第5期(总第162期)
2010年10月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o. 5O ct.
文章编号:1672-6413(2010) 05-0187-03
轴系振动分析系统在旋转机械中的应用
司红波
(莱芜钢铁集团有限公司自动化部, 山东 莱芜 271104)
摘要:探讨了轴系振动分析系统在莱钢大型旋转机械中的应用, 它能对机组运行中的轴系状态作出及时、有效的分析诊断, 预防和消除故障, 确保大型旋转机械的长周期、满负荷、稳定运行。关键词:故障诊断; 旋转机械; 振动分析
中图分类号:T P273∶T H165+. 3 文献标识码:B
0 引言
在莱钢热电厂应用的大型旋转机械主要有汽轮发
电机、高炉轴流鼓风机以及TRT (Blast Furnace Top Gas Recovery T urbine Unit) 机组等。轴系运行状态的好坏是整个机组能否安全高效运行的前提, 轴系故障包括轴承磨损或温度高、转子质量不平衡、轴振大或波动、密封瓦碰磨、转子不对中等等。目前仅老区就有9台高炉鼓风机、7台发电机, 其中5号风机机组是从唐钢引进的二手设备, 历年来因机组轴系振动过大一直影响着机组的正常运行, 使供风效果大打折扣, 转子也返厂做过多次的维修。生产实践表明常规的轴系状态检测已不能满足设备稳定运行的要求, 需对振动数据作进一步的专业化分析, 提前预防或消除故障。为了有效预防或减轻大型旋转机械的故障, 近年来莱钢加强了对厂区大型旋转机械轴系的检测与故障诊断技术的研究与实施应用, 以便对机组运行中的各种状态作出及时、正确、有效的判断, 将故障的危害性降到最低程度, 也能对设备的运行进行必要的指导。1 系统技术分析1. 1 系统思路
本项目中充分利用现有设备的3500保护系统。3500的框架均采用3500/20框架接口模块, 在本项目中将其更换为3500/22TDI (T ransient Data Interface ) 瞬态数据接口模块, 用于与System 1服务器接口, 同时利用现有各个监测分站中的网络, 数据采集分站与中心站之间的通讯电缆为光纤。1. 2 系统配置
收稿日期:2010-03-12; 修回日期:2010-04-28
检测设备主要包括传感器、延伸电缆、前置器、就地电缆和3500监测保护系统。传感器采集的信号通过前置器、电缆到达主控室内的监测器; 监测器可以输出4mA ～22mA 信号和开关量信号到DCS 的IO 模板, 实现对转子机械性能的监测。3500系统的配置包括:电源两块, 框架接口模块3500/20一块, 3500/42M 三块, 3500/25一块, 3500/32两块, 3500/92一块。无论是汽轮发电机与汽轮轴流鼓风机还是高炉T RT 轴系其测点基本相同, 每个旋转机械轴系测点都包括8个轴振、轴两端的位移、1个键相。轴系检测元件通过本特利延伸电缆接到前置放大器, 然后通过电缆引入本特利3500系统, 再由3500/22瞬态数据接口模块通过以太网通讯引入System 1平台。远程分析诊断采用System 1平台开发, 并进行机组轴系过程的实时状态监测分析和故障诊断。1. 3 系统网络结构
系统通过工业以太网络将本特利振动数据采集系统与各现场控制室交换机互联, 然后通过光缆与远程监控中心交换机连接。系统网络结构见图1。1. 4 3500与System1的接口
振动保护系统利用现有3500系统框架中的3500/22M 瞬态数据接口(TDI ) 模块将系统采集的振动数据送入System 1进行分析和监测。Sy stem1服务器还可以与DCS 原生产商提供的OPC (Object Linking and Em bedding fo r Pr ocess Contr ol ) 服务接口, 接收和存储经DCS 采集并发送的过程量测点信息。这些过程量信号通过OPC 标准协议进行传送,
(, , , , ,
・188・
机械工程与自动化 2010年第5期
System 1接收到信号后存储在System 1服务器中, 并将监测、分析和诊断等综合管理信息在人机界面上显示。每个网络交换机配有网线接口用于连接3500框架和站内数据采集服务器。
