大型齒輪減速機(jī)監(jiān)測、故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計
為了實現(xiàn)對大型軋鋼廠齒輪減速機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷,防止突發(fā)性事故的發(fā)生,需對這些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度和電流等參數(shù)信號的在線監(jiān)測,完成信號的拾取、放大、濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸,在發(fā)生運行異常及故障時及時報警,并診斷出故障的類別及部位。本章從設(shè)備特點、設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理及監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件實施三方面介紹了對該在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計和研究。
5.1設(shè)備特點、設(shè)備故障分析
某大型鋼廠的齒輪減速機(jī)的齒輪為圓柱斜齒輪,每個齒輪箱中均裝有兩個單級齒輪傳動,兩根輸出軸分別帶動軋機(jī)生產(chǎn)線上的上、下軋輥。齒輪傳動比在0.8~1.2之間。該齒輪減速機(jī)在軋板生產(chǎn)線中起著增速、減速和動力傳輸作用。由于軋機(jī)不斷地處于咬鋼、軋鋼、拋鋼、空轉(zhuǎn)等狀態(tài),故齒輪箱的工作載荷是交變載荷。齒輪箱齒輪的主要故障是:(1)齒輪輪齒表面的疲勞點蝕、剝落及鑿面磨損;(2)齒輪局部輪齒的斷齒、齒面崩落和齒根裂紋;(3)在很高的動載荷作用下產(chǎn)生的輪齒變形。齒輪箱滾動軸承的主要故障是:(1)內(nèi)圈、外圈和滾動體的疲勞點蝕剝落;(2)滾動軸承各元件的膠著。
5.2設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理
機(jī)械設(shè)備在運行中總是會產(chǎn)生振動和噪聲,當(dāng)運行部件中存在故障隱患時,往往會使振動、噪聲、溫度等物理參數(shù)發(fā)生某種變化,這種變化僅僅靠人的感官(即使在有自覺性的情況下)是很難發(fā)現(xiàn)的,一旦發(fā)現(xiàn),往往是在比較嚴(yán)重和危險的階段。本系統(tǒng)通過長期安裝在關(guān)鍵設(shè)備上的測點測量運行中的振動、溫度和電流等信號,經(jīng)必要的放大和A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字量采集,然后借助于計算機(jī)和診斷技術(shù)進(jìn)行分析處理,從而提取振動等各種信號中的有用信息,達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測、趨勢分析、故障診斷和輔助維修決策的目的。
本系統(tǒng)利用計算機(jī)進(jìn)行信號采集和故障特征提取,利用知識庫中不斷增多的專家知識,采用模糊識別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行自動識別,根據(jù)識別結(jié)果提出相應(yīng)的維修方案或調(diào)整運行參數(shù)。
5.3監(jiān)測、診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計
為完成對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和診斷,監(jiān)測系統(tǒng)硬件的配置應(yīng)包括以下六部分:(l)傳感器、放大器;(2)信號處理儀;(3)A/D數(shù)據(jù)采集卡;(4)工業(yè)PC計算機(jī);(5)報警電路;(6)電纜、電源。
在設(shè)計以上硬件系統(tǒng)時充分考慮到工廠設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場干擾因素多、運轉(zhuǎn)條件惡劣、工藝狀況頻繁變動,如軋機(jī)不斷地處于咬鋼、軋鋼、拋鋼、空轉(zhuǎn)等狀態(tài)。為了保證硬件系統(tǒng)能長期可靠地在工廠工作,傳感器、信號處理儀、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)等重要關(guān)鍵硬件產(chǎn)品應(yīng)盡量選購國際上一流水平產(chǎn)品或國內(nèi)廠家生產(chǎn)經(jīng)受使用考驗的性能優(yōu)良的產(chǎn)品,參考國內(nèi)外在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的硬件配置,并自行設(shè)計配制相應(yīng)附件,實施各項功能,并達(dá)到各項技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和專家論證,齒輪減速機(jī)的監(jiān)測和故障診斷為某整個區(qū)域的核心和重點。圖5-1是硬件系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。
5.3.1傳感器配置的設(shè)計說明
傳感器的配置應(yīng)重點放在齒輪減速機(jī)上。由于齒輪箱的故障振動頻率范圍較寬,且風(fēng)機(jī)的故障振動頻率也要超過1kHz,故選用加速度計測量設(shè)備振動量。加速度計有電荷式和ICP式兩種。如要節(jié)省成本可選用后者。在既要節(jié)省成本又要保證監(jiān)測和診斷出齒輪減速機(jī)的故障,每臺減速機(jī)布置三個振動加速度計及一個渦流位移測速計。電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可用渦流位移傳感器測量。
5.3.2數(shù)據(jù)采集卡配置的設(shè)計說明
