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高线机组智能故障诊断系统的构成及应用

花匠小妙招
2024-11-12 17:24

   关键词高线机组故障诊断系统
    摘   要     介绍了安钢高线机组的现状和智能故障诊断系统的构成及应用，并以诊断实例说明之。机电设备故障诊断是上世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科。随着现代设备的日趋大型化、复杂化、自动化和连续化，设备一旦发生故障，给生产和质量以至人们的生命财产安全造成的影响，往往难以估算，为使设备保持正常运行状态，维修费用在企业经营费用中也占了很大的比重。因此，为使设备维修工作更加高效而科学，就必须对维修对象即设备的劣化、故障状态、故障部位及其原因有正确的了解。信息传感技术、信号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是电子计算机技术的飞速发展，为设备故障诊断提供了极大的技术支持，从而使上述要求成为可能。应用设备诊断技术的目的是保证可靠地高效地发挥设备应有功能。这里包含了三点：一是保证设备无故障，工作可靠；二是保证设备发挥最大的效益；三是保证设备在将有或已有故障时，能及时诊断出来，从而使设备能按设备状态进行维修（即视情维修或预知维修），改革目前按时维修的体制。
    一、高速线材机组高速区存在的问题
    高速线材机组高速区的关键机械设备，如精轧机、减定径机、吐丝机、夹送辊等，全部采用美国摩根公司最新产品，代表了线材生产设备的最高水平。高速区设备齿轮箱中使用很多集成度很高的组合轴。这些组合轴加工精度高、装配难度大，并且工作转速很高，最高可达14000r/min以上。目前高速区的设备仅依靠人工测量和观察的方法进行点检和故障诊断。这种方法存在很大的局限性，往往不能及时发现设备隐患，一旦发现，设备已经无法运行，造成恶性设备事故。投产一年半以来，在生产过程中已经发生多次大的事故，严重影响了生产的正常运行。
    二、高线机组智能故障探测系统构成
    为根本改变高速区设备故障频出的现状，扭转设备维护检修的被动局面，经过探讨论证可行性方案，开发了安钢高线机组设备智能故障探测系统。通过安装在预精轧机、精轧机、减定径机、夹送辊和吐丝机上的115个加速度传感器，实时显示关键部位的振动值；实现监测振动值超标报警；通过实时分析这些测点的频谱，早期发现部件缺陷；并借助诊断软件在报警和发现故障征兆后精确地诊断故障。
    1．系统硬件
    整个系统的硬件构成分为三级，如图1所示。

图1系统总体框图

    第一级为现场数据采集系统；它由网络数据采集器、相应的传感器及通信接口构成。它是一个单片机应用系统，每个网采可以采集多达16个测点的数据，为双通道同步采集。以CAN
网络通信的方式将数据上传到数据采集工作站（工控机或PC机）。它保证了高采样频率和高数据传输速度，实现了远距离现场数据实时采集。
    第二级为数据采集工作站。每个工作站都是一个独立的监测系统，管理多台设备。数据采集工作站能不间断地实时在线监测轴振动、转速等参数；能做到自动记录（根据记录配置选择多种记录方式）、判断报警（产生报警事件和黑匣子数据）、报表打印。
    第三级为数据分析管理工作站。其中数据库管理工作站中存放短期、中期和长期数据资料，形成设备运行历史档案，并能够以多种方式显示数据和报警，供用户对设备进行监视；分析诊断服务器对设备的各种运行数据提供分析诊断方法。
    2．系统软件
    由于硬件的分布式结构，系统软件也是上位机软件和下位机软件协同实现的。本系统的软件主要有以下几部分。
    (1)网采驱动软件（NetCollect)。负责实时采集数据（振值、振动波形、转速等），并将数据传送到其他软件，同时可以接收其他软件的命令，单独或连续地采集某通道数据。
    (2)数据处理中心（DataCenter)。负责大部分数据处理的功能，比如故障诊断、实时报警、监控和记录历史报警信息、历史数据记录、对组态软件测点进行设置、实时数据交换等。
    (3)监测数据管理系统（MCM)。用户通过本软件可以对企业的各个分支单位以及设备等进行系统的组织，并清晰地察看企业各设备的当前运行情况。本软件通过对数据作百线谱分析，可以提供初步的频域诊断（详细诊断需要调用故障诊断专家系统）；通过趋势分析可以预测设备未来的运行情况，并对设备状况提供建议。软件的分析结果和统计数据均打印成ice文档，以便用户修改和保存。
    (4）世纪星组态软件（KingWord )。使用组态软件，用户可以方便地构造适应自己需要的数据采集系统，使用清晰准确的画面描述工业控制现场，显示现场的操作状态和数据，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在企业范围内畅通。
    (5)故障诊断专家系统（SDFS)。通过对数据进行分析，并与系统的专家知识进行对比，从而对设备现况进行评估。如果设备有故障还可以进行诊断，同时将诊断结果进行显示，并生成WORD格式的报告。
其中，Net Collect与Data Center软件用于数据采集和数据交换；MCM与KingWord则主要是状态实时监测；而SDES则是故障诊断的核心。
    3．现场控制总线（Controller Area Network, CAN)
    本系统用到的CAN总线是一种先进的串行通信协议。它最初是为了解决汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发，属于现场总线范畴，具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、成本低、多主站等特点。1993年CAN总线成为国际标准（ISO 11898：道路车辆的高速控制局域网数字信息交换标准），它有效支持分布式控制及实时控制，并采用了带优先级的CSNLA/CD协议对总线进行仲裁。因此，CAN总线允许多站点同时发送。这样，既保证了信息处理的实时性，又使得CAN总线网络可以构成多主结构的系统，保证了系统的可靠性。另外，CAN采用短帧结构，且每帧信息都有校验及其他检错措施，保证了数据的实时性、低传输出错率。其传输介质可以使用双绞线、同轴电缆或光纤。三、诊断实例
    2004年5月8日组态监测软件显示测点36的X振值明显增大，最大时达到466m/s2，同时设备监控软件提示本测点加速度等效峰值、速度有效值、百线谱已经超过危险值，位移峰峰值已经报警。此时根据采集的1024点波形和建立的相应设备文件，使用故障诊断专家系统进行分析，时域波形和幅值分别如图2,3所示。

图2测点36的时域波形图

图3维修前幅值谱

从图3可以看出，第一主峰的峰值为139.84m/ s2，与4月23日进行幅值谱分析的结果相比，前者是后者的4倍左右。同时发现，第一主峰对应的频率1900Hz正好是30#锥箱螺旋伞齿轮的啮合频率，说明齿轮有较大的啮合冲击，问题应该出在该齿轮轴。由于状态极不正常，设备人员采取果断措施停机检查，结果发现螺旋伞齿轮轴底端支撑用圆柱滚子轴承座已出现研磨痕迹。进一步分析，该圆柱滚子轴承装配问题引起齿轮间隙变化，是导致振动幅值大幅度升高的直接原因。

图4维修后幅值谱

    图4显示的是设备进行维修后采集的幅值谱，最大峰值明显降低，仅为34.44m/ s2。由于诊断系统报告故障信息及时,设备人员采取果断措施，避免了更大的设备故障。
    参考文献
    1吴今培，肖健华．智能故障诊断与专家系统［M．北京：科学出版社，1997.9,1一12
    2［英」R. A．柯拉科特．机械故障的诊断与情况监测（孙维东，麦松江，邓续魁，等译）．北京：机械工业出版社，1983.5,107一116
    3吴泉原等．人工智能与专家系统．国防科技大学出版社，1995     W05.05一20