钢铁企业动旋转设备预知性维修关键技术应用实践.pdf

总第2 1 1 期2023年第8 期技术应用钢铁企业动旋转设备预知性维修关键技术应用实践冯杰，王鑫，何英锋，马刘斌，范小军，梁晓凤（太原钢铁（集团)电气有限公司，山西太原0 3 0 0 0 3）摘要：鉴于设备状态在线监测是实现高效预知性维护的前置条件，分析钢铁企业传统设备维修策略存在的弊端，提出设备维修策略的决策程序，并在太原钢铁（集团）电气有限公司选取了推进预知性维修的试点设备，从设备状态在线监测系统搭建、信号处理、振动分析三个方面探讨了预知性维修关键技术应用方法及效果，以典型案例的形式进一步论证了预知性维修产生的巨大经济社会效益。关键词：预知性维修；旋转设备；在线监测；振动分析中图分类号：TF3040引言钢铁企业中，传统设备维护方式以“事后维修+预防性维修”为主,维修策略及维修周期的选择主要依靠人的经验，“过修”“欠修”情况较多。“过修”导致维修成本投人增大，“欠修”导致突发故障的发生，造成停产损失及更加严重的设备故障损失，不能满足维修成本精细化控制的要求，同时给现场的设备安全管理、备品备件管理及企业的连续生产带来极大的挑战。传统的事后维修与预防性维修相结合的管理手段已逐步需要面对大规模设备的运行维护压力，难以适应未来工厂智能制造的要求。以数字化、智能化、专业化为特征的预知性维修模式，通过实时感知设备状态，发现故障早期征兆，精准诊断故障部位，预测设备寿命，针对性提出维护检修建议，实现精准维护，从而提升设备可靠性、保证生产连续性。预知性维修模式逐步成为现代化钢铁企业设备管理的重要手段。1设备状态在线监测系统搭建“预知性维修”和“状态监测”这两个术语经常互换使用，两者意思并不相同。“状态监测”是确定设备状态的行为，“预知性维修 是一种基于设备状态执行维修项目的维修策略1,而不是按照预定的维修周期（预防性维修)或设备故障发生后执行维修(时候维修）。设备状态在线监测是实现高效预知性维护的前置条件。选取钢铁各工序可靠性要求高、故障造成损失大的关键设备，以及故障率高、安全风险大、可接近性差的设备，作为推进预知性维修的试点设备。经过现场调研发现具备以上特征的设备主要为动旋转设备。结合技术可行性及经济性分析，在炼铁、炼钢、热连轧3 个工序选取1 8 0 台动旋转设备作为试点。设备状态在线监测系统(如图1 所示)采用分层架构：第一层数据采集层（边缘计算+采集端），主要是在各生产单元工业现场集成的设备状态监测诊断系统，负责现场设备状态及相关数据（主要包括由专业收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3第一作者简介：冯杰（1 9 9 1 一），男，本科，毕业于长安大学，工程师，从事设备智能运维、设备故障诊断技术研究工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A采集装置采集的振动、温度、电流等状态数据及从PLC/DCS获取的负荷、流量、压力、液位等工艺过程数据)的采集，完成数据预处理、状态实时预警、数据短期存储、数据转发等功能。第二层为分析层，主要由设备运维数据池组成。分析层承担各区域服务器上传设备状态数据和工艺过程数据、其他过程数据等的汇聚、计算、长期存储和提供各种调用服务等功能，实现运维领域所有数据的互联、共享。部署有各类智能诊断模型、预警规则、决策规则等，并提供通用分析工具，采用人机协同的方式，支撑智能诊断、智能决策的实现。第三层为应用层，是信息展示、人机交互的界面，承担状态预警、异常状态判断及解决方案推送、过程跟踪管理等功能，实现状态数据、判断结果等信息的共享及流程的互通。2信号处理技术应用目前设备状态感知的手段包括振动、润滑、磨损、电流、红外成像、超声、粘度等监测方法，其中以“振动+温度”的监测方法可感知钢铁企业动旋转设备最为广泛的设备故障。Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.069文章编号：1 6 7 2-1 1 52(2 0 2 3)0 8-0 1 7 6-0 2数据应用层用户状态监测与存储层软接OPC/APIDesi-内网交换机厂区局域网数据采集层无线通讯站zigbee无线传感器设备类型风机图1设备状态在线监测系统架构图用户2水泵用户，系统服务器有线监测站有线传感器卧式轧机立式乳机外网交换机卷取机2023年第8 期冯杰，等：钢铁企业动旋转设备预知性维修关键技术应用实践177振动信号处理可分为如图2 所示的几个阶段，主要包括传感器信号采集、模数转换、时域信号处理、傅里叶变换、频域数据处理。常用振动传感器有三种类型，分别为位移传感器、速度传感器、加速度传感器，在动旋转设备监测中应用最为广泛的是压电式加速度传感器。加速度传感器输出的信号经过处理、滤波、调整和优化后，它的电信号是连续的模拟信号，必须通过重采样转换成一系列离散的以时间为横坐标的数字（时域信号），进行数字化，才能让系统能够处理、显示和存储振动。通过傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，同时对时频信号进行积分、包络、加窗、平均、统计等处理，得到可供分析的振动信号并通过软件展示。