由于本硬件系統(tǒng)監(jiān)測的振動、電流(屬于快變信號)和溫度(屬于慢變信號)是兩類不同性質(zhì)的信號,故數(shù)據(jù)采集卡區(qū)別采用三種類型的A/D卡,這樣既可以是高工作效率,且更為經(jīng)濟(jì)合理。PCI總線采集卡,總的采樣頻率為1.25MHz/s,這種采集卡在本硬件系統(tǒng)中主要用來采集數(shù)臺齒輪箱上的振動加速度和轉(zhuǎn)速信號;ISA總線采集卡,總的采樣頻率為5OOkHzs,這種采集卡在本硬件系統(tǒng)中主要用于采集齒輪箱的配套設(shè)備的振動加速度、電流和轉(zhuǎn)速信號:XT總線采集卡,總的采樣頻率為100kHz/s,這種采集卡在本硬件系統(tǒng)主要用于采集齒輪箱的配套設(shè)備的溫度慢變信號。
5.4監(jiān)測、診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)主要完成關(guān)鍵設(shè)備振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常狀態(tài)報警及信號分析和故障診斷等工作。
5.4.1軟件系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成
軟件系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成如下:參數(shù)設(shè)置、采樣、監(jiān)測、查詢、信號分析、故障趨勢分析、故障診斷、打印和在線幫助。
5.4.2該軟件包具有的特點
1.全面的功能要求
參數(shù)設(shè)置用來設(shè)置采樣數(shù)據(jù)存放路徑、分析結(jié)果存放路徑、采樣頻率、采樣類型和各個采樣通道的傳感器的類型、靈敏度、標(biāo)定值及單位等。濾波功能可對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行低通、高通、帶通濾波,相當(dāng)于濾波器。監(jiān)測功能可實現(xiàn)對機(jī)組的實時監(jiān)測、報警,并給出各種統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。分析功能相當(dāng)于信號分析儀,可進(jìn)行報表、時域波形、概率密度、幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、包絡(luò)等快速分析。診斷功能采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù),可對機(jī)組在復(fù)雜工況下出現(xiàn)的各種故障給出及時、準(zhǔn)確的判斷,并對故障給出詳細(xì)的解釋,可靠性高。
2.簡便的操作程序
軟件在WINDOWS操作系統(tǒng)下運行,界面友好。所有操作及提示全部漢字化,操作簡單明了。軟件一經(jīng)啟動后,要想實現(xiàn)某一功能,只要通過賞心悅目的菜單用鼠標(biāo)單擊即可實現(xiàn),圖形窗口可隨意切換。這樣,軟件既適合于熟練者的快速操作,也適合于初學(xué)者的分步查詢操作和學(xué)習(xí)。
3.快速的采樣分析技術(shù)
采樣過程可隨時停止,可連續(xù)大容量數(shù)據(jù)采集,然后轉(zhuǎn)存入硬盤永久保存。直接存入硬盤時,采樣容量只受硬盤容量大小的限制。采樣通道可任意設(shè)置。實現(xiàn)了快速的時、頻域信號處理,分析功能完備,完全能滿足大型軋鋼機(jī)組的在線監(jiān)測與故障診斷的要求。
4.高度的自動化監(jiān)測
THMDS-SP軟件包與相應(yīng)的硬件系統(tǒng)結(jié)合,可對機(jī)組進(jìn)行多通道實時監(jiān)測,可一次快速計算出多通道時域波形的最大值、平均值、有效值及其他各種指標(biāo)。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)超過警戒線時,可自動報警、自動分析并準(zhǔn)確診斷出機(jī)組可能出現(xiàn)的故障。
5.智能化故障診斷技術(shù)
系統(tǒng)對實時采集的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析,在正常工作情況下,以綠色顯示安全運行。當(dāng)某一通道超過門檻值時,給出黃色警告直至紅色報警的訊號,顯示故障的部位、類型等,并對故障給出詳細(xì)的解釋,可靠性高。
6.科學(xué)的文件管理
THMDS-SP軟件包設(shè)計了一套比較完善和科學(xué)的文件管理系統(tǒng)。系統(tǒng)一經(jīng)運行,即可自動進(jìn)行文件管理,無需人為干預(yù)。軟件對所有的文件誤操作進(jìn)行保護(hù)處理,在找不到所需文件時,程序會自動啟動錯誤處理功能,而不會中斷系統(tǒng)。
5.4.3軟件的工作流程
為了適應(yīng)日益更新的生產(chǎn)實際多種類型參數(shù)監(jiān)測和故障診斷的要求,建立由多臺微機(jī)并行運行構(gòu)成的在線連續(xù)實時監(jiān)測與快速診斷系統(tǒng)。圖5-2為多微機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。這樣做的優(yōu)點是:
1.信息采集全息化。為全面準(zhǔn)確地了解機(jī)組運行狀態(tài)提供了條件,所采集信息的種類比較全面。根據(jù)信號變化的特點,采用不同的采樣頻率,對振動量等快變信號和溫度等慢變信號分別采集,提高了效率。同時對任一參量的信息都采集足夠的通道數(shù),保證了全面了解該參量所反映的機(jī)組運行狀態(tài)。
2.伏態(tài)監(jiān)測連續(xù)化。多微機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)不間斷地對每一信息通道進(jìn)行監(jiān)則,改變了傳統(tǒng)以機(jī)組為單位進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測的工作方式,這對于準(zhǔn)確預(yù)報機(jī)組突發(fā)事故有著重要的意義。
