状态监测与预见性服务冶金技术系统范文

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摘要:高端维修概念和技术近年来越来越引人关注，部分原因是钢铁企业面临着全球产能过剩的挑战。BOXConcept，即非常先进的普锐特冶金技术状态监测方案和预见性维修服务，能够显著降低意外停产的风险，大幅度提高设备作业率，确保产品质量和人员安全。不同的评估方案包(EP)可以集成到现有工厂和设施中，以监测那些选定的关键部件和设备或可能成为生产链瓶颈的工艺。介绍了冶金厂上游和下游部分的例子以及像冲击脉冲测量(SPM)这样的最新技术，展示了怎样使用智能化的监测方案来监测先进生产系统。总的来说，BOXConcept是现代维修中心和相关预见性维修工作的首选平台。它是转向工业4．0的关键技术之一，容易扩展，投资回报(ROI)快。

关键词:BOXConcept;预见性服务;维修;状态监测;评估方案包;振动监测;冲击脉冲测量;使用寿命

引言

目前，许多生产厂都使用各种系统、传感器和手持式装置进行数据采集和监测控制。不过，由于接口和通信协议的类型和兼容性的限制，这些系统和装置之间难以直接进行实时双向通信。虽然有一些专有方案，但它们价格昂贵，很少开放，不能通过实时分析工厂数据和提供高价值信息而为迅速作出生产决策提供支持［1］。物联网(IOT)提供了基于网络的开放的标准和方案，为从任何设备、系统或装置采集数据创造了条件。在物联网的早期阶段，许多供应商提供了基于云的方案，将各处采集的大量数据直接传送到云端，以便随后进行分析和评估。物联网与云服务相结合，能够随时随地进行实时计算和给出高价值信息。举例来说，它让工厂经理或CEO能够通过自己的智能手机实时监测和预测关键性能指标(KPI)。这些优点使世界各地的生产厂都能达到前所未有的运行效率。同时，物联网产生了前所未有的数据量和数据类型。但当数据被传送到云端进行分析时，相应采取对策的机会可能会被错过。另外，传送的巨量数据需要很大的存储空间，增大了处理器的负荷［2］。如今一个稳步增长的趋势是边缘计算。边缘计算是尽可能靠近传感器或装置进行智能化处理的能力。它提供了物联网设备的访问、控制、安全和本地化智能，通过分离和只发送需要被分析的数据到云端而减少了数据的传送量。它在靠近数据产生地的网络边缘分析对时间最敏感的数据，而不是将巨量的物联网数据发送到云端。它在毫秒级的时间内对物联网数据作出响应，并根据预定的策略将选择的数据传送到云端，以用于历史分析和长期存储［3］。

1BOXConcept系统配置

BOXConcept采用了一种基于边缘计算系统的结构。其他方案通常需要三家不同的系统供应商(分别负责数据采集、数据处理和分析评估)，而普锐特冶金技术的BOXConcept则是三合一。图1所示为BOXConcept的系统配置。现场测量数据由专用的测量装置采集，而其他工艺数据(比如材料跟踪)则通过专有软件接口直接从可编程逻辑控制器获得。核心的评估和数据压缩在一个或多个工厂的若干台边缘服务器上执行。然后，结果通过机－机接口传送到一个基于网络的中央信息管理系统，它称为“信息中继器”，带有一个数据库。由于BOXConcept采用基于网络的结构，工厂管理人员能够使用智能手机或平板电脑轻松调取自己希望看到的信息或报告。他们可以通过一个有授权的连接进入工厂网络，也可以扫描相关设备上的专用二维码。另外，数据采集和评估结果可以上传到一个云存储平台以进一步利用，比如进行基于机器学习的研究。信息还可以通过一个安全网关传到普锐特冶金技术服务中心，进行深入分析和用于定制报告。与传统的状态监测系统不同，BOXCon-cept方便了与企业资源计划(ERP)等高级功能的交互。BOXConcept方案让维修人员能够系统性地生成工作订单并将其发送给ERP，而ERP则把对所有工作订单的反馈发回给BOXConcept。现有的状态监测系统和独立的测量系统都可以集成到BOXConcept中［4］。

2评估方案包

上述先进技术与BOXConcept平台相结合，为面向整个冶金供应链设计有效的评估方案包(EP)奠定了坚实的基础。自动生成的相关报告含有实际KPI、状态、趋势和报警限值等信息。由于BOXConcept平台具有出色的灵活性，这些报告既可以尽量标准化，也可以按需定制。进一步的诊断和报告可以根据分布式状态监测系统保存的原始数据作出，还可以向信息中继器发送人工测量数据，它们可以是原始信号，也可以是其他评估方案包的结果。以下例子将展示适用于不同设备类型的一些方案［5］。

