軌道交通車站環控風機在線監測系統開發及應用

王啟鋒，彭恒義，仲 聰，郭 將，薛 慧

（欣皓創展信息技術有限公司，上海 200444）

0 引言

隨著國內城市軌道交通的高速發展，各地軌道交通逐步進入網絡化運營階段[1]。軌道交通送風、排煙等功能，越發受到關注。區間射流風機、軌排風機、回排風機、新風機作為地鐵區間隧道排煙、送風的專用工具，其健康狀態不僅直接關乎地鐵安全運營，同時對保障人們的生命安全具有重要意義[2]。

地鐵環控系統中的軸流式通風機功率較大，工況多變，連續運行時間長，影響到人員和設備安全[3]。尤其是地鐵區間射流風機一般安裝在隧道頂端，通常維護困難，日常檢修尤為困難[4]。如何精確快速地診斷風機故障的類型，實現早期預警[5]和預測性的維修，國內外學者進行了多種研究，并取得了卓越的成果。

陳姍姍[6]提出，在設備參數不全，無法計算特征頻率，頻譜分析方法不太適用等情況下，可利用時域波形和峭度指標來初步判斷設備故障類型。武和雷等[7]提出故障判別方法，即對于零件表面的損傷類故障，用峰值判斷比較有效；對磨損類故障，用均方根值比較有效；而峰值因子對兩類故障都可以判斷。邵東波[8]針對成都地鐵設備管理實際，提出了振動監測的狀態修如何應用到地鐵機電設備的日常管理中。王穎[9]結合廣州地鐵設備應用經驗，提出了采用振動加速度傳感器實現地鐵風機螺栓松動與轉子不平衡故障的診斷。王肇琪等[10]提出時域分析方法是簡易診斷的方法。此外采用振動加速度的趨勢圖判斷滾動軸承所處的工作狀態，也是及時發現軸承故障隱患的有效方法[11-12]

本文通過設計一套風機智能預警及故障診斷系統，采集風機設備振動頻譜、波形、溫度及風壓等信息，進行特征參數、譜圖分析，準確快速地診斷風機故障類型，實現預測性維護。通過監測設備的當前運行狀態，確定被監測設備的未來發展趨勢，診斷被監測設備故障類型，驗證維護的有效性，可以實現設備故障的早期了解、預測和診斷。

1 設計方案

1.1 系統網絡拓撲圖

系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

在風機的就近位置安裝現地在線監測箱，箱內放置數據采集模塊、采集單元交換機等，在風機本體相應位置上安裝傳感器，通過傳感器線纜接入監測箱內的數據采集模塊中。

狀態數據服務器及相關網絡設備組柜安裝布置在車站環控室。

各數據采集模塊采集的風機實時狀態數據、歷史狀態數據及各特征數據狀態數據都將存儲于狀態數據服務器。狀態數據服務器還具有與其他系統通信的軟件及硬件接口，實現與第三方系統的數據交換。

數據采集模塊負責采集、存儲和處理風機的振動、溫度、風壓等參數，并進行實時監測和分析。數據采集器可以從相關數據中提取特征參數，獲取風機狀態數據，完成風機故障的預警和報警，并通過網絡將數據傳輸到狀態數據服務器，進行進一步地在線監測、分析和診斷；并接收來自車站其他系統的信號，如風機的功率、開停機信號等；還能輸出風機在線監測系統的有關數據至第三方系統。數據采集模塊預留足夠的安裝位置和接口，便于系統擴展其他監測項目。

1.2 風機測點分布

地鐵車站環控通風空調系統的車站隧道排熱風機、射流風機、大系統回排風機、小新風機等通風風機一般采用軸流風機，軸流風機由葉輪、電機、機殼、導流器、導葉、固定支架、減振器等部件組成。電機和風機葉輪直接驅動，電機裸露于空氣中。

根據環控通風風機的特點，對風機在線監測的內容主要包括振動監測、溫度監測及風壓監測，通過在線監測確保風機健康運行。

振動監測：地鐵軸流式風機適用于低壓力，大流量的工況運行，其振動信號是影響風機運行的主要因素，通過振動監測可對設備的振動參數收集與分析，可以準確判斷設備運行狀態，預知設備故障[13]。一般在電機前軸承的水平、垂直向[14]及風機殼體安裝振動加速度傳感器，共計3 個振動測點。根據實際風機結構尺寸，結合以往的風機監測經驗和用戶的監測需求，對于電機機座中心高H≤132 mm的小新風機FAF、回排風機RAF/EAF，只在風機殼體上安裝2個振動加速度傳感器（水平和垂直方向）。

