锌冶炼厂电动设备安全监测系统方案设计.pdf

第30卷 第10期2023年10月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.10锌冶炼厂电动设备安全监测系统方案设计杨 扬，薛昊洋（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）摘 要：提出现代锌冶炼厂电动设备安全监测系统方案设计，该系统由在线状态检测装置、在线数据采集单元、安全监测系统软件组成。在线状态检测装置由各类传感器组成，传感器信号经由电缆输送至在线数据采集单元，通过安全监测系统软件的各种分析方法进行预警，输出维保方案。该设计能提高设备的可靠性、稳定性和精度，进而提高产品质量，是企业降本增效，实现盈利的必要保障。关键词：安全监测系统；在线状态检测装置；安全监测系统软件中图分类号：TP277 文献标志码：AMonitoring System Design for Equipment in Zinc Smelting PlantYang Yang，Xue Haoyang（China ENFI Engineering CORP.,Beijing,100038,China）Abstract：This paper proposes the design of a safety monitoring system for electric equipment in modern zinc smelting plant,which consists of an online status detection device,an online data acquisition unit,and a safety monitoring system software.The online status detection device consists of various sensors,and the sensor signals are transmitted to the online data collection unit through cables.Through various analysis methods of the safety monitoring system software,early warnings are given and mainte-nance plans are output.This design can improve the reliability,stability,and accuracy of equipment,thereby improving product quality,and is a necessary guarantee for enterprises to reduce costs and increase efficiency,and achieve profitability.Key words：safety monitoring system；online status detection device；safety monitoring system software收稿日期：2023-07-11作者简介：杨扬（1983-），女，硕士，工程师，研究方向：冶金化工自动化控制。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.10.001文章编号：1671-1041(2023)10-0001-030 引言随着工业技术的发展和人力成本的不断上升，现代锌冶炼企业生产自动化的程度变得越来越高，企业大部分的制造任务都由自动化设备、半自动化设备以及一些简单的设备机器来完成作业。随着锌冶炼系统自动化程度的提升，企业对生产设备依赖程度加深，设备的可靠性以及维修成本的降低成为锌冶炼企业的管理目标，在锌冶炼厂实施全厂电动设备安全监测系统设计是可靠的实施手段及必然发展趋势。该系统能促进设备安全、高效、稳定地运行和生产，提高设备的可靠性、稳定性和精度，进而提高产品质量，是企业降本增效，实现盈利的必要保障。电动设备安全监测系统，由在线状态检测装置、在线数据采集单元和安全监测系统软件组成。该系统利用近年来不断革新发展状态监测技术优势，通过网络化在线分析功能的运用，给企业提供生产机器状况的完整信息。