設備在線監測系統在棒線材生產線的應用實踐

彭飛

（廣西鋼鐵集團有限公司熱軋總廠，廣西 防城港 538000）

廣西鋼鐵集團有限公司熱軋總廠棒線材產線（以下簡稱熱軋總廠）于2020 年5 月建成投產，由2 條普通棒材（以下簡稱普棒）、2 條雙高速棒材（以下簡稱高棒）和3 條高速線材（以下簡稱高線）組成，年設計產能580萬t。其中高棒最高軋速可到40m/s，高線則可達110m/s，為實現高速軋制，高棒和高線的精軋區高速旋轉設備功率大、運轉速度快、精度要求高，一旦出現了故障，則會對生產、設備、能源等方面造成重大損失。因此，高速旋轉設備的穩定運行是保證生產各項指標良好的一個關鍵因素，也是降低生產成本工作中的一個重要環節。

為保證精軋區高速旋轉設備的穩定運行，關鍵是要能夠掌握設備的運行狀態，在設備正常運行和有劣化趨勢下采取不同的生產經營策略，最大化地利用設備產生經濟效益。傳統的做法采用點檢定修制，主要依靠人的五感和手持儀器對設備進行檢測，在檢測出設備異常運行狀態后進行監護和維修，不僅存在一定的滯后性，且因人員經驗與技術差異，效果也有許多不確定性，無法達到事前預防的效果。隨著設備診斷技術、應用電子技術、大數據信息技術等飛速發展，自2019 年熱軋總廠建設初期，即開始確立通過AI 智能算法與模型、設備全生命周期管理系統等創新手段，實現高速旋轉設備狀態數據化、可視化，以設備狀態數據驅動設備管理業務，最終實現設備預測性維護目標。首要在棒線材生產線上的高速區設備應用該系統。

1 系統構成與功能

熱軋總廠的設備在線監測系統由安徽容知日新科技股份有限公司（以下簡稱容知公司）設計、供貨和安裝，并提供運維服務。系統覆蓋兩條雙高棒、三條高線，合計監測45 臺套設備，共514 個測點，分別為8 臺套高棒精軋機組設備、4 臺套減徑機組設備，6 臺套高線預精軋機組設備、18 臺套精軋機、3 臺套減徑機組、3 臺套夾送輥、3 臺套吐絲機。在上述設備的電機和齒輪箱上安置轉速傳感器和加速度傳感器，分別位于其旋轉軸承座的徑向和軸向等位置，用以采集電機轉速和齒輪箱各方向的振動情況。

該系統由振動加速度傳感器、屏蔽電纜、釆集站、現場服務器、監測及診斷分析軟件等部分組成，通過傳感器采集并輸出模擬信號，通過屏蔽電纜傳輸到采集站，在采集站轉化為數字信號和頻譜，并過濾掉多余的頻譜后，形成振動速度、振動加速度、加速度包絡、各類頻譜、通道溫度等，通過監測及診斷分析軟件顯示出來，并做出簡單的判斷，借助智能報警策略，及時發現設備的運行異常狀態并推送報警信息，利用互聯網技術，將異常數據傳送至遠程專家系統平臺，借助先進的模型算法以及專家團隊分析，定位故障部位、分析嚴重程度、預測使用壽命，并給出對應的檢維護指導，確保設備安全穩定運行。

該系統結合熱軋總廠設備維護管理人員不同的需求和關注點，針對性設計、開發直觀且友好的終端應用?？梢酝ㄟ^WEB 端或是APP 端，便捷查看設備轉速、振動、溫度、等狀態數據、報警等級、故障判斷、檢維護處理建議等信息。同時系統內置時域波形、頻譜、趨勢、包絡解調、瀑布圖、多波形、多頻譜等20 多種分析工具，具備豐富的數據分析功能。

該系統采用長波形采集、雙軌制采集、階次跟蹤采集技術、邊緣計算等多種智能數據采集、數據上傳策略，四級門限報警加自適應報警雙結合的智能報警策略，智能診斷加專家診斷相結合的先進診斷策略，可以有效避免謊報、漏報、誤報等問題，提高系統可靠性。