溫度監測：一般地鐵風機會在出廠前在電機前后軸承、定子三相繞組上預埋有溫度監測的傳感器，可以直接將信號接入數據采集模塊，共計5 個測點。根據實際風機結構尺寸，結合以往的風機監測經驗和用戶的監測需求，對于電機機座中心高H≤132 mm 的小新風機FAF、回排風機RAF/EAF，只有定子三相繞組上預埋有溫度監測的傳感器，故只需將這3個溫度信號接入數據采集模塊。

風壓監測：由于要監測風機的風壓，需要有風壓傳感器的安裝點，只有帶風管管路的風機才具備風壓監測的條件，一般在車站隧道排熱風機進風管和大系統變頻風機（含大系統回排風機）進風管上安裝1 個風壓傳感器，射流風機無連接風管一般不安裝風壓傳感器。

1.3 傳感器

1.3.1 傳感器選型

（1）振動監測

對于地鐵風機而言，電機和葉輪不平衡、制造工藝差、安裝質量不良、風機軸線不對稱、零部件的機械強度和剛度較差、軸承和密封部件磨損破壞，以及風機臨界轉速出現與風機固有頻率接近引起的共振等，都會產生強烈的振動?？紤]到地鐵風機的特點，建議傳感器選用壓電式加速度傳感器。

（2）溫度監測

地鐵車站風機一般采用滾動軸承，其具有摩擦阻力小、功率消耗小、機械效率高、易起動的特點。但即使滾動軸承潤滑良好，安裝正確，最終也會因為滾動接觸面的疲勞而失效、故障[15]。

一般設備軸承溫度過高，會使軸承潤滑脂稠度下降，觸變性能下降和黏附性能下降，加劇軸承磨損甚至損壞。定子繞組溫度過高，可能是轉定子摩擦等故障，電機容易燒毀，所以對風機重要部位的溫度參數進行測量是一項很重要的監測內容。常見的多用PT100 溫度傳感器進行測量風機軸承及電機三向繞組的溫度。地鐵風機會在出廠前在電機前后軸承、定子繞組上預埋有溫度監測的傳感器，可以直接將信號接入數據采集模塊。

（3）壓力監測

通過測量風機出入口壓力可以實時觀察到出入口壓力值，當壓力出現異常時系統能及時報警，提醒用戶檢修。風壓傳感器需根據現場實際工況選擇合適的量程及精度等參數。

1.3.2 傳感器安裝

（1）振動傳感器安裝

用砂紙將安裝位置上的油漆、銹跡等覆蓋物打磨清除之后，用角磨機加工出一個安裝平面，接觸面要平整且直徑要大于25 mm，確保傳感器和電機機殼表面完全接觸；在如圖2 所示加強筋處開孔M6，孔深度為8 mm。

圖2 振動傳感器安裝

使用雙頭螺柱M6×10，使用少許螺紋膠，用活動扳手稍稍擰緊，至傳感器底部與安裝表面完全接觸且安裝牢固可靠。

（2）溫度傳感器安裝

溫度傳感器使用PT100，溫度采集利用電機自帶的溫度傳感器直接采集，可以測得風機軸承溫度和繞組溫度的傳感器信號[16]。在風機出廠前內置于風機的軸承位置及U、V、W三相電源內，信號引出線接入風機接線盒內，與監測箱信號輸入線連接。

（3）壓力感器安裝

壓力傳感器被測壓力管路上的螺紋連接，由于有的壓力管路比較長，安裝前要對管道進行排空或排污處理。因較長的管路對壓力有衰減作用，為了保證測量的準確性，延伸管路應不超過20 cm。

1.4 數據采集模塊

數據采集器模塊需具備支持對振動、溫度、壓力等數據的采集，支持多通道并行采樣，每通道A/D 分辨率為24 位，采樣率可達到200 kHz；支持全通道同步并行觸發采樣、實時采集、數據處理機制選擇存儲支持，高速實時采集后的數據會進行異常特征數據判斷，智能儲存，避免數據出現冗余。數據采集模塊內置數據處理分析功能，既可以獨立運行也可以聯機其他設備及服務器組網運行。RS485 串行通信接口和以太網通信接口使得數據采集模塊可以和計算機監控系統等第三方系統進行雙向數據通信。數據采集器模塊通過通訊方式或硬接線方式采集機組工況參數數據。數據采集器模塊采用容錯設計，具有自診斷和抗干擾功能，能對傳感器進行自檢和故障報警。

數據采集器模塊支持整周期和等時間間隔兩種采樣方式，對風機設備的開機、停機、穩定運行等狀態分別進行在線監測。數據采集器模塊可以自動識別機組的運行工況，根據不同工況采取相應的采集方式，并能將采集到的數據進行分析、提取，以通信的方式傳輸至車站中控室機組狀態在線監測系統上位機單元。

