狀態(tài)監(jiān)測與預見性服務冶金技術系統(tǒng)范文

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摘要:高端維修概念和技術近年來越來越引人關注，部分原因是鋼鐵企業(yè)面臨著全球產能過剩的挑戰(zhàn)。BOXConcept，即非常先進的普銳特冶金技術狀態(tài)監(jiān)測方案和預見性維修服務，能夠顯著降低意外停產的風險，大幅度提高設備作業(yè)率，確保產品質量和人員安全。不同的評估方案包(EP)可以集成到現(xiàn)有工廠和設施中，以監(jiān)測那些選定的關鍵部件和設備或可能成為生產鏈瓶頸的工藝。介紹了冶金廠上游和下游部分的例子以及像沖擊脈沖測量(SPM)這樣的最新技術，展示了怎樣使用智能化的監(jiān)測方案來監(jiān)測先進生產系統(tǒng)。總的來說，BOXConcept是現(xiàn)代維修中心和相關預見性維修工作的首選平臺。它是轉向工業(yè)4．0的關鍵技術之一，容易擴展，投資回報(ROI)快。

關鍵詞:BOXConcept;預見性服務;維修;狀態(tài)監(jiān)測;評估方案包;振動監(jiān)測;沖擊脈沖測量;使用壽命

引言

目前，許多生產廠都使用各種系統(tǒng)、傳感器和手持式裝置進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制。不過，由于接口和通信協(xié)議的類型和兼容性的限制，這些系統(tǒng)和裝置之間難以直接進行實時雙向通信。雖然有一些專有方案，但它們價格昂貴，很少開放，不能通過實時分析工廠數(shù)據(jù)和提供高價值信息而為迅速作出生產決策提供支持［1］。物聯(lián)網(IOT)提供了基于網絡的開放的標準和方案，為從任何設備、系統(tǒng)或裝置采集數(shù)據(jù)創(chuàng)造了條件。在物聯(lián)網的早期階段，許多供應商提供了基于云的方案，將各處采集的大量數(shù)據(jù)直接傳送到云端，以便隨后進行分析和評估。物聯(lián)網與云服務相結合，能夠隨時隨地進行實時計算和給出高價值信息。舉例來說，它讓工廠經理或CEO能夠通過自己的智能手機實時監(jiān)測和預測關鍵性能指標(KPI)。這些優(yōu)點使世界各地的生產廠都能達到前所未有的運行效率。同時，物聯(lián)網產生了前所未有的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型。但當數(shù)據(jù)被傳送到云端進行分析時，相應采取對策的機會可能會被錯過。另外，傳送的巨量數(shù)據(jù)需要很大的存儲空間，增大了處理器的負荷［2］。如今一個穩(wěn)步增長的趨勢是邊緣計算。邊緣計算是盡可能靠近傳感器或裝置進行智能化處理的能力。它提供了物聯(lián)網設備的訪問、控制、安全和本地化智能，通過分離和只發(fā)送需要被分析的數(shù)據(jù)到云端而減少了數(shù)據(jù)的傳送量。它在靠近數(shù)據(jù)產生地的網絡邊緣分析對時間最敏感的數(shù)據(jù)，而不是將巨量的物聯(lián)網數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。它在毫秒級的時間內對物聯(lián)網數(shù)據(jù)作出響應，并根據(jù)預定的策略將選擇的數(shù)據(jù)傳送到云端，以用于歷史分析和長期存儲［3］。

1BOXConcept系統(tǒng)配置

BOXConcept采用了一種基于邊緣計算系統(tǒng)的結構。其他方案通常需要三家不同的系統(tǒng)供應商(分別負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析評估)，而普銳特冶金技術的BOXConcept則是三合一。圖1所示為BOXConcept的系統(tǒng)配置。現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)由專用的測量裝置采集，而其他工藝數(shù)據(jù)(比如材料跟蹤)則通過專有軟件接口直接從可編程邏輯控制器獲得。核心的評估和數(shù)據(jù)壓縮在一個或多個工廠的若干臺邊緣服務器上執(zhí)行。然后，結果通過機－機接口傳送到一個基于網絡的中央信息管理系統(tǒng)，它稱為“信息中繼器”，帶有一個數(shù)據(jù)庫。由于BOXConcept采用基于網絡的結構，工廠管理人員能夠使用智能手機或平板電腦輕松調取自己希望看到的信息或報告。他們可以通過一個有授權的連接進入工廠網絡，也可以掃描相關設備上的專用二維碼。另外，數(shù)據(jù)采集和評估結果可以上傳到一個云存儲平臺以進一步利用，比如進行基于機器學習的研究。信息還可以通過一個安全網關傳到普銳特冶金技術服務中心，進行深入分析和用于定制報告。與傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不同，BOXCon-cept方便了與企業(yè)資源計劃(ERP)等高級功能的交互。BOXConcept方案讓維修人員能夠系統(tǒng)性地生成工作訂單并將其發(fā)送給ERP，而ERP則把對所有工作訂單的反饋發(fā)回給BOXConcept。現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和獨立的測量系統(tǒng)都可以集成到BOXConcept中［4］。