系统的核心是安全监测系统软件，以之作为平台，利用在线监测分析技术，将预警、分析报告等各种诊断信息和检修建议提至业主相关维修部门或相关生产管理部门，管理部门据此信息进行决策，进展检修，跟踪检修，并验证检修结果，形成闭环管理。系统框图如图 1 所示。第30卷2 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION图1 安全监测系统Fig.1 Safety monitoring system1 在线状态检测装置状态检测是设备安全监测的基础，通过数据采集系统，将生产设备故障的产生、发展、变化的全过程的状态信号数据采集后，调用故障类型数据库进行特征分析和预警，优化需检修部件，检修方式，检修周期，得到更有效率的维修时间节点，减少维修频次偏高或偏低现象，输出维修方案。锌冶炼厂需要监测的电动设备主要包括泵、风机、压缩机、带式输送机等，不同类型设备的大致检测内容如下：1.1 潜水泵潜水泵长期在水下运行，易因轴承、绕组温度过高或电机、接线盒浸水等问题，造成潜水泵故障。在线连续监测潜水泵运行参数，包括运行过程中的振动、轴承温度、绕组过热、电机浸水、接线盒浸水等，可以有效地防止潜水泵的损坏。监测的部位包括预埋温度传感器，绕组过热、电机浸水、接线盒浸水、油室浸水预埋传感器输出报警信号，在电机上机架安装振动传感器，在流道进口、叶轮进口和叶轮出口安装压力变送器、水泵主轴安装转速传感器等。1.2 风机风机的典型故障包括电机润滑不良，轴承损伤（损坏），轴承跑套，地脚松动，螺丝松动，轴角向不对中，轴平行不对中，轴头弯曲，转子不平衡，动静碰摩、气隙偏心、转速异常，风机转子轴承磨损，地脚松动，螺丝松动，轴角向不对中，轴平行不对中，轴头弯曲，转子不平衡，叶片断裂等。监测的部位包括电机非驱动端、电机驱动端、电机驱动端轴、风机转子、轴承座输入端、轴承座输出端，监测参数包括三向振动、温度、转速。1.3 压缩机压缩机的典型故障包括电机转子的气隙偏心、轴头弯曲、轴向不对中、动静碰摩、转子不平衡，电机轴承的润滑不良、轴承损坏，电机地脚螺丝松动，压缩机轴承损坏、轴承润滑不良，螺杆转子不平衡、转子损伤、转子不对中、动静碰摩，压缩机地脚螺丝松动等。监测的部位包括电机非驱动端、驱动端轴承的三向振动加速度、温度；电机轴与联轴器连结位置的转速；阴转子前后轴承位置的三向振动加速度、温度，阳转子前后轴承处的三向振动加速度、温度；吸气、排气压力，油压，吸气、排气温度、油温、水温等。1.4 带式输送机带式输送机的典型故障包括：电机润滑不良，轴承损伤、轴承跑套，地脚松动、螺丝松动，轴的角向不对中、轴的轴向不对中、转子不平衡，轴头弯曲，动静碰磨，气隙偏心；减速器的齿轮故障包括：润滑不良，轴承损伤、轴承跑套，地脚松动、螺丝松动，轴的角向不对中、轴的轴向不对中，转子不平衡，轴头弯曲，驱动滚筒的润滑不良，轴承损伤、轴承跑套，地脚松动，转子不平衡，轴系运行稳定性、轴系强度安全，改向滚筒的润滑不良，轴承损伤、轴承跑套，地脚松动、转子不平衡，轴系强度安全，涨紧滚筒的润滑不良、轴承损伤、轴承跑套、地脚松动、转子不平衡，轴系强度安全，皮带的跑偏、撕裂、轴承损伤等。监测的部位包括：电机驱动端、电机非驱动端的三相振动、温度，减速器输入端、减速器输出端的三相振动、杨 扬锌冶炼厂电动设备安全监测系统方案设计第10期3温度，轴承座的三相振动、温度，轴系的弯矩，皮带的跑偏、撕裂，振动等。振动信息为最主要的状态判断依据。振动信号监测技术是目前机械设备监测的主流方法之一，在滚动轴承整个寿命周期内可直观、有效地监测并反映出设备的运行状态，振动信号时域、频域和时频域中均可呈现出丰富且有效的信息，而在不同域中提取轴承振动信号等特征信息是准确评估和预测滚动轴承性能退化状态的基础1,2。设备在一定的运行状态下，不同的部件（如轴承、齿轮箱等）会有不同的受损情况，当这些部件受损时，振动信号会以不同频率的振动表现出来，振动问题是造成各类设备非计划停运的主要原因之一。通过振动信息，识别和确定哪些部件已经坏了和这些部件的损坏进展情况，诸如不平衡、不对中、松动、磨损和一些其它问题都有可能是造成部件受损的根本原因，只有识别和减少了这些状态，才能更大限度地延长设备寿命并保障设备安全运行。