數據采集器模塊具有過程量、高速模擬量等信號的輸入和數字信號的輸出等端口，具有較高可兼容性、可維護性及可擴展性；具備故障自診斷、自恢復等功能，同時數據采集模塊具有斷電自保持功能，擁有遠程監控、遠程維護等功能。

1.5 系統軟件

1.5.1 實時監測與數據分析

軟件系統遵循人性化的設計理念，軟硬件設計都應以操作和使用的方便為基礎。它提供了中文軟件界面以及非常直觀的圖形和圖表，使操作員易于理解、學習和使用。它還使那些不熟悉計算機的人能夠快速掌握和操作整個系統，并迅速勝任操作和管理。

（1）監測分析

該系統可以實現風機振動、溫度及相關工況參數數據的同步、周期性采集，并以數值、柱狀圖、表格、實時趨勢等形式實時顯示監測到的相關參數，還可以在線實時顯示振動的波形和頻譜，如圖3 所示。系統能提供時域波形分析、頻域分析、瀑布圖、級聯圖、趨勢分析等專業分析工具，系統利用專業數據分析工具，對采集到的風機設備的振動、溫度、壓力等數據進行處理分析，結合風機設備運行工控，評估風機動穩態特性。

圖3 實時監測與分析界面

（2）工況參數和過程量參數監測分析

工況參數和過程量參數監測分析功能負責監測整個風機的運行工況，如流量、功率、轉速等，通過監測能對整個風機的運行工況有一個全貌的了解，是一個全方位的監測。

工況參數和過程量參數監測分析功能一般應具有5個模塊，分別是風機列表、運行工況、過程量監測、振監測和分析、故障預測和智能診斷。

該子系統一般具有以下功能：運行工況子系統可以顯示當前監測的風機的運行工況、振動和溫度以及壓力等信息，用于了解風機當前運行的振動溫度情況以及所處的工況；可以切換顯示不同風機的運行工況監測畫面，顯示不同風機的實時工況、振動及電流壓力數值；同單風機振動監測一樣，風機各測點的數據背景色會反映該測點的實時報警情況，測點名稱的顏色會反映該測點曾經的報警狀態。

1.5.2 軟件故障診斷功能

故障診斷是對設備的故障進行自動識別與診斷。當設備測點發生報警時，系統啟動故障診斷分析模塊，通過內置的故障診斷知識庫規則對設備運行時的振動、溫度、電流等數據進行篩選，并提取特征信息，將特征信息與規則進行匹配和模式識別，判斷出最有可能的故障類型，給出結果和建議的處理措施。該子系統一般具備以下3項功能。

（1）完整的譜圖分析

軟件能提供各種所需的數據分析專業工具，能根據監測參量的變化，預測狀態的發展趨勢并提出趨勢預報。系統能自動對風機運行過程的振動、溫度、壓力等參數進行監測和分析，通過對其波形、頻譜等的時域和頻域分析，也能對不同風機相同測點的參數進行橫向數據和圖像對比分析，反映出各機組運行的實時狀態和預測趨勢。本系統支持與車站環控系統的有關運行工況信息的雙向交流，從而可結合風機運行的各種參數信息進行綜合分析，得出設備的“健康”狀態。系統會定期出具在線監測機組狀態報告，統計參數超標或故障發生的情況，形成報表和結論。

（2）風機報警分析

在軟件的功能設置中，具有對數據的智能診斷和處理，所以軟件應不僅支持ISO 10816標準的報警功能，還支持智能自學習式報警機制，能有效解決“誤報警”和“漏報警”問題。系統成型報警曲線的建立一般會在系統成功連續運行兩周左右穩定形成。軟件的報警方式有聲音、燈光兩種，并且可以進行時間設置。為了在不同工況下靈活設置各設備報警值，軟件設置門限報警手動設置功能，被授予權限的管理員，可對權限內的各報警參數進行靈活設置。

（3）趨勢分析

軟件具有完備的趨勢分析功能，可以分析系統監測振動、溫度等參數量的所以特征參數、工況參數以及從第三方通信過來的過程量參數的趨勢變化。趨勢分析功能含實時趨勢分析功能、歷史趨勢分析功能和相關趨勢分析功能。通過對監測參數較長時間的趨勢觀察和分析，預警設備某些部件可能存在的故障隱患，在故障發生前及時檢修防止嚴重性故障的發生，提前做好相應的維護措施和減少維修的期限。趨勢分析功能結合時間和相關參數的坐標曲線，形成直觀的曲線圖，對于運行管理人員來說，用它來監測風機的運行狀況是非常直觀的。

