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1、纽柯带钢厂的远程设备监测技术纽柯带钢厂的远程设备监测技术美国 Jay Henderson 等美国纽柯公司希克曼带钢厂对十几台关键设备的 200 多个监测点实行无线远程监控。 本文着重描述该厂如何受益于这种设备监测新技术，以及大规模实施远程监测系统所涉及的工作程序。1前言在过去几年间，远程设备监测技术（按本文定义）在纽柯钢铁公司位于阿肯色州的希 克曼（Hickman）热轧带钢厂得到广泛应用。在该厂，这一技术的引入和应用与传统设备 状态人工监测程序并行不悖。本文描述远程设备监测技术在该厂从获得认可到发展和应用 的情况及其带来的效益。2设备状态监测技术发展历程的简要回顾设备状态监测（通常被称为预见性
2、维护）是提高工业设备可靠性和生产率的业已证明 的一种方法，其理论基础是技术可用于检测和评估工厂资产和设备的状态，从而在维护活 动方面做出明智的决定。这样一来，维护工作只实施于需要维护的设备，而功能和状态被 判定正常的设备则保持不动继续运转。 上世纪 70 年代，设备状态监测技术最初应用于公用事业和石化工业。在这一阶段发生 了大规模工业扩张和建设潮，企业规模急剧扩大。工厂产能的膨胀使生产不再依靠大量的 小型设备，典型的炼油厂和大型发电厂已完全依赖于少数高投入的大型设备。如因机械故 障而导致这些基本资产（主要是旋转设备）中的任何一台停产，都会造成巨大的经济损失， 对于一些大型石化企业来说甚至会引起
3、市场动荡。这一严酷的现实促使了设备故障保护系 统（基于振动分析的报警/跳闸系统）的问世，用于防止基本旋转设备的灾难性故障。这些 故障保护系统在防止生产瘫痪和限制故障损失方面证明非常有效，不久便得到制度化，并 为之制定了标准（API 等） ，在许多适用领域得到广泛接受。 故障保护系统的成功促使工厂经营者们思考将同样的方法应用于大量的小型设备。虽 然一台小型设备发生故障不足以危及整个工厂的生产，但对于炼油和化工企业来说这些设 备的累计维修成本仍使状态监测系统颇具吸引力。不过，每台设备装配一套故障保护系统 因成本太高而难以实现。于是，便携式检测仪器便应运而生。 从简单的仪表、人工台帐和趋势图开始，设
4、备监测程序被逐步开发出来。上世纪 80 年 代末，个人电脑（PC）的迅速普及促进了电脑化人工数据收集系统的开发，在工厂维护领 域很快得到认可。不久， “数据收集器” （具有明确检测能力的可编程黑匣子）普及到许多 工业，包括钢铁业。在 PC 软件中创建了界定被检测设备和具体检测项目的“路径” ，并被 下载到数据收集器中。检测人员手持仪器走到车间中收集数据并加载。然后这些数据被分 析，并将分析结果写成报告，提出适当的维护建议。 得益于数据加工技术的迅猛发展，这种所谓的“巡察式系统”已不在受到检测技术的 局限。大量的设备状态数据可在一天内收集完毕，而且不需要太高的技能要求。目前的情 况就是这样。3传
5、统“巡察式”数据收集和分析方法当前的数据收集系统功能强大，与上世纪 80 年代的系统相比已是天壤之别。现代数据 收集装置的主要目标是收集旋转机器的振动数据（虽然通常也可输入其他标量和非动态数 据，包括人工观察结果和评论等） 。配套的软件能够将收集到的数据显示出来用于分析，该 软件一般支持其他外部数据（如红外线热成像和润滑油分析等）的融入。 在典型的 EAF/短流程钢厂中，这种巡察式振动监测程序由本厂人员或外委方负责实际 执行。配套冷轧线的典型 EAF/短流程钢厂可能有 500600 台单体设备通过数据收集器/巡 察式数据收集法进行监视/监测，每月要进行 500010000 次测量。一般情况下单
