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