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(yùn)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

減速機(jī)在運(yùn)行中總是會產(chǎn)生振動和噪聲，當(dāng)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。