1.5.3 智能預報警功能

（1）故障報警

系統提供智能報警功能。當監測到的振動、溫度、風壓、電流等數據值超過設定限值后發出報警信號，頁面伴有報警指示，報警平臺窗口能自動彈出，并發出報警聲音，報警信息可通過短信和郵件兩種方式發送到負責人或工程師手機或郵箱中，使遠離現場的負責人及工程師及時了解到站內運行信息，方便指令決策快速下達。同時，系統提供報警記錄查詢功能，具備設備故障報警的統計[17]，隨時查看設備自運行以來所有的報警記錄及其他詳細信息。

（2）維護檢修預警

維護檢修預報是利用相關智能算法，對車站風機設備建立的預測模型進行分析、求解，得到相關特征量的變化趨勢，判斷設備近期是否會發生故障，從而做到提前檢修維護。

（3）設備健康狀態評價

系統提供健康狀態評價功能。根據監測到的有關參數在同一工況下的變化趨勢或與同一工況下的樣本數據的比較結果，在報警之前提前發現風機缺陷或故障，給出預警指示，如圖4所示。

圖4 設備健康評估

（4）智能報警

系統提供報警功能。當監測到的數據超過設定限值后發出報警信號，系統能夠根據流量、風機轉速等情況不同工況，對振動、溫度各測點單獨設定報警值和停機值，為風機提供準確的報警和停機信號。所有報警和停機信號均能對外輸出無源硬接點信號供用戶使用。

2 應用效果及分析

風機智能預警及故障診斷系統避免了環控風機設備的突發性故障，從而避免了設備因被迫停機而影響生產，風機設備的狀態分析為預測設備的維修提供了可靠依據。使運維人員能夠及時準備維修部件、安排維修計劃，克服了定期維修帶來的經濟損失和設備性能的下降；完善的診斷能力可以準確指出故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，大大縮短了工期，且簡捷易行[18]。

2.1 實時全面的信號采集

風機智能預警及故障診斷系統能夠實時、全面采集并反映振動、溫度、壓力等各種參數和變量，并且通過現有的監控系統，讀取環控風機設備運行的各種狀態。對風機設備進行全方位、多角度的數據實時采集與監測。

對多傳感器采集來的各種信息進行智能分析，聯系以及綜合，通過各個環節來對所收集的信息進行處理，能夠更加精確地對所要判斷的系統進行診斷[19]。

通過設備監測、故障預警、數據報表等，實現風機設備運行記錄無紙化，減少現場人工巡檢工時，從而降低成本，實現設備狀態信息化。

2.2 直白明朗的動態分析

風機智能預警及故障診斷系統利用采集到的數據，繪制機組各類振動、溫度等曲線，并且提供進行波形、頻譜分析，畫面直白，分析明朗。

當設備發生故障時，系統會自動發出警報，并提示故障的類型、位置、嚴重程度和處理建議，提醒用戶將設備故障消滅在萌芽狀態，避免因設備故障導致設備的破壞性損壞和人員傷亡，從而提高設備運行可靠性，降低運維管理成本，實現設備檢修智能化。

2.3 科學詳細的狀態評價

風機智能預警及故障診斷系統吸取國內外對設備健康評價的優秀經驗，并且結合公司的運行經驗，建立起具備機組全生命周期監測管理與健康評估的專家數據庫，評估結果直接簡潔，能夠有效指導管理人員現場操作維護，顯著減少管理人員工作量，讓泵組設備的管理更加科學、有效。

另外通過網絡連接遠程監控平臺，將現場監測系統數據實時傳輸至平臺，展示相關監測數據與合理的趨勢說明，給出風機的運行狀況及維修建議，為設備提供全面的保障服務[20]。

2.4 針對便利的設計配置

總體設計、傳感器選型、硬件和軟件的設計和配置，都根據風機的結構和工況進行了針對性的考慮和設計。

系統具有開放平臺，便于系統功能模塊的增加及二次開發。系統的硬件配置有一定的裕度，提供應用開發環境、接口環境和系統互連環境，并且可以提供符合國際開放系統組織推薦的開放環境規范，可以方便地與地鐵已有系統進行通信，實現數據共享，同時，將來可以方便地擴展應用到其他設備上。

3 結束語

風機智能預警及故障診斷系統通過合理布置傳感器，利用可靠的數據采集裝置采集風機設備運行過程中的振動、溫度、壓力數據，通過系統嚴密的監測和故障診斷與分析，判斷設備的運行狀態，為地鐵相關部門建立科學的設備檢修維護制度提供技術基礎。智能化診斷減少了故障排查時間，減少運維人員工作量，有效地將每一臺風機的維修和管理與地鐵系統運維融合起來，為地鐵相關部門的監管提供有力的保障。目前，地鐵線路中的風機設置智能預警及故障診斷系統，其效果顯著，既保證設備安全運行，又能節約維修成本，實現設備運行效益最大化，提高經濟效益。