以上状态检测项目中，温度检测使用热电阻，压力检测使用智能压力变送器，转速检测使用电涡流传感器，振动检测采用压电式加速度传感器，跑偏检测采用跑偏开关，撕裂检测采用撕裂传感器，弯矩检测采用弯矩传感器，扭振检测采用扭振传感器。2 在线数据采集单元状态检测的传感器通过电缆连接到在线数据采集单元上，在线数据采集单元负责传感器的供电和信号采集，并且将数据、波形、开关量状态等显示在液晶屏上。数据采集模块预留以太网、总线通讯接口，采用标准通讯协议，可方便地与全厂控制系统网络进行数据交换，在厂房控制室的操作员站上能对其进行远程监控。数据采集单元有输入模块和输出模块，根据信号源的不同，输入模块进一步细分，主要有 DI 模块、DO 模块、AI 模块、AO 模块，以上模块是连接现场传感器和 CPU 的桥梁。数字量模块用于接收和输出开关信号，模拟量模块用于接收和输出热电阻、各类变送器提供的模拟电流和电压信号。该数据采集单元有独立的系统保护功能模块，具备有上电抑制和断电保护功能，并内置系统自检、通道自检及大容量存储模块，以保证足够的存储空间，并存有天、月、年划分的历史数据库。3 安全检测系统软件安全检测系统长期记录对设备管理、诊断有用的数据，提供专业的诊断图谱，通过预警提前识别各类设备的状态信息、不同故障对应的状态值的偏差，通过调用故障数据库，进行比对后，做出对故障原因、故障严重程度、故障发展趋势的预判断，得出最优维修方案。3.1 数据分析方法数据常用分析方法及优缺点如下：1）波形分析。时域波形具有直观、易于理解等特点，包含的信息量大，对于转子碰磨、轴承磨损冲击类故障，在波形图中很容易识别出来，但是不太容易看出所包含信息与故障频率的联系。2）频谱分析。频谱分析技术是随着现代电子信息和计算机技术及数字信号处理技术发展起来的有效手段。采集的振动信号经傅里变换，得到动设备振动信号的频谱图，通过分析设备振动信号中幅值较大的频率成分，即表征设备故障信息，达到对动设备故障诊断分析，可以找到部件对应的故障原因、位置和类型3。另外，电信号虽由机械运动产生，但管道内的流体介质、承载结构等成为了振动信号的干扰因素，需把干扰信号分离出来，以识别机械运动状态。3）故障频率分析。对于滚动轴承和齿轮而言，都有对应的故障频率。滚动轴承有内圈、外圈、滚动体、保持架的故障频率，齿轮有啮合频率、低速齿轮转频、高速齿轮转频。这些特征频率能够根据设备的零件参数计算出来。可将系统内置常见轴承数据库，根据所设置设备零件信息，系统可以自动计算相应的故障特征频率，并将这些特征频率在图谱上展示出来，能够帮助现场人员快速定位故障点。4）包络谱分析。振动信号的时域特征能描述轴承的性能状态，如可以用有效值在一定程度上描述轴承的故障严重程度，但是对于时域特征参数不能精确诊断出轴承的故障部位，因此需对包络信号进行频域分析。在滚动轴承的故障诊断方法中，包络谱分析能够有效地识别边频，从而找出调制信号的特性，进行轴承故障模式分类4。例如，在提取调制信号后，会得到脉冲信号，这些信号常常表征旋转部件表面的损伤，如点蚀、裂纹、磨损、剥落等。5）自相关分析。平稳状态下设备运行产生振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪声的自相关函数相近，出现周期性冲击故障时，在滞后量为其周期的整倍数处，自相关函数就会出现较大峰值，据此识别周期性的冲击故障。选择有偏估计或无偏估计的自相关函数，以增加其抗干扰能力，提升其信号分析能力，有助于故障诊断5。6）倒频谱分析。可以处理复杂频谱图上的周期结构，能分析具有同族谐频、异族谐频、多成分边频等复杂信号。如齿轮箱发生故障时，信号中会出现调制现象，转轴转频和齿轮啮合频率及其倍频形成边带信号。由于大部分齿轮箱中存在多个轴和多个齿轮，就会产生很多大小和周期都不同的周期成分混杂在一起，难以分离，倒频谱分析能够清楚地监测和分离出这些周期信号，对于齿轮箱的故障检测和分析信号是比较有效的。除了以上分析方法外，常用的分析方法还有如下：功率谱分析，通过对信号进行谐波分解，可详细了解各个部件的状态；细化谱分析，常用于解决边带特征提取和分析调制变频带和多种谐波族；全矢谱分析，该分析方法与传统方法相比，用多通道的信号代替了单通道信号，表达的信息更多，准确性更高。下转25页周宇聪H2LQM01型监测仪在秦山核电核能供暖首站的应用第10期25受外界影响较大，需在测量模拟电流输出时对端子排进行外接电路挑线后测量。探测器抗干扰能力对比。