1. 5 System 1信号输入
所有纳入System 1监测和管理范围内的测点信号按照机械监测等级可分为以下两类:
(1) 关键设备的测点信号:由3500监测模块测量获得的键相、振动、位移等信号, 并通过3500/22T DI 瞬态数据接口模块按照T CP /IP 的通讯方式发送到System 1数据采集服务器。在3500框架中要求配置瞬
态数据接口(TDI) 模块3500/22M , 它完成了框架内模
块的通讯, 同时提供了与System 1状态监测与诊断软件之间的接口。
(2) 其他信号:过程量测点信号来源于DCS/PLC 数据采集, 并通过DCS 供应商的OPC 服务器采用
这些OPC 标准通讯协议将其传送到System 1服务器。过程量可以是设备的运行状态、压力、温度、流量等信号。这些数据可以采用以太网OPC 、DDE 、NetDDE
或M odbus 方式输入System 1, 本系统采用OPC 通讯
协议完成过程量数据的输入。
图1 系统网络结构示意图
1. 6 基于Web 的B/S 结构发布
本系统配置了独立的服务器, 上面除了安装有Citrix 支持软件外, 还安装有System 1显示软件包。Citrix 可以将System 1显示界面变为可以通过IE 浏览的用户界面。用户可以在IE 标准界面中操作System 1显示界面, 就如同直接在Sy stem 1中操作一样。
构建好系统环境之后, 访问端用户只需使用一个标准的Web 浏览器就能够访问到所发布的应用软件, 局域网上的任何一台计算机不需要安装任何客户端分析软件即可浏览所有分析诊断画面。用户只需要输入自己的用户名和密码, 鼠标点击所要显示的图谱、报表或菜单, 所有操作都会象运行本地显示软件一样高效。
1. 7 可扩展性
本系统提供的状态和故障分析系统配置可在今后的用户实际使用中根据新的要求和规模进行系统扩展, 而不需要更换当前的系统。如果在今后需要将更多的3500框架引入现有的System 1管理系统中, 那么只需在现有系统和网络结构的基础上进行系统升级或扩展即可。
2 系统主要功能
2. 1 振动数据连续采集并提供各种轴振分析图谱
,
在机械瞬态和稳态的情况下, 可以自动采集并处理振
动量和过程量的数据, 并储存所监测的参数, 可提供时域波形图、轴心轨迹图、频谱图/全频谱图、三维瀑布图、波特图等。2. 2 故障诊断
系统提供原因分析功能, 使用户能进行深入研究, 探查导致故障发生的事件顺序, 应用强大的图形和图表分析数据, 并通过将所得结论以注释形式粘贴到数据库中或生成新的规则来对得到的知识进行记录, 以便自动分析将来基于同样原因所发生的事件。2. 3 故障报警
对系统中直接或计算的测量量与用户定义的软件报警设置点进行比较, 连接到System 1的硬件生成报警补充。这些硬件报警也包含在System 1的数据库中, 并通过事件管理器和System 1灵活的通知功能发布出来。按级别划分软件报警, 无论是高于还是低于某一级别, 都与某一测量相关。对应于一个测量最多有4个软件报警(硬件报警除外) 。除了报警类型以外, 用户还可以建立严重级别。例如, 低级别的报警可以定义为1, 高级别则可以定义为2, 更高级别则为3, 等等。
2. 4 趋势分析
对同步和非同步采样的动态波形数据进行趋势分,
2010年第5期 机械工程与自动化
・189・
件的动态和静态数据。2. 5 提供故障解决方案
对运行状态加以监测, 而后对相应的运行人员发出警告指示, 并提供推荐的修正措施。这些可操作建议信息通过寻呼机、移动电话、电子邮件、计算机屏幕弹出窗口等多种通知机制被发送给负责制定决策和采取必要措施的人员, 使他们能以优化企业运营的方式做出积极的响应。3 应用效果
该系统能准确而及时地把握整个机组轴系运行状
况, 通过功能强大的振动信号分析、诊断, 迅速做出运行评估与维修计划指导方案, 有效地判断、预防和消除故障, 保证了大型机组的长周期、满负荷安全运行。
参考文献:
[1] 李国华. 机械故障诊断[M ].北京:化学工业出版社, 1999. [2] 王仲生. 智能故障诊断与容错控制[M ].西安:西北工业
大学出版社, 2005.
