機(jī)械真空泵遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

機(jī)械真空泵遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告【摘要】為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的安全生產(chǎn)和高效運(yùn)維，優(yōu)化工業(yè)運(yùn)營與決策，工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷是當(dāng)下的發(fā)展趨勢。通過搭建RH真空精煉機(jī)械真空泵遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)，建立流程數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和運(yùn)行保障專家系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械真空泵設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維以及故障分析，達(dá)到減少真空系統(tǒng)故障率、降低設(shè)備維護(hù)成本、提高設(shè)備生產(chǎn)效率的效果。

【關(guān)鍵詞】真空精煉;機(jī)械真空泵;遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng);故障診斷

引言

工業(yè)大數(shù)據(jù)可理解為是工業(yè)領(lǐng)域信息化應(yīng)用中所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，作為互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)科學(xué)以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)相互融合的產(chǎn)物，越來越多的參與到了工業(yè)發(fā)展中。工業(yè)大數(shù)據(jù)除了具備一些傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)的特征（海量、多變及多變性），還擁有更強(qiáng)的目的性和指導(dǎo)決策性。同時(shí)，工業(yè)大數(shù)據(jù)面向更加復(fù)雜的工業(yè)流程，具備更高的穩(wěn)定性，避免了數(shù)據(jù)間斷或殘缺，保證了數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量。由于工業(yè)大數(shù)據(jù)將直接參與設(shè)備控制與決策，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是優(yōu)化決策的基本保障。在我國鋼鐵行業(yè)對工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化的升級改造過程中，智能監(jiān)控系統(tǒng)已取得了長足進(jìn)步。但針對機(jī)械泵的溫度、振動(dòng)、粉塵濃度、轉(zhuǎn)速、功率等多源異質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和故障診斷的自動(dòng)化控制系統(tǒng)尚未取得工業(yè)化應(yīng)用。通過對多元參數(shù)綜合分析以預(yù)測真空泵和控制設(shè)備的故障。通過i-LERT3180模型系統(tǒng)，對泵的工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，通過可視化技術(shù)連續(xù)測量振動(dòng)和溫度信息以衡量泵的健康指標(biāo)等故障監(jiān)測系統(tǒng)未能在國內(nèi)推廣。因此，對機(jī)械泵真空系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測和快速故障診斷顯得尤為重要。

1機(jī)械真空泵基本原理

機(jī)械真空泵包括前級羅茨泵及末級螺桿泵，都屬于旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡?。?）羅茨泵基本原理是通過轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，將需要被真空的氣體從進(jìn)氣口抽進(jìn)轉(zhuǎn)子與泵之間的上側(cè)封閉空間內(nèi)，再通過排氣口排出氣體。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，上側(cè)封閉空間一開始無壓力變化，隨著轉(zhuǎn)子頂部經(jīng)過排氣口時(shí)，與排氣口相連的下冊封閉空間壓力增大，壓力差會(huì)使部分氣體被擠入上側(cè)封閉空間，上側(cè)壓力隨即增大，隨轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終氣體被排出泵外。（2）螺桿真空泵將兩根由軸承作支撐的螺桿安裝在泵腔內(nèi)，兩個(gè)螺桿之間預(yù)留空間。當(dāng)設(shè)備開始工作，兩個(gè)轉(zhuǎn)子在泵內(nèi)空間反向高速旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生吸氣和抽氣兩種動(dòng)作。螺桿泵的工作主要靠容積的擴(kuò)大和縮小實(shí)現(xiàn)，相比于羅茨泵結(jié)構(gòu)更加簡單穩(wěn)定且環(huán)保。由于單臺(tái)機(jī)械泵抽氣能力的局限性，全機(jī)械真空泵系統(tǒng)由許多臺(tái)機(jī)械泵串并聯(lián)組成。整體機(jī)械真空泵系統(tǒng)由四級泵組共同組成。在保證整體真空系統(tǒng)抽氣能力的前提下，每一級泵組的單體泵根據(jù)需要運(yùn)行啟動(dòng)或處于備用狀態(tài)。對于RH精煉爐機(jī)械泵組，常見的故障有高溫故障、震動(dòng)故障、超負(fù)荷、達(dá)不到設(shè)定流量等。

2機(jī)械真空泵遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)由現(xiàn)場設(shè)備端、中間端和遠(yuǎn)程客戶端三部分組成。該架構(gòu)的現(xiàn)場設(shè)備端PLC直接連接RH機(jī)械真空泵組，同時(shí)添加了工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)作為中間端。設(shè)備現(xiàn)場端通過對RH機(jī)械真空泵組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行PLC協(xié)議解析，中間端的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)將PLC的數(shù)據(jù)周期性采集并完成數(shù)據(jù)的邊緣計(jì)算和處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。最終遠(yuǎn)程客戶端的終端和服務(wù)器通過對工業(yè)網(wǎng)管采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警、報(bào)警。該系統(tǒng)利用工業(yè)數(shù)據(jù)智能采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該網(wǎng)關(guān)采用高性能工業(yè)級處理器和工業(yè)級無線模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，通過以太網(wǎng)接口連接到PLC硬件實(shí)現(xiàn)對主流協(xié)議硬件的解析，最終實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。通過該工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)被放置于專有的工業(yè)數(shù)據(jù)庫中。除一般數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)和用途外，工業(yè)數(shù)據(jù)庫作為面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫，主要儲(chǔ)存監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)中的所有對象的屬性和參數(shù)。數(shù)據(jù)庫對象根據(jù)功能被放置于接口層、交換層和監(jiān)控層。