3.數(shù)據(jù)處理實時化。采用這種新的數(shù)據(jù)處理技術(shù),一大大加快了數(shù)據(jù)處理的速度,提高了狀態(tài)監(jiān)測與診斷的實時性水平。
4.故障診斷專門化。上位機(jī)用于完成系統(tǒng)管理、故障詳細(xì)分析、操作信息輸入及監(jiān)測與診斷結(jié)果輸出等工作。進(jìn)行機(jī)組故障的診斷,大多需要占用計算機(jī)較長的時間。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中,計算機(jī)既要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,又要進(jìn)行故障分析,往往效率不高。采用本系統(tǒng),上位機(jī)可以集中主要“精力”專門進(jìn)行故障診斷方面的工作,這樣才能達(dá)到較高的診斷水平。
軟件的各個模塊通過動態(tài)數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起,在下位機(jī)中,監(jiān)測系統(tǒng)控制著動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和預(yù)處理,同時把監(jiān)測結(jié)果存入各機(jī)組運行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)庫。在上位機(jī)中,詳細(xì)分析診斷程序塊調(diào)用運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,得出診斷結(jié)果并調(diào)用打印程序塊輸出。圖5-3為數(shù)據(jù)流程示意圖,圖5-4為監(jiān)測系統(tǒng)流程示意圖。
5.4.4系統(tǒng)監(jiān)測和故障診斷
監(jiān)測菜單分設(shè)備總布置圖、機(jī)組配置圖和測點部位三級結(jié)構(gòu)層次以圖形和文字顯示測點情況,監(jiān)測設(shè)備運行。圖5-5是動態(tài)顯示所監(jiān)測的16路加速度、位移、電流波形。當(dāng)監(jiān)測信號達(dá)到第二級門限值時,由功放輸出卡驅(qū)動報警電路,發(fā)出聲光報警。
診斷菜單是整個軟件包的核心部分。它分為三部分:(l)典型故障譜圖;(2)知識庫建立及維護(hù);(3)故障診斷。
1.診斷知識庫建立及維護(hù)
被授權(quán)的專業(yè)人員可以通過模塊中的知識編輯自由地增添、刪減或修改診斷知識和模糊關(guān)系矩陣,或不斷地積累減速機(jī)機(jī)組的各故障模式樣本中,再加入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣板中,通過訓(xùn)練板中,通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)可以得到該減速機(jī)機(jī)組的故障識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),從而在該機(jī)組的實際故障診為中保證有可靠的高質(zhì)量的診斷系統(tǒng)。
2.故障診斷
模糊故障診斷數(shù)學(xué)模型擬采用模糊邏輯診斷方式:
Y=X·R (5-1)
式中:Y——故障向量;X——故障癥狀向量;R——模糊關(guān)系矩陣;”·”——模糊數(shù)學(xué)綜合評判算子。
診斷過程分為兩個步驟:
1)故障癥狀輸入:由計算機(jī)軟件自動對故障信號進(jìn)行FFT和倒譜等分析,根據(jù)幅直譜,計算機(jī)自動計算故障癥狀向量。
2)診斷輸出:根據(jù)故障診斷知識庫,運用模糊邏輯診斷法,得出診斷結(jié)果。由診斷模型推導(dǎo)出若干個可能的故障,并規(guī)定:
當(dāng)可能性bi>0.85時,表示確有故障產(chǎn)生:當(dāng)0.5<可能性bi<0.85時,表示可能有故障發(fā)生;當(dāng)0.5<可能性bi時,表示故障不可能發(fā)生。
當(dāng)軋制幾種不同規(guī)格的鋼材時,作用在齒輪箱和大電機(jī)上的載荷譜是不同的,對應(yīng)的振動信號也是可能不同的,此時故障癥狀向量也就不同。反映出的零部件的故障類型及程度也不同。只要把故障診斷知識庫做得很周全,且對其進(jìn)行不折修正,那么,診斷結(jié)果可靠性就會逐步提高。
對于剛投入運行的故障診斷知識庫,可能由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完善和試驗條件限制等原因,使得一些次要的故障漏診。故要對新的故障診斷知識庫通過實際診斷來進(jìn)行不斷補充和完善。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型可進(jìn)一步提高設(shè)備在各種工況下故障診斷的準(zhǔn)確性,有關(guān)其模型見下一章內(nèi)容。
5.5小結(jié)
對齒輪減速機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、電流等多參數(shù)進(jìn)行長期在線監(jiān)測,在發(fā)生運行異常及故障時及時報警和自動診斷,可以防止關(guān)鍵設(shè)備和整個生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性事故,并進(jìn)行有指導(dǎo)性的維護(hù)和維修,可為企業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)節(jié)約成本、創(chuàng)造財富。本文從設(shè)備特點、設(shè)備故障分析、設(shè)備監(jiān)測和故漳診斷原理和監(jiān)測系統(tǒng)硬件及軟件三方面介紹了清華大學(xué)設(shè)計和研究的TMDS線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)配置簡單、可靠性好、價格合理,現(xiàn)已通過八通道的試驗室和現(xiàn)場系統(tǒng)試驗。