[3] 宋斌, 安魁君. 汽轮发电机组振动故障诊断技术概述[J].
山东电力技术, 2001(4) :58.
Application of Shaft Vibration Analysis
System in Rotating Machinery
SI Hong -bo
(Au tom ation Department of Laiwu Iron an d S teel Group Co . , Ltd . , Laiwu 271104, China )
Abstract :T his article discusses the applicat ion of shaft v ibrat ion ana ly sis system in lar ge ro tating machiner y in Laiwu Ir on and Steel Gr oup. T he sy stem can m ake tim ely , cor r ect and effectiv e analysis and dia gnosis to r unning machines, to g uarantee the lar ge ro tating machines operat ion nor mally.
Key words :fault diagno sis ; r ot ating machiner y ; v ibr atio n a nalysis
(上接第186页
)
图5 模糊PID 控制器框图
参考文献:
[1] 任宇飞. 感应电机软启动新技术[D ]. 武汉:华中科技大
学, 2005:10-25.
[2] 张斌, 尚刚. 高压交流感应电机软启动技术的发展[J].变
流技术与电力牵引, 2006(2) :75-78.
[3] 高淑萍. 智能型交流异步电机软启动器的研究[D ].西安:
西安理工大学, 2005:3-4.
[4] 袁佑新, 王亚兰, 彭万权, 等. 基于可变电抗的高压软启动
器研究[J].电力自动化设备, 2007, 27(11) :38-41. [5] 彭万权. 电机软启动智能控制器的研究[D]. 武汉:武汉理
工大学, 2008:3.
Design of Intelligent Magnetic -controlled Soft Starter for Motor
ZHOU Kui
(Jiangsu Huai'an Information Profess ional Technical C ollege, Huai'an 223003, China)
Abstract :T his pa per pr esents a new desig n scheme of mag net ic -contr olled soft star ter based on L PC 2294micro pr o cessor , in w hich a mag netically co nt ro lled satur ated r eactor is ser ially connect ed in the stato r cir cuit to ensure the star t smoo th. It designs the hardw are cir cuits and so ftwa re pro gr ams, and puts for war d the fuzzy P ID contr ol algo rithm and contr oller design. Key
第5期(总第162期)
2010年10月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o. 5O ct.
文章编号:1672-6413(2010) 05-0187-03
轴系振动分析系统在旋转机械中的应用
司红波
(莱芜钢铁集团有限公司自动化部, 山东 莱芜 271104)
摘要:探讨了轴系振动分析系统在莱钢大型旋转机械中的应用, 它能对机组运行中的轴系状态作出及时、有效的分析诊断, 预防和消除故障, 确保大型旋转机械的长周期、满负荷、稳定运行。关键词:故障诊断; 旋转机械; 振动分析
中图分类号:T P273∶T H165+. 3 文献标识码:B
0 引言
在莱钢热电厂应用的大型旋转机械主要有汽轮发
电机、高炉轴流鼓风机以及TRT (Blast Furnace Top Gas Recovery T urbine Unit) 机组等。轴系运行状态的好坏是整个机组能否安全高效运行的前提, 轴系故障包括轴承磨损或温度高、转子质量不平衡、轴振大或波动、密封瓦碰磨、转子不对中等等。目前仅老区就有9台高炉鼓风机、7台发电机, 其中5号风机机组是从唐钢引进的二手设备, 历年来因机组轴系振动过大一直影响着机组的正常运行, 使供风效果大打折扣, 转子也返厂做过多次的维修。生产实践表明常规的轴系状态检测已不能满足设备稳定运行的要求, 需对振动数据作进一步的专业化分析, 提前预防或消除故障。为了有效预防或减轻大型旋转机械的故障, 近年来莱钢加强了对厂区大型旋转机械轴系的检测与故障诊断技术的研究与实施应用, 以便对机组运行中的各种状态作出及时、正确、有效的判断, 将故障的危害性降到最低程度, 也能对设备的运行进行必要的指导。1 系统技术分析1. 1 系统思路