2.2系統(tǒng)功能

大型機(jī)械真空泵系統(tǒng)采用多泵組，通過分布式數(shù)據(jù)采集、集中式在線監(jiān)測與診斷的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控各機(jī)械泵故障劣化趨勢，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)、智能化分析故障原因，為設(shè)備檢修決策提供依據(jù)，系統(tǒng)分為三層設(shè)計(jì)：（1）數(shù)據(jù)采集層：包括真空泵的電機(jī)頻率、電機(jī)電流、電機(jī)功率，泵體振動(dòng)強(qiáng)度、廢氣溫度、真空壓力、粉塵濃度、廢氣流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并打包存儲(chǔ);（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：將現(xiàn)場存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)分析中心;（3）應(yīng)用層：基于物聯(lián)網(wǎng)的云端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)、管理（記錄存儲(chǔ)采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)），通過故障歷史庫、專家?guī)煜到y(tǒng)、預(yù)測分析模型實(shí)現(xiàn)真空泵的故障診斷與預(yù)測。

3機(jī)械真空泵運(yùn)行溫度監(jiān)測與故障診斷

3.1真空泵運(yùn)行溫度監(jiān)測與故障診斷

機(jī)械真空泵系統(tǒng)中每臺(tái)單泵和泵組間都設(shè)有溫度防護(hù)。每臺(tái)泵的進(jìn)氣管路和排氣管路都設(shè)有溫度傳感器。當(dāng)某級泵進(jìn)氣、排氣管路溫度在正常值范圍內(nèi)時(shí)，泵組依據(jù)壓力-頻率曲線，改變運(yùn)行頻率。當(dāng)監(jiān)測出真空泵入口或出口溫度超高報(bào)警值，系統(tǒng)認(rèn)定為真空泵運(yùn)行溫度過高，發(fā)出報(bào)警提示用戶。系統(tǒng)將自檢泵體冷卻水流量、電機(jī)電流負(fù)載、泵入口氣體溫度、泵出口氣體溫度。根據(jù)故障點(diǎn)調(diào)用處理程序或故障解決方案至系統(tǒng)頁面。如入口溫度值過高發(fā)生報(bào)警時(shí)，入口溫升-降頻曲線投入使用，限制泵組的運(yùn)行頻率，防止泵體發(fā)生損傷。當(dāng)排氣管路溫度過高時(shí)，出口溫升-降頻曲線投入使用，逐漸降低泵組的運(yùn)行頻率。當(dāng)兩路溫度超過停機(jī)閾值時(shí)，該級泵組停止并退出。溫度降低后，泵組再次投入，重新參與系統(tǒng)的抽真空處理。如監(jiān)測出冷卻水流量小于報(bào)警值，將提醒用戶檢查冷卻水回路，如有必要調(diào)整調(diào)節(jié)閥。如監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常，則推薦故障解決方案。

3.2真空泵運(yùn)行異常監(jiān)測與故障診斷

在生產(chǎn)過程泵正常運(yùn)行中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)將每臺(tái)泵的實(shí)際運(yùn)行電流和實(shí)際振幅與同組其他泵進(jìn)行對比。當(dāng)實(shí)際電流大于電機(jī)額定電流或振幅值明顯異于同組其他泵時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為真空泵運(yùn)行出現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警提示用戶并推薦故障解決方案。如電流實(shí)際值大于停機(jī)值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)關(guān)閉該臺(tái)泵入口閥門、切斷電機(jī)電源，停泵，待用戶停機(jī)檢修。如圖4所示，三級4#泵啟動(dòng)時(shí)電流112%，大于電機(jī)額定電流，變頻器會(huì)立即發(fā)出警報(bào)至云端數(shù)據(jù)庫，提示用戶采取關(guān)閉該臺(tái)泵入口閥門并停泵，防止羅茨泵轉(zhuǎn)子出現(xiàn)卡損壞。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某臺(tái)泵振幅值異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，提示用戶此泵的異常狀態(tài)。同時(shí)關(guān)閉該臺(tái)泵入口閥門，同時(shí)切斷電機(jī)電源，停泵，待用戶停機(jī)檢修。

結(jié)語

在工業(yè)大數(shù)據(jù)的推動(dòng)下，工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷，是當(dāng)下工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)營優(yōu)化和高效生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)力。在診斷平臺(tái)的幫助下，用戶及維保人員除了可以監(jiān)控泵組設(shè)備的運(yùn)行