2．1转炉主轴承和倾动传动一般来说，炼钢厂机械设备的设计要能够满足长期运行的需要。比如，设备的额定使用寿命要长达20年或以上。所以，这些设备不同于普通的维修用备件，如果按照设计规范细心操作和维护，在预计寿命期内可能不需要更换部件。不过，有些设备发挥着核心功能，对日常生产至关重要。任何修理或计划外的机械部件更换往往都很耗时间。在理想情况下，炼钢厂会储备一些交货周期很长的部件，以便能够在几天内恢复正常运行。但是，如果钢厂的关键设备没有冗余，整个生产都会受到影响。除了采用牢固可靠的机械设计，安装在线状态监测系统(CMS)也是一种能够以很低的投资成本保证设备作业率的极具吸引力的方案。转炉炼钢厂安装CMS的目的是保证特定设备长期保持高作业率，比如转炉主轴承和倾动传动(包括专用齿轮箱)等。转炉主轴承状态监测(CM)方案能够发现造成轴承损坏的主要原因，包括:(1)润滑脂因受热而降低润滑性能和失去密封作用;(2)轴承外圈滚道始终承受点负荷;(3)浮动轴承达到机械极限或位置卡住;(4)耳轴销倾斜度超出允许值，不再能够被轴承补偿;(5)忽视轴承供应商规定的维修工作。对于每种损坏原因，都有专门的评估方案包(EP)能够在发现异常时告知维修人员。除了轴承温度监测，还有分别用于浮动和固定轴承的轴向和径向位移测量系统，能够帮助防止达到机械极限。图2所示为转炉主轴水位移和温度的监测系统。与之不同的是，严重的机械过载有可能导致机械结构突然开裂。这样的情况不是CMS的重点，因为转炉主轴承的CM方案专门监测那些长期的损坏原因。CMS的主要目的是为选定的设备和核心部件提供一个执行长期监测的自动系统，避免无意义的停产检修和安全防范。除了转炉主轴承，包括了电气传动、齿轮箱和润滑系统的转炉倾动传动也应当成为状态监测的重点对象。变频传动(VFD)所施加载荷的对称性和过载情况按照机械设计规范进行监测。只要保证所有传动上的载荷正确分布，通过倾动传动的大齿轮传递给耳轴销的倾动力矩就能保持稳定性和对称性，而这是长期正常运行的一个基本前提条件。这项措施重点监测传动系统所有相关部件的疲劳情况，比如齿轮、传动轴、轴承和制动器。另外，安装在传动和齿轮箱上用于振动监测的加速度计能够提供关于转炉倾动传动状态的更详细情况，如图3所示。通过提供一整套专用EP，能够得到一个可扩展的模块化转炉炼钢CMS，使关键设备能够保持高作业率，正如本文以转炉主轴承和转炉倾动传动为例所介绍的那样。不过，它的应用不止于此，也可以扩展到其他设备和系统。

2．2低速转动部件的状态监测振动监测也许是状态监测采用的已知最好的方法。对高速转动设备来说，它绝对是首选方案，能够得到非常满意的结果。在许多情况下，缺陷往往在设备实际出现故障之前就被发现，因此能够避免意外停产。遗憾的是，对于低速转动设备，振动监测不能成功应用，因为不能产生足够的振动能量而被准确地测量出来。因此，对这样的设备，预防性和预见性维修无法实施。在钢铁企业中，低速转动设备的例子非常多，比如:钢包回转台的回转轴承(典型速度为1rpm)，转炉托圈轴承(典型速度为1rpm)，高炉旋转溜槽(典型速度低于10rpm)。对这些低速运行的设备，可以进行润滑脂分析或轴承间隙测量，但为了制定周密的维修计划需要更好和更详细的信息。冲击脉冲法(SPM)能够填补这一“信息空白”，它能够测量金属(滚动体和滚道)之间相互接触产生的微小冲击波(应力波)。这种金属之间的接触是低速转动轴承的典型情况，测到的冲击波(冲击脉冲)随滚道和滚动体的状况而明显改变。通过分析时域波形和对应的快速傅立叶变换关系，能够像振动分析那样确定轴承部件的状况。冲击脉冲测量波如图4所示。参考文献［6］详细介绍了冲击脉冲法，同时还给出了两个成功应用该技术的实例。图4冲击脉冲测量Fig．4Shockpulsemeasurement