該系統配置智能自診斷功能，對自身硬件、網絡、軟件服務等各個環節進行實時監測與診斷，系統自身發生異常時，第一是發出異常提醒，保障系統運行的穩定性。

2 運維模式

該系統以使用方-熱軋總廠在現場簡單診斷分析為基礎，以供應方-容知公司在遠程精密診斷分析為保障，雙重保險機制進行設備運維和系統運維。

熱軋總廠在生產現場對該系統實行專職點檢和專業點檢，專職點檢每班對系統上的點檢界面進行觀察和判斷，此前經熱軋總廠根據現場實際情況與容知公司提出并開發了點檢界面，點檢界面可以直觀地瀏覽所管轄所有設備的振動速度、振動加速度和通道溫度等數值情況，幫助點檢人員簡單且快速地判斷設備是否存在異常運行的情況。專業點檢每天對系統推送的報警情況進行瀏覽，并通過趨勢分析、時域波形和頻譜進行簡單分析，找出可能存在異常的設備進行監護跟蹤，同時，向容知公司反饋，進行精密分析。同時，對于現場各測點推送的異常提醒進行針對性檢查，及時解決傳感器、電纜、服務器等故障，保證系統正常運行。

容知公司為熱軋總廠提供全天候全方位設備監護服務，幫助分析熱軋總廠點檢人員發現的設備異常情況，發現設備異常狀態后進行設備狀態信息推送，給出設備運行狀態結論、運行建議和檢維護建議。同時，診斷分析專家在設備監護時發現的異常情況，也通過設備故障診斷報告推送至熱軋總廠給于指導。設備經過檢修后，通過一段時間的運行，由容知公司出具設備檢修后狀態評估報告，完成此次設備的異常狀態封閉。除此之外，月度設備體檢報告也在次月月初提供給熱軋總廠，給生產組織和設備運行提供依據。

通過上述運維模式，可以做到以下幾點：

（1）提早發現隱患，指導生產和檢修計劃排布，減少設備非計劃停機時間，防止突發事故，提高作業率。

（2）若無法立刻停機處理，可以依據系統數據實時控制和監護設備運行，把損失降下來。

（3）合理預測設備使用壽命，制定更換周期，減少盲目檢修，降低生產成本。

（4）通過學習運維診斷報告，輔以線上線下的培訓，能夠把簡單的診斷知識給設備操作和維修人員掌握，提高人員素質。

3 診斷應用案例分析

案例1：避免突發故障——齒輪故障。

（1）2021 年10 月12 日，高棒設備在線監測系統發現了3#高棒減徑機組24#存在異常，推送報警。

（2）熱軋總廠專業點檢員接收到報警后，了解到報警位置為減徑機組24#的13H 測點，先進行簡單診斷：該測點加速度總值平穩，速度總值出現顯著上升現象，其中低頻加速度時域波形中存在輥軸轉頻間隔的沖擊,幅值較前期稍大。同時該減徑機錐齒輪箱1、2 軸嚙合頻率能量增加。初步診斷結果為減徑機組24#錐齒輪箱齒輪存在運行異常。

（3）同時，容知公司診斷專家在后臺，通過精密診斷，判斷減徑機組24#錐齒輪箱1、2 軸齒輪嚙合不良，1 軸齒面點蝕、磨損的情況。但由于當時熱軋總廠生產任務較重，無法第一時間安排停機檢修，在熱軋總廠同系統遠程診斷專家溝通后，容知公司建議關注該設備的運行狀態，主要點檢其運行時的振動速度值和是否產生異響，并監控錐齒輪箱的溫度變化情況。熱軋總廠通過對生產工藝進行微調，并加大設備點檢力度和頻次，于10 月28 日，生產任務圓滿完成后，安排檢修。

（4）檢修期間，打開減徑機組24#錐齒輪箱觀察孔，通過盤車發現1 軸齒輪齒面剝落，2 軸齒輪齒面點蝕，于是進行錐齒輪箱下線維修，整體更換。處理完畢后，恢復生產，該設備振動趨勢下降到正常范圍，整體運行情況良好。