H2LQM01 型离线低放液体活度监测仪探测器至 LPDU 间连接电缆两端使用的均为预制的快插式航空插头，连接稳定可靠且插接便捷。LPDU 与电气箱之间通讯电缆为预制电缆与快插式航空插头，通讯稳定，抗干扰能力强。XH-3120 型与 XH-3120Q2 型离线液体活度监测仪探测器侧使用航空插接头，端子箱（XH-3120）或 LPDU（XH-3120Q2）侧则使用电缆芯线与端子排端接方式，在连接时流程复杂程度上升且降低了电缆抗通讯干扰能力5。综上，H2LQM01 型离线低放液体活度监测仪生产设计时间较 XH-3120 型与 XH-3120Q2 型离线液体活度监测仪更晚，故在探测器测量范围、响应时间、通讯稳定性等方面均有了一定程度的提升。5.2 探测器安装条件H2LQM01 型离线低放液体活度监测仪的安装铅室采用合页式铅室，铅室开启关闭方便，且内部便于清洁。XH-3120 型与 XH-3120Q2 型离线液体活度监测仪的安装铅室需将上层打开取下铅室盖子后，方可对内部进行操作，工作复杂程度较高。H2LQM01 型离线低放液体活度监测仪 LPDU 为铝锭压制而成，设备尺寸小巧，内部各模块均为插装式电路板，在单块电路板故障时更换方便。XH-3120Q2 型离线低放液体活度监测仪 LPDU 尺寸较大且设备沉重，内部分为多个模块，集成化程度较 H2LQM01 型监测仪低，不利于日常维护和故障维修。综上，H2LQM01 型离线低放液体活度监测仪设备安装方式、内部布局和集成化程度更符合用户需求。通过 5.1 与 5.2 节，H2LQM01 型设备与其余设备的比较，H2LQM01 型设备无论是在探测器性能、探测器安装条件、设备使用便利性、故障率、稳定性上均优于现场使用的 XH-3120 与 XH-3120Q2 型探测器，故可推广。6 结论总体来看，H2LQM01 型离线液体活度监测仪性能稳定，操作方便且配套铅室使用简便，是一款已经成熟的产品，较秦山核电二厂目前使用的离线低放液体活度监测仪更为先进。但在取样泵和过滤网方面需对设备进行改进，使设备能兼容更恶劣的取样环境。同时，监测仪用户在设备投用前也需考虑取样水的状况及环境影响，防止损坏取样回路和探测部分设备。通过上述对 H2LQM01 型离线液体活度监测仪调试方法、故障处理方法的描述和分析，为后续同类型设备安装及检修提供了有效的帮助。参考文献：中核集团核电秦山联营有限公司.H2LQM01型离线低放液体活度监测仪运行维修手册Z.中核集团核电秦山联营有限公司.辐射仪表维护岗位必读Z.2009.凌球,郭兰英编著.核辐射探测M.北京:原子能出版社,1992.常元智,屈国普,赵越,等.NaI(TI)闪烁探测器性能实验研究J.太赫兹科学与电子信息学报,2005,17(05).中核集团核电秦山联营有限公司.KRT系统手册Z.2009.12345（上接3页）3.2 软件基本功能软件具备的功能包括：1）概览统计及数据展示，包括所有设备关键信息的集中展示功能。2）可具备数字、趋势曲线、棒状图等多种丰富且直观的显示方式，可同时显示传感器状态、设备信息、通道名称、采集时间、通道报警状态等多种信息。3）具备设备运行状态智能预警功能，支持阈值预警，趋势增幅预警、趋势增速预警、自学习阈值预警。4）可预留所需信号，如振动、转速信号的 4mA20mA输出和缓冲输出，供其它系统使用，每个模块提供二级开关量，报警逻辑和报警动作延迟时间可设定。4 结论锌冶炼厂工艺复杂，火法设备和湿法设备类型繁多，通过该系统对二氧化硫风机、鼓风机、各类介质输送泵、氧气压缩机、氮气压缩机、物料输送机等设备的运行状况进行安全监测，判断趋势，诊断故障，能提高设备运行完好率，减少设备停机时间，降低维修成本，为企业带来经济效益。参考文献：艾延廷,董欢,田晶,等.一种航空发动机中介轴承故障诊断方法J.机械设计与制造,2018(10):157-160.皮骏,王辉,张银波,等.时频分析在轴承故障诊断中的应用研究J.机械设计与制造,2009(02):64-65.李政.频谱分析技术在海洋石油机泵设备常见故障诊断中的应用J.仪器仪表用户,2021,28(07):42-45.韩业锋,仲涛,石磊.基于包络谱分析的滚动轴承故障诊断分析J.检测与控制,2010,23(04):118-119.祝小彦,王永杰.基于自相关分析与MCKD的滚动轴承早期故障诊断J.振动与冲击,2019,38(24):183-188.12345