2評估方案包

上述先進技術與BOXConcept平臺相結合，為面向整個冶金供應鏈設計有效的評估方案包(EP)奠定了堅實的基礎。自動生成的相關報告含有實際KPI、狀態(tài)、趨勢和報警限值等信息。由于BOXConcept平臺具有出色的靈活性，這些報告既可以盡量標準化，也可以按需定制。進一步的診斷和報告可以根據(jù)分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)保存的原始數(shù)據(jù)作出，還可以向信息中繼器發(fā)送人工測量數(shù)據(jù)，它們可以是原始信號，也可以是其他評估方案包的結果。以下例子將展示適用于不同設備類型的一些方案［5］。

2．1轉爐主軸承和傾動傳動一般來說，煉鋼廠機械設備的設計要能夠滿足長期運行的需要。比如，設備的額定使用壽命要長達20年或以上。所以，這些設備不同于普通的維修用備件，如果按照設計規(guī)范細心操作和維護，在預計壽命期內可能不需要更換部件。不過，有些設備發(fā)揮著核心功能，對日常生產至關重要。任何修理或計劃外的機械部件更換往往都很耗時間。在理想情況下，煉鋼廠會儲備一些交貨周期很長的部件，以便能夠在幾天內恢復正常運行。但是，如果鋼廠的關鍵設備沒有冗余，整個生產都會受到影響。除了采用牢固可靠的機械設計，安裝在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(CMS)也是一種能夠以很低的投資成本保證設備作業(yè)率的極具吸引力的方案。轉爐煉鋼廠安裝CMS的目的是保證特定設備長期保持高作業(yè)率，比如轉爐主軸承和傾動傳動(包括專用齒輪箱)等。轉爐主軸承狀態(tài)監(jiān)測(CM)方案能夠發(fā)現(xiàn)造成軸承損壞的主要原因，包括:(1)潤滑脂因受熱而降低潤滑性能和失去密封作用;(2)軸承外圈滾道始終承受點負荷;(3)浮動軸承達到機械極限或位置卡住;(4)耳軸銷傾斜度超出允許值，不再能夠被軸承補償;(5)忽視軸承供應商規(guī)定的維修工作。對于每種損壞原因，都有專門的評估方案包(EP)能夠在發(fā)現(xiàn)異常時告知維修人員。除了軸承溫度監(jiān)測，還有分別用于浮動和固定軸承的軸向和徑向位移測量系統(tǒng)，能夠幫助防止達到機械極限。圖2所示為轉爐主軸水位移和溫度的監(jiān)測系統(tǒng)。與之不同的是，嚴重的機械過載有可能導致機械結構突然開裂。這樣的情況不是CMS的重點，因為轉爐主軸承的CM方案專門監(jiān)測那些長期的損壞原因。CMS的主要目的是為選定的設備和核心部件提供一個執(zhí)行長期監(jiān)測的自動系統(tǒng)，避免無意義的停產檢修和安全防范。除了轉爐主軸承，包括了電氣傳動、齒輪箱和潤滑系統(tǒng)的轉爐傾動傳動也應當成為狀態(tài)監(jiān)測的重點對象。變頻傳動(VFD)所施加載荷的對稱性和過載情況按照機械設計規(guī)范進行監(jiān)測。只要保證所有傳動上的載荷正確分布，通過傾動傳動的大齒輪傳遞給耳軸銷的傾動力矩就能保持穩(wěn)定性和對稱性，而這是長期正常運行的一個基本前提條件。這項措施重點監(jiān)測傳動系統(tǒng)所有相關部件的疲勞情況，比如齒輪、傳動軸、軸承和制動器。另外，安裝在傳動和齒輪箱上用于振動監(jiān)測的加速度計能夠提供關于轉爐傾動傳動狀態(tài)的更詳細情況，如圖3所示。通過提供一整套專用EP，能夠得到一個可擴展的模塊化轉爐煉鋼CMS，使關鍵設備能夠保持高作業(yè)率，正如本文以轉爐主軸承和轉爐傾動傳動為例所介紹的那樣。不過，它的應用不止于此，也可以擴展到其他設備和系統(tǒng)。