案例2：準確判斷故障——軸承故障。

（1）2021 年12 月11 日，高線設備在線監測系統察覺1#高線減徑機組變速箱出現異常，推送報警。

（2）熱軋總廠專業點檢員查看系統發現變速箱整體振動加速度上升較大，聯系容知公司進行精密診斷，對底部噪聲能量包絡解調可見5 軸軸承保持架特征頻率及諧波，對10000Hz 以上濾波可見5 軸輸入側軸承保持架沖擊，對比12 月2 日至11 日期間對頻譜包絡解調（見圖1)，可見5 軸軸承保持架和外圈特征頻率。得出結論——齒輪箱5 軸輸入側軸承保持架斷裂性損失，建議在生產間隙檢查潤滑油中碎屑含量，擇機檢修更換軸承。

圖1 1#高線減徑機組包絡解調頻譜圖

熱軋總廠當即組織人員前往現場檢查，在箱體內部發現軸承保持架碎片，于是安排停機檢修處理。同時，在容知公司診斷專家的支持下，對故障根源進行的分析、追溯。得出原因是保持架前期存在卡澀，在12 月11 日振動突發上升后，濾波出現保持架特征，推測此時已經損傷。損傷推測與12 月11 日負載變化有關，現場由空載到帶載過程，受交變力導致保持架失效。

案例3：避免突發事故——軸承、齒輪故障。

（1）2021 年12 月31 日，高線設備在線監測系統顯示1#高線減徑機組27#、28#存在異常，推送報警。

（2）容知公司診斷專家通過精密診斷后發現：減徑機組27#錐齒輪箱2 軸13H 測點發出三級報警，28#錐齒輪箱1 軸14H 測點發出二級報警，其中28#錐齒輪箱1 軸振動加速度總值較前期小幅上升，其時域波形中存在2 軸轉頻間隔的沖擊，同時，與其相鄰的減徑機組27#錐齒輪箱1 軸輸入端加速度時域波形中存在明顯的沖擊、包絡解調頻譜中可見軸承內圈損傷特征以及保持架特征頻率及諧波（見圖2）。通過上述特征，診斷專家得出結論——減徑機組28#錐齒輪箱2 軸齒面剝落或斷齒；減徑機組27#錐齒輪箱1 軸輸入端軸承內圈點蝕、剝落，保持架磨損。建議擇機減徑機組28#錐齒輪箱2軸齒面運行情況，同時對27#錐齒輪箱1軸齒輪進行檢查。

圖2 1#高線27#、28#減徑機組包絡解調頻譜圖

（3）接到容知公司的診斷結論和建議后，熱軋總廠立即組織設備維護人員利用停機時間對報警部位進行檢查，檢查結果與報警信息和診斷結論基本一致，隨后熱軋總廠調整生產計劃，利用停機時間將該設備進行維修更換，處理完畢后，經過試機與一段時間的熱負荷生產驗證，整體運行情況良好。

熱軋總廠設備在線監測系統自2020 年7 月隨產線一同投用以來，已保障高棒、高線共5 條生產線精軋區高速旋轉設備超過26 個月，累計發現、診斷、處理完畢的案例13 起，有效地避免了設備突發事故造成非計劃停機，并在運行過程中應用知識工程不斷積累故障經驗來豐富設備故障庫，降低了設備維修費用和非計劃停機時間，產生了大量的經濟效益，為安全生產保駕護航。

4 結語

如今鋼鐵企業規模不斷加大，產量不斷提高，設備越來越精密、復雜，這些設備在生產線上至關重要，如何能夠有效、高效地維護，保障復雜設備的功能和精度，降低設備的運行成本，更多的是要依靠大數據、人工智能等先進的信息技術進行輔助。設備管理也需要更多的先進技術去替代簡單人工。在鋼鐵企業利潤不斷壓縮、產品效益不斷減少的環境下，如何穩定、高效、低耗的生產，是未來生產經營的一個重要目標。設備在線監測系統的意義尤為重要，熱軋總廠后續將考慮結合5G 技術與設備智能運維平臺、智能數據采集終端，形成云、網、邊、端全鏈條能力，打造5G+設備智能運維解決方案，在不同場景和應用下逐步推廣。