设备模拟信号转速计每转N个脉冲触发传感器信号调节高通、增益、包络过滤图2 信号处理流程图3振动分析技术应用案例3.1案例概况4月7 日诊断工程师发现五高炉1 号助燃风机，电机负荷端轴承高频加速度趋势上升且波动较大，初步诊断为电机轴承故障，提醒现场补了油，在监控下运行，一段时间后，状况没有明显改善,且存在缓慢劣化趋势。4月2 0 日向现场推送诊断报告。4月2 3 日上午现场人员反馈电机声音变差，下午组织检修更换电机备件，拆解下线电机发现负荷端轴承保持架碎裂。3.2故障诊断1)诊断结论。电机负荷端轴承保持架磨损,外圈磨损，近期劣化明显。2)维护检修建议。关注电机驱动端轴承异响及温度变化，适当改善轴承润滑，增加巡检频次，择机安排更换电机驱动端轴承。3.3信号分析4月份以后，电机负荷端高频加速度趋势上升且波动较大，如图3 所示。Application Practice of Key Technologies for Predictive Maintenance of Rotating EquipmentFeng Jie,Wang Xin,He Yingfeng,Ma Liubin,Fan Xiaojun,Liang Xiaofeng(Taiyuan Iron and Steel(Group)Electrical Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003,China)Abstract:As to the fact that online monitoring of equipment status is a prerequisite for achieving efficient predictive maintenance,this paperanalyzes the drawbacks of traditional equipment maintenance strategies in steel enterprises,and proposes a decision-making process forequipment maintenance strategies,and selects pilot equipment to promote predictive maintenance in our enterprise.It explores theapplication methods and effects of key predictive maintenance technologies from three aspects:equipment status online monitoring systemconstruction,signal processing,and vibration analysis.It further demonstrates the huge economic and social benefits generated by predictivemaintenance in the form of typical cases.Key words:predictive maintenance;rotating equipment;online monitoringi vibration analysis特征趋势30.0020.0010.000.002022-03-10T08:00:00电机负荷端高频加速度时域波形可见保持架特征频率间隔的团状冲击，如图4所示。0.Amx-18.80T:0.00008Amgx1.24T:0.00352mm/2150(es/100时域信号频域信号重采祥相关统计处理模拟量集成模数转换数字积分数字包络尖峰系数总值全部2022-03-23T09:46:402022-04-03T23:33:202022-04-15T13:20:002022-04-25T10:00:00时刻图3 电机负荷端高频加速度有效值趋势图4Amp:20.04-T:0.00352 4f.284.09时间：2 0 2 2-0 4-2 2 1 40 0 0惠点编号：电机负德族2 H采样城南HZ：51 2 0 0 Hz数报长度：6 553 6 个格值指标：5鸭度因子：4.0 6-50格度因子：7.9平值：0特值：9 6.9 1100脉冲国子：6.55正度：-0.0 1倒谐0.3窗函数FTin Iron and Steel Enterprises方根幅值：1 2.2 6存效值：1 9.3 9标准差：1 9.3 90.60.9时间/平均交又通道通道21.21.3图4电机负荷端高频加速度时域波形电机负荷端高频加速度频谱可见轴承外圈特征频率及其谐波。3.4检修验证情况4月2 4日，解体下线电机后发现轴承保持架碎裂,如图 5。图5下线电机负荷端轴承实物图4应用效果通过本项目的应用，累计推送1 0 3 次报警,形成79个典型成功案例，为现场降低点检负荷、减少故障停机时间、降低检修费用、保证功能精度等提供有力的支撑，有效推进钢铁企业设备管理数智化变革。参考文献1】孔德双.冶金机械设备管理与维修路径J.中国金属通报，,2 0 2 1(3):94-95.(编辑：苗运平）方差：3 7 5.9 6波形烟子：1.3 1