2．3振动监测冶金行业可以实施不同类型的振动监测。在采用相同的传感器和数据采集方法的情况下，分析得越全面和越智能化，就越能及早发现损坏问题。振动水平监测主要采用ISO标准规定的均方根(RMS)和峰峰(P2P)报警限值，它们根据振动的时域波形而得到。这种振动监测能够发现程度严重的损坏和在后期预测出故障。频率响应监测利用快速傅立叶变换(FFT)来监测缺陷频率。缺陷频率在振动分析中非常重要，因为它能让分析人员将振动数据同设备中可能出现某种程度损坏的具体部件(设备缺陷)关联起来。缺陷频率随被监测设备的任何速度调整而改变。最先进的振动数据采集装置和软件能够在设备转速改变时对显示的缺陷频率信息自动进行重新计算。为了计算和显示设备中具体部件的缺陷频率，需要得到部件的信息，如轴承信息、齿轮信息等等［7］。工艺监测的复杂程度超过了频率响应监测。这种监测不仅使用了振动分析的知识，而且将其同冶金和自动化诀窍结合在一起。这两方面的结合带来了更准确的结果，因为它针对可能的故障指示出了多个来源。这条额外的优点对前瞻性维修和根源分析很有帮助。举例来说，如果一项振动分析推断出观察到的振动频谱可能表明电机载荷存在偏心问题，另一个评估方案包将通过分析辊子本身的偏心度而给出更准确的说明。还有一个例子是，使用监测润滑油纯净度的评估方案包能够帮助提高振动分析的水平。BOXConcept采用第三种振动监测，即工艺监测，结合在冶金和自动化领域获得的数十年知识和经验给出极具价值的重要结果。关键的设备和部件必须连续监测(在线监测)，而不太重要和非关键的设备可以不定期或按需监测(离线监测)。BoxConcept通过在所有测量装置和数据库之间建立直接通信而将在线和离线监测结合到一起。来自测量装置(比如便携式装置)的离线数据在存档前打上时间标记，使它们能够同来自现场仪表的在线数据合并到一起。图5(a)展示了一套冷轧机的一个齿轮箱轴承的在线振动监测报告，图5(b)为使用一台数据采集装置(DCU)得到的一根张力辊的离线振动监测报告。

2．4轧机机架粗轧机、精轧机或光整机经常会成为生产工艺的瓶颈，所以，不可避免地要监测它们的状态，至少要稳定它们的性能。轧机的机械部件暴露在400～1200℃的高温下，还要承受高达50MN的负荷，普通的维修制度往往难以达到预期效果。由于部件中始终存在着应变，它们会在一段时间后产生疲劳，可能造成意外断裂或失效，这从设备性能角度来说是不希望出现的问题。不过，难处在于如何只使用自动化系统的在线数据对事故发生作出预测，从而不对生产带来影响。这里的关键是不同设备和工艺相关参数的变化趋势，比如传动系统、轧辊、主令斜坡发生器、轧机牌坊、流体系统或液压辊缝控制系统(HGC)。它们为维修人员提供了关于轴承、轴承座、耐磨板、传动轴、轧辊和液压缸等机械部件的额外状态信息，有利于让这些部件达到最长使用寿命和使产品质量保持稳定。图6中的评估方案包不仅通过人机界面(HMI)报警系统监测参数的实际值，还监测过去和现在的变化，并且预测将来的趋势。这种方法和振动监测相结合，能够提供全面和更为准确的轧机状态信息。比如，振动监测能够发现传动系统的偏心问题，但评估方案包轧辊偏心度将给出额外的信息以更准确地定位损坏的部件。另外，换辊时间延长可能表明换辊操作用到的某个机械部件出现了早期缺陷，加上评估方案包辊组摩擦力提供的信息，就能给出更明确的描述。

3预见性服务

监测本身是一项比较明确的工作。如果我们谈到振动监测，只需要在设备上安放数个加速度计，以足够高的采样速度采集振动数据和一些工艺相关数据，并将这些数据显示给用户，然后，用户通常会有一种软件能够在特定的频率(被监测设备的特征频率)上作出标记，自动生成报警，比较过去的测量值和当前值，并且执行其他许多功能。这些都没问题，但有一个重要的方面还没有涉及，也就是对以下这类问题的回答:现在还要做什么;我的设备能否继续运行;是否必须降低我的设备负荷才能让它坚持到下一次计划停产;我的设备能够继续安全地运行多久。这正是普锐特冶金技术对状态监测的理解。它不只是投入一套系统，而是为了获得“可以指导行动的信息”，即状态监测服务的成果，这才是这项服务的真正价值所在。普锐特冶金技术长期提供这种预见性/指导性服务，它的出色效果已在数百套业绩中得到证实。图7所示为普锐特冶金技术预见性服务内容之一———报告。

4结论

命名为“BOXConcept”的普锐特冶金技术状态监测系统和服务采用了边缘计算和现代通信协议，是转向工业4．0的关键技术之一。它结合了来自不同冶金工艺、自动化系统和第三方的数据，方便了与高级别功能的交互，拉近了与被监测设备的物理距离，同时保证了高度安全性。通过综合分析，BOXConcept为实施高端预见性和前瞻性维修策略奠定了坚实的基础［8］。以丰富的冶金和自动化诀窍为基础打造的评估方案包专为监测复杂的设备和工艺而设计，不同的方案包能够为客户带来不同的优点，比如:通过及早发现缺陷而降低维修成本;通过延长设备使用寿命而降低维修成本;通过减少意外停产而优化生产和资源计划;通过减少计划停产而提高工厂作业率;通过报告不引人注意的设备损坏而稳定产品质量。

单位：普锐特冶金技术德国有限公司