本项目中充分利用现有设备的3500保护系统。3500的框架均采用3500/20框架接口模块, 在本项目中将其更换为3500/22TDI (T ransient Data Interface ) 瞬态数据接口模块, 用于与System 1服务器接口, 同时利用现有各个监测分站中的网络, 数据采集分站与中心站之间的通讯电缆为光纤。1. 2 系统配置
收稿日期:2010-03-12; 修回日期:2010-04-28
检测设备主要包括传感器、延伸电缆、前置器、就地电缆和3500监测保护系统。传感器采集的信号通过前置器、电缆到达主控室内的监测器; 监测器可以输出4mA ～22mA 信号和开关量信号到DCS 的IO 模板, 实现对转子机械性能的监测。3500系统的配置包括:电源两块, 框架接口模块3500/20一块, 3500/42M 三块, 3500/25一块, 3500/32两块, 3500/92一块。无论是汽轮发电机与汽轮轴流鼓风机还是高炉T RT 轴系其测点基本相同, 每个旋转机械轴系测点都包括8个轴振、轴两端的位移、1个键相。轴系检测元件通过本特利延伸电缆接到前置放大器, 然后通过电缆引入本特利3500系统, 再由3500/22瞬态数据接口模块通过以太网通讯引入System 1平台。远程分析诊断采用System 1平台开发, 并进行机组轴系过程的实时状态监测分析和故障诊断。1. 3 系统网络结构
系统通过工业以太网络将本特利振动数据采集系统与各现场控制室交换机互联, 然后通过光缆与远程监控中心交换机连接。系统网络结构见图1。1. 4 3500与System1的接口
振动保护系统利用现有3500系统框架中的3500/22M 瞬态数据接口(TDI ) 模块将系统采集的振动数据送入System 1进行分析和监测。Sy stem1服务器还可以与DCS 原生产商提供的OPC (Object Linking and Em bedding fo r Pr ocess Contr ol ) 服务接口, 接收和存储经DCS 采集并发送的过程量测点信息。这些过程量信号通过OPC 标准协议进行传送,
(, , , , ,
・188・
机械工程与自动化 2010年第5期
System 1接收到信号后存储在System 1服务器中, 并将监测、分析和诊断等综合管理信息在人机界面上显示。每个网络交换机配有网线接口用于连接3500框架和站内数据采集服务器。
1. 5 System 1信号输入
所有纳入System 1监测和管理范围内的测点信号按照机械监测等级可分为以下两类:
(1) 关键设备的测点信号:由3500监测模块测量获得的键相、振动、位移等信号, 并通过3500/22T DI 瞬态数据接口模块按照T CP /IP 的通讯方式发送到System 1数据采集服务器。在3500框架中要求配置瞬
态数据接口(TDI) 模块3500/22M , 它完成了框架内模
块的通讯, 同时提供了与System 1状态监测与诊断软件之间的接口。
(2) 其他信号:过程量测点信号来源于DCS/PLC 数据采集, 并通过DCS 供应商的OPC 服务器采用
这些OPC 标准通讯协议将其传送到System 1服务器。过程量可以是设备的运行状态、压力、温度、流量等信号。这些数据可以采用以太网OPC 、DDE 、NetDDE
或M odbus 方式输入System 1, 本系统采用OPC 通讯
协议完成过程量数据的输入。
图1 系统网络结构示意图
1. 6 基于Web 的B/S 结构发布
本系统配置了独立的服务器, 上面除了安装有Citrix 支持软件外, 还安装有System 1显示软件包。Citrix 可以将System 1显示界面变为可以通过IE 浏览的用户界面。用户可以在IE 标准界面中操作System 1显示界面, 就如同直接在Sy stem 1中操作一样。
构建好系统环境之后, 访问端用户只需使用一个标准的Web 浏览器就能够访问到所发布的应用软件, 局域网上的任何一台计算机不需要安装任何客户端分析软件即可浏览所有分析诊断画面。用户只需要输入自己的用户名和密码, 鼠标点击所要显示的图谱、报表或菜单, 所有操作都会象运行本地显示软件一样高效。
1. 7 可扩展性
本系统提供的状态和故障分析系统配置可在今后的用户实际使用中根据新的要求和规模进行系统扩展, 而不需要更换当前的系统。如果在今后需要将更多的3500框架引入现有的System 1管理系统中, 那么只需在现有系统和网络结构的基础上进行系统升级或扩展即可。
2 系统主要功能
2. 1 振动数据连续采集并提供各种轴振分析图谱
,
在机械瞬态和稳态的情况下, 可以自动采集并处理振
动量和过程量的数据, 并储存所监测的参数, 可提供时域波形图、轴心轨迹图、频谱图/全频谱图、三维瀑布图、波特图等。2. 2 故障诊断
系统提供原因分析功能, 使用户能进行深入研究, 探查导致故障发生的事件顺序, 应用强大的图形和图表分析数据, 并通过将所得结论以注释形式粘贴到数据库中或生成新的规则来对得到的知识进行记录, 以便自动分析将来基于同样原因所发生的事件。2. 3 故障报警
