污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

全康環(huán)保:導(dǎo) 讀：現(xiàn)階段污水處理廠主要通過(guò)人工來(lái)巡檢設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員無(wú)法第一時(shí)間了解情況，給廠里帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)、開發(fā)了污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在線采集軸承座振動(dòng)信號(hào)，并計(jì)算出設(shè)備振動(dòng)速度。當(dāng)振動(dòng)速度超過(guò)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)采用快速傅里葉變換和包絡(luò)分析方法，分析出設(shè)備故障類型。系統(tǒng)應(yīng)用在污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)和離心機(jī)上，能有效預(yù)測(cè)出設(shè)備潛在故障，為污水處理廠的智能管理提供參考。

0?引言

鼓風(fēng)機(jī)、離心機(jī)、水泵是污水處理廠生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)鍵的設(shè)備?，F(xiàn)階段污水處理廠仍然采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。這種方式效率較低、人工成本高，并且不具備時(shí)效性，無(wú)法知曉故障發(fā)生時(shí)間、故障類型、發(fā)生位置。盡管有些單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)出廠自帶溫度、位移監(jiān)測(cè)傳感器，為巡檢人員提供一些經(jīng)驗(yàn)值參考。但是這種參考不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,無(wú)法在故障初期及時(shí)報(bào)警，導(dǎo)致設(shè)備造成了一定程度的損壞。同時(shí)運(yùn)維人員需要大量時(shí)間停機(jī)排查故障，這直接或間接地給污水處理廠帶來(lái)?yè)p失。

智慧污水處理廠的建設(shè)對(duì)廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。首先，廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其次，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)，當(dāng)設(shè)備存在發(fā)生故障的趨勢(shì)或者處于故障初期時(shí)，要給出設(shè)備故障類型、故障位置以及剩余壽命（設(shè)備健康指數(shù)），避免污水處理廠由于設(shè)備問(wèn)題帶來(lái)的非計(jì)劃停機(jī)。

為解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者、企業(yè)對(duì)污水處理廠設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)做了一些研究工作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)、溫度等功能。但是這種監(jiān)測(cè)方式僅是監(jiān)測(cè)設(shè)備的低頻振動(dòng)信號(hào)（1~1 000 Hz），這種信號(hào)與部分設(shè)備自帶傳感器監(jiān)測(cè)的信號(hào)類似，僅能提供設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)。這種低頻振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成微弱的電流信號(hào)，由于缺少信號(hào)處理模塊，所以監(jiān)測(cè)的振動(dòng)受環(huán)境溫度、噪聲、電磁影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)。

國(guó)內(nèi)外也有一些公司采用高頻（10~40K）采集系統(tǒng)，采集、分析設(shè)備振動(dòng)信號(hào)。但由于高頻振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)較大，導(dǎo)致這些產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。此外，現(xiàn)階段市面上的產(chǎn)品大都只做到頻譜分析層次，并沒有直接給出設(shè)備故障類型等深層次信息，這就要求污水處理廠人員需要較深的頻譜分析技能，所以這類產(chǎn)品應(yīng)用效果并不理想。

針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以通過(guò)PC端、手機(jī)端實(shí)時(shí)展示設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，又可以通過(guò)先進(jìn)的頻譜分析算法給出設(shè)備故障類型。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)和離心機(jī)設(shè)備上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)和離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并給出了鼓風(fēng)機(jī)和離心機(jī)故障類型，起到了設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)作用。

1?設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)硬件開發(fā)

設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)硬件包括自帶電量放大功能的加速度傳感器（IEPE）、高頻采集模塊、工控主機(jī)。其中加速度傳感器將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成微弱的電流信號(hào)。傳感器與高頻采集模塊之間通過(guò)低阻抗、帶電磁屏蔽功能的線纜連接。高頻采集模塊將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。采集模塊與工控主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接，工控主機(jī)運(yùn)行設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)軟系統(tǒng)，包括信號(hào)采集、頻譜分析和故障診斷模塊。設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)硬件安裝如圖1所示。