2．2低速轉動部件的狀態(tài)監(jiān)測振動監(jiān)測也許是狀態(tài)監(jiān)測采用的已知最好的方法。對高速轉動設備來說，它絕對是首選方案，能夠得到非常滿意的結果。在許多情況下，缺陷往往在設備實際出現(xiàn)故障之前就被發(fā)現(xiàn)，因此能夠避免意外停產。遺憾的是，對于低速轉動設備，振動監(jiān)測不能成功應用，因為不能產生足夠的振動能量而被準確地測量出來。因此，對這樣的設備，預防性和預見性維修無法實施。在鋼鐵企業(yè)中，低速轉動設備的例子非常多，比如:鋼包回轉臺的回轉軸承(典型速度為1rpm)，轉爐托圈軸承(典型速度為1rpm)，高爐旋轉溜槽(典型速度低于10rpm)。對這些低速運行的設備，可以進行潤滑脂分析或軸承間隙測量，但為了制定周密的維修計劃需要更好和更詳細的信息。沖擊脈沖法(SPM)能夠填補這一“信息空白”，它能夠測量金屬(滾動體和滾道)之間相互接觸產生的微小沖擊波(應力波)。這種金屬之間的接觸是低速轉動軸承的典型情況，測到的沖擊波(沖擊脈沖)隨滾道和滾動體的狀況而明顯改變。通過分析時域波形和對應的快速傅立葉變換關系，能夠像振動分析那樣確定軸承部件的狀況。沖擊脈沖測量波如圖4所示。參考文獻［6］詳細介紹了沖擊脈沖法，同時還給出了兩個成功應用該技術的實例。圖4沖擊脈沖測量Fig．4Shockpulsemeasurement

2．3振動監(jiān)測冶金行業(yè)可以實施不同類型的振動監(jiān)測。在采用相同的傳感器和數(shù)據(jù)采集方法的情況下，分析得越全面和越智能化，就越能及早發(fā)現(xiàn)損壞問題。振動水平監(jiān)測主要采用ISO標準規(guī)定的均方根(RMS)和峰峰(P2P)報警限值，它們根據(jù)振動的時域波形而得到。這種振動監(jiān)測能夠發(fā)現(xiàn)程度嚴重的損壞和在后期預測出故障。頻率響應監(jiān)測利用快速傅立葉變換(FFT)來監(jiān)測缺陷頻率。缺陷頻率在振動分析中非常重要，因為它能讓分析人員將振動數(shù)據(jù)同設備中可能出現(xiàn)某種程度損壞的具體部件(設備缺陷)關聯(lián)起來。缺陷頻率隨被監(jiān)測設備的任何速度調整而改變。最先進的振動數(shù)據(jù)采集裝置和軟件能夠在設備轉速改變時對顯示的缺陷頻率信息自動進行重新計算。為了計算和顯示設備中具體部件的缺陷頻率，需要得到部件的信息，如軸承信息、齒輪信息等等［7］。工藝監(jiān)測的復雜程度超過了頻率響應監(jiān)測。這種監(jiān)測不僅使用了振動分析的知識，而且將其同冶金和自動化訣竅結合在一起。這兩方面的結合帶來了更準確的結果，因為它針對可能的故障指示出了多個來源。這條額外的優(yōu)點對前瞻性維修和根源分析很有幫助。舉例來說，如果一項振動分析推斷出觀察到的振動頻譜可能表明電機載荷存在偏心問題，另一個評估方案包將通過分析輥子本身的偏心度而給出更準確的說明。還有一個例子是，使用監(jiān)測潤滑油純凈度的評估方案包能夠幫助提高振動分析的水平。BOXConcept采用第三種振動監(jiān)測，即工藝監(jiān)測，結合在冶金和自動化領域獲得的數(shù)十年知識和經驗給出極具價值的重要結果。關鍵的設備和部件必須連續(xù)監(jiān)測(在線監(jiān)測)，而不太重要和非關鍵的設備可以不定期或按需監(jiān)測(離線監(jiān)測)。BoxConcept通過在所有測量裝置和數(shù)據(jù)庫之間建立直接通信而將在線和離線監(jiān)測結合到一起。來自測量裝置(比如便攜式裝置)的離線數(shù)據(jù)在存檔前打上時間標記，使它們能夠同來自現(xiàn)場儀表的在線數(shù)據(jù)合并到一起。圖5(a)展示了一套冷軋機的一個齒輪箱軸承的在線振動監(jiān)測報告，圖5(b)為使用一臺數(shù)據(jù)采集裝置(DCU)得到的一根張力輥的離線振動監(jiān)測報告。