对系统中直接或计算的测量量与用户定义的软件报警设置点进行比较, 连接到System 1的硬件生成报警补充。这些硬件报警也包含在System 1的数据库中, 并通过事件管理器和System 1灵活的通知功能发布出来。按级别划分软件报警, 无论是高于还是低于某一级别, 都与某一测量相关。对应于一个测量最多有4个软件报警(硬件报警除外) 。除了报警类型以外, 用户还可以建立严重级别。例如, 低级别的报警可以定义为1, 高级别则可以定义为2, 更高级别则为3, 等等。
2. 4 趋势分析
对同步和非同步采样的动态波形数据进行趋势分,
2010年第5期 机械工程与自动化
・189・
件的动态和静态数据。2. 5 提供故障解决方案
对运行状态加以监测, 而后对相应的运行人员发出警告指示, 并提供推荐的修正措施。这些可操作建议信息通过寻呼机、移动电话、电子邮件、计算机屏幕弹出窗口等多种通知机制被发送给负责制定决策和采取必要措施的人员, 使他们能以优化企业运营的方式做出积极的响应。3 应用效果
该系统能准确而及时地把握整个机组轴系运行状
况, 通过功能强大的振动信号分析、诊断, 迅速做出运行评估与维修计划指导方案, 有效地判断、预防和消除故障, 保证了大型机组的长周期、满负荷安全运行。
参考文献:
[1] 李国华. 机械故障诊断[M ].北京:化学工业出版社, 1999. [2] 王仲生. 智能故障诊断与容错控制[M ].西安:西北工业
大学出版社, 2005.
[3] 宋斌, 安魁君. 汽轮发电机组振动故障诊断技术概述[J].
山东电力技术, 2001(4) :58.
Application of Shaft Vibration Analysis
System in Rotating Machinery
SI Hong -bo
(Au tom ation Department of Laiwu Iron an d S teel Group Co . , Ltd . , Laiwu 271104, China )
Abstract :T his article discusses the applicat ion of shaft v ibrat ion ana ly sis system in lar ge ro tating machiner y in Laiwu Ir on and Steel Gr oup. T he sy stem can m ake tim ely , cor r ect and effectiv e analysis and dia gnosis to r unning machines, to g uarantee the lar ge ro tating machines operat ion nor mally.
Key words :fault diagno sis ; r ot ating machiner y ; v ibr atio n a nalysis
(上接第186页
)
图5 模糊PID 控制器框图
参考文献:
[1] 任宇飞. 感应电机软启动新技术[D ]. 武汉:华中科技大
学, 2005:10-25.
[2] 张斌, 尚刚. 高压交流感应电机软启动技术的发展[J].变
流技术与电力牵引, 2006(2) :75-78.
[3] 高淑萍. 智能型交流异步电机软启动器的研究[D ].西安:
西安理工大学, 2005:3-4.
[4] 袁佑新, 王亚兰, 彭万权, 等. 基于可变电抗的高压软启动
器研究[J].电力自动化设备, 2007, 27(11) :38-41. [5] 彭万权. 电机软启动智能控制器的研究[D]. 武汉:武汉理
工大学, 2008:3.
Design of Intelligent Magnetic -controlled Soft Starter for Motor
ZHOU Kui
(Jiangsu Huai'an Information Profess ional Technical C ollege, Huai'an 223003, China)
Abstract :T his pa per pr esents a new desig n scheme of mag net ic -contr olled soft star ter based on L PC 2294micro pr o cessor , in w hich a mag netically co nt ro lled satur ated r eactor is ser ially connect ed in the stato r cir cuit to ensure the star t smoo th. It designs the hardw are cir cuits and so ftwa re pro gr ams, and puts for war d the fuzzy P ID contr ol algo rithm and contr oller design. Key