1.鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備2.加速度傳感器3.工控主機(jī)4.高頻采集模塊

圖1 硬件設(shè)計(jì)及安裝方式

污水處理廠生物池采用單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)，功率860 kW，轉(zhuǎn)速為12 848 r/min，基頻為208 Hz。硬件選擇12.8 K高頻采集卡。加速度傳感器頻響區(qū)間選為14 K，安裝在鼓風(fēng)機(jī)軸承座的水平和垂直位置。

2?設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 信號(hào)采集功能開發(fā)

首先，配置通道及采樣模式，讀取采集卡采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)。每隔1 min采樣1次，每次采樣4 096個(gè)加速度數(shù)據(jù)。其次，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分處理，得到設(shè)備振動(dòng)速度信號(hào)（下稱振動(dòng)信號(hào)）。鼓風(fēng)機(jī)軸承座垂直方向的振動(dòng)信號(hào)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)采集

由圖2可知，鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度有效值為1.7 mm/s。由于振動(dòng)速度較小，振動(dòng)信號(hào)受到環(huán)境和電磁干擾較為嚴(yán)重。普通濾波方法在過(guò)濾低幅值波形時(shí)誤差較大，所以本設(shè)計(jì)采用硬閾值小波濾波方式對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)信噪比。

振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為12.8 K，信號(hào)連續(xù)性好，故選用sym8小波基作為小波分解函數(shù)，將振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域變換成小波域，得到振動(dòng)信號(hào)的小波系數(shù)。其次，根據(jù)Birge??Massart準(zhǔn)則，確定閾值系數(shù)，為小波系數(shù)3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差（3σ）。大于3σ的小波系數(shù)保留，小于3σ的小波系數(shù)全部置零，得到新的小波系數(shù)集。最后，對(duì)新的小波系數(shù)集進(jìn)行小波逆變換，還原出去噪后的振動(dòng)信號(hào)。去噪效果如圖3所示，根據(jù)式（1）~(3)計(jì)算出信噪比為56.2，參考小波去噪評(píng)價(jià)指標(biāo)降噪效果理想。

式中f(n)――原始信號(hào)功率；

fs(n)――去噪聲信號(hào)功率；

snr――信噪比，dB。

圖3 小波去噪對(duì)比

2.2 信號(hào)分析功能開發(fā)

本設(shè)計(jì)采用時(shí)域分析和頻域分析結(jié)合的方式。其中時(shí)域分析以分析振動(dòng)趨勢(shì)為主，當(dāng)振動(dòng)幅值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。具體設(shè)計(jì)如下：

首先，讀取去噪后的振動(dòng)信號(hào)（4 096個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)）。其次，計(jì)算出振動(dòng)速度有效值作為振動(dòng)幅值。接著，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816-3，標(biāo)出設(shè)備正常運(yùn)行、故障初期和設(shè)備損壞區(qū)間。當(dāng)振動(dòng)幅值超出正常運(yùn)行區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。額定功率大于300 kW并且小于50 MW的剛性連接設(shè)備故障區(qū)間如表1所示。

表1 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

頻域分析是指對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，找出頻譜中波峰處對(duì)應(yīng)的頻率值，結(jié)合設(shè)備參數(shù)和故障特征理論計(jì)算值，推測(cè)出設(shè)備故障類型、故障位置以及剩余壽命。由于FFT在分析復(fù)雜信號(hào)時(shí)具有一定局限性，復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后會(huì)得到多個(gè)波峰，給故障分析帶來(lái)很大干擾。對(duì)比圖4a~圖4c，同一故障軸承信號(hào)采用不同的分析方式，會(huì)得到包含不同干擾波峰干擾的頻譜圖。通過(guò)分析大量污水處理廠單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)（維修中心提供），發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)故障以轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、潤(rùn)滑不足、軸承問(wèn)題為主。參考回轉(zhuǎn)類設(shè)備故障頻率與基頻之間關(guān)系，本設(shè)計(jì)對(duì)不同故障（不同頻譜區(qū)間）采用不同的頻譜分析方法，排除干擾波峰。0~3倍基頻區(qū)間采用FFT方法，針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、機(jī)械松動(dòng)等故障。3~6倍基頻采用功率譜分析方法，針對(duì)軸承故障。6~10倍基頻采用邊頻帶分析方法，針對(duì)轉(zhuǎn)齒輪故障。