2．4軋機機架粗軋機、精軋機或光整機經常會成為生產工藝的瓶頸，所以，不可避免地要監(jiān)測它們的狀態(tài)，至少要穩(wěn)定它們的性能。軋機的機械部件暴露在400～1200℃的高溫下，還要承受高達50MN的負荷，普通的維修制度往往難以達到預期效果。由于部件中始終存在著應變，它們會在一段時間后產生疲勞，可能造成意外斷裂或失效，這從設備性能角度來說是不希望出現(xiàn)的問題。不過，難處在于如何只使用自動化系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)對事故發(fā)生作出預測，從而不對生產帶來影響。這里的關鍵是不同設備和工藝相關參數(shù)的變化趨勢，比如傳動系統(tǒng)、軋輥、主令斜坡發(fā)生器、軋機牌坊、流體系統(tǒng)或液壓輥縫控制系統(tǒng)(HGC)。它們?yōu)榫S修人員提供了關于軸承、軸承座、耐磨板、傳動軸、軋輥和液壓缸等機械部件的額外狀態(tài)信息，有利于讓這些部件達到最長使用壽命和使產品質量保持穩(wěn)定。圖6中的評估方案包不僅通過人機界面(HMI)報警系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的實際值，還監(jiān)測過去和現(xiàn)在的變化，并且預測將來的趨勢。這種方法和振動監(jiān)測相結合，能夠提供全面和更為準確的軋機狀態(tài)信息。比如，振動監(jiān)測能夠發(fā)現(xiàn)傳動系統(tǒng)的偏心問題，但評估方案包軋輥偏心度將給出額外的信息以更準確地定位損壞的部件。另外，換輥時間延長可能表明換輥操作用到的某個機械部件出現(xiàn)了早期缺陷，加上評估方案包輥組摩擦力提供的信息，就能給出更明確的描述。

3預見性服務

監(jiān)測本身是一項比較明確的工作。如果我們談到振動監(jiān)測，只需要在設備上安放數(shù)個加速度計，以足夠高的采樣速度采集振動數(shù)據(jù)和一些工藝相關數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶，然后，用戶通常會有一種軟件能夠在特定的頻率(被監(jiān)測設備的特征頻率)上作出標記，自動生成報警，比較過去的測量值和當前值，并且執(zhí)行其他許多功能。這些都沒問題，但有一個重要的方面還沒有涉及，也就是對以下這類問題的回答:現(xiàn)在還要做什么;我的設備能否繼續(xù)運行;是否必須降低我的設備負荷才能讓它堅持到下一次計劃停產;我的設備能夠繼續(xù)安全地運行多久。這正是普銳特冶金技術對狀態(tài)監(jiān)測的理解。它不只是投入一套系統(tǒng)，而是為了獲得“可以指導行動的信息”，即狀態(tài)監(jiān)測服務的成果，這才是這項服務的真正價值所在。普銳特冶金技術長期提供這種預見性/指導性服務，它的出色效果已在數(shù)百套業(yè)績中得到證實。圖7所示為普銳特冶金技術預見性服務內容之一———報告。

4結論

命名為“BOXConcept”的普銳特冶金技術狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和服務采用了邊緣計算和現(xiàn)代通信協(xié)議，是轉向工業(yè)4．0的關鍵技術之一。它結合了來自不同冶金工藝、自動化系統(tǒng)和第三方的數(shù)據(jù)，方便了與高級別功能的交互，拉近了與被監(jiān)測設備的物理距離，同時保證了高度安全性。通過綜合分析，BOXConcept為實施高端預見性和前瞻性維修策略奠定了堅實的基礎［8］。以豐富的冶金和自動化訣竅為基礎打造的評估方案包專為監(jiān)測復雜的設備和工藝而設計，不同的方案包能夠為客戶帶來不同的優(yōu)點，比如:通過及早發(fā)現(xiàn)缺陷而降低維修成本;通過延長設備使用壽命而降低維修成本;通過減少意外停產而優(yōu)化生產和資源計劃;通過減少計劃停產而提高工廠作業(yè)率;通過報告不引人注意的設備損壞而穩(wěn)定產品質量。

單位：普銳特冶金技術德國有限公司