圖4 頻域分析

根據(jù)主軸基頻f和故障頻率理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)特征故障頻域段，如表2所示。

表2 故障預(yù)測(cè)頻率

注:n為通過(guò)滾動(dòng)體個(gè)數(shù)×0.6、齒輪齒數(shù)、葉輪個(gè)數(shù)；所有倍頻均選基頻的0.8~1.2區(qū)間；即1f頻段為0.8~1.2f。

接著，按照頻域段依次獲取各頻譜段中波峰對(duì)應(yīng)的頻率值。對(duì)各個(gè)波峰頻率按照表2和理論計(jì)算值進(jìn)行邏輯判斷，預(yù)測(cè)出設(shè)備故障類型。最后，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)、故障特征頻率、軸承全生命周期振動(dòng)數(shù)據(jù)以及故障類型數(shù)據(jù)，擬合出設(shè)備剩余壽命函數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前振動(dòng)速度值下的設(shè)備剩余壽命。以軸承故障為例，故障計(jì)算公式見式（4）~式（6）：

式中fi――軸承內(nèi)圈故障頻率，Hz；

ni――內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min；

ne――外圈轉(zhuǎn)速，r/min；

d――滾動(dòng)體直徑，mm；

α――接觸角，°；

Dm――滾動(dòng)體中心圓直徑，mm；

z――滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，個(gè)；

fe――外圈故障頻率，Hz；

fo――滾動(dòng)體故障頻率，Hz。

3?系統(tǒng)應(yīng)用及效果

本系統(tǒng)應(yīng)用在污水處理廠生化池鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備、離心機(jī)設(shè)備上，取得了顯著效果。加速度傳感器安裝在鼓風(fēng)機(jī)與電機(jī)聯(lián)軸器水平位置處，監(jiān)測(cè)1#和3#鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采集到的振動(dòng)信號(hào)如圖5所示。

圖5 1#、3#鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)

鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度有效值大于4.5 mm/s，設(shè)備已處于故障初期，如圖6所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 982 r/min，基頻為49.7 Hz，轉(zhuǎn)子二倍頻為主波峰，系統(tǒng)給出設(shè)備故障為轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障，剩余壽命為47 d，指導(dǎo)廠里工作人員計(jì)劃性停機(jī)維修。3#鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度有效值為2.6 mm/s，頻譜主波峰較多，無(wú)故障波峰，設(shè)備處于正常運(yùn)行區(qū)間。

圖6 1#、3#鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜

如圖7所示，本系統(tǒng)應(yīng)用在污泥處理車間離心機(jī)設(shè)備上，監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)速度有效值為6.4 mm/s，已處于故障初期，主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 699 r/min，基頻為28.3 Hz，轉(zhuǎn)子一倍頻為主波峰，系統(tǒng)給出設(shè)備故障為轉(zhuǎn)子不平衡故障，剩余壽命為16 d，如圖8所示。

圖7 離心機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖8 離心機(jī)振動(dòng)頻譜

4?結(jié)語(yǔ)

設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)、離心機(jī)等大型設(shè)備的高頻振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)先進(jìn)的頻譜分析和時(shí)序預(yù)測(cè)算法，實(shí)時(shí)分析、預(yù)測(cè)設(shè)備故障。在實(shí)地應(yīng)用期間，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出污水處理廠在用設(shè)備潛在的故障，給出設(shè)備剩余壽命和故障。該產(chǎn)品的應(yīng)用可顯著降低污水處理廠關(guān)鍵性設(shè)備損壞停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，協(xié)助智慧污水處理廠少人值守和設(shè)備智能管理的目標(biāo)。