6、这一项就 意味着一至两个工作周的工作量，而且数据分析还需要一个工作周。 今天的人工数据收集系统在效率上已经达到极尖端的水平。从前（20 世纪 80 年代后 期） ，微处理机处理技术和内存容量限制了数据收集系统的功能，分析人员做分析工作时常 需要等待数据收集人员，工作效率受到制约。以现在先进的处理技术，所需的取样次数和 数据数字化基本过程是时间限制因素，而非硬件和软件的性能。不能指望因测量技术进步 带来数据收集时间的大幅缩短。 在人工数据收集程序中，能达到 6070%的负载系数（不包括各点间行走、加载和下 载数据等活动的实际测量耗时）已是了不起的成就。 数据收集部分占设备状态监测操作/劳动成本的
7、 70%是比较常见的情况。当然，数据 收集只是整个状态监测程序的一部分。数据分析、筛选和报告程序是降本和节省时间的决 定性因素。多数情况下，合格人员的到位和技巧是设备监测系统能否取得成功的关键。数 据收集并非难事，更难的是长期合理地利用这些数据。 尽管测量技术功能强大，工厂设备监测程序的成功仍取决于设备运行状态数据的收集 和正确分析。在高效数据收集和分析技术时代，人工数据收集属“抓拍”性质，不一定能 真实地反映设备运行状态，因为月度数据不能够揭示出所有的波动。 为提高钢厂的生产率，一直以来钢铁工业都乐于采用设备状态监测技术，许多成功的 监测程序广泛应用于钢铁企业。无论是外委还是厂内执行，实施设
8、备监测程序所遇到的问 题是同样的。最难解决的问题是能否获得经验丰富的专业监测人员。 为成功地实施设备监测程序，操作人员必须具备以下素质： 熟知旋转设备及其部件。了解偶合装置、轴承和齿轮箱、机器动力学（至少掌握基 础知识）以及影响设备损耗的因素等。 至少熟悉（或能够并乐于接受培训）诸如光谱分析、频率分析、相、调制之类的较 高深的理论，并对普通机械操作人员知识范围以外的一些基本概念有足够的了解。 掌握电脑技术，至少达到高级应用水平。当前所有的设备监测技术均相当依赖计算 机技术。 善于交流。提出建议并能清楚地说明建议的合理性，是设备监测人员易被忽视的必 备素质。 甘愿（或拥有甘愿这样做的人员）在闷热
9、、肮脏的环境中日复一日地进行重复的数 据收集工作，常包括一些难以接近或危险的区域。 不难理解，长期保持适当的人力资源（无论是本厂还是外委）是有难度的。富有经验 的合格人员的日益缺乏促使人们探寻数据收集的新途径。4远程监测技术的兴起自上世纪 70 年代末以来，自动化技术在工厂和工艺控制及通讯领域的应用得到大力推广，同时日益获得市场认可。现在，为每张办公桌和每个控制室配置电脑已成常规，工厂 和生产线一般都配套了非常复杂的大型 IT 网络，用于管理和工艺控制/自动化。 在许多行业，起初的方法均涉及到将关于设备状态的数据传送到人机界面（HMI）系 统，尤其是将现有的设备保护系统（报警和跳闸）连接到控制
10、室的人机界面上，使操作人 员能够直接观察设备振动、温度和其他状态参数。但这些数据属纯量性质，仅能提供关于 设备的一些信息，而缺乏有关趋势、分析和数据解释方面的功能。工厂操作人员由此接收 到某台设备振动增大、某个轴承温度在上升等等的信息。但造成这些变化的原因以及应采 取什么应对措施，并未给出答案。 技术的进步、互联网的诞生和更加高效低人工成本设备监控技术的必要性，促进了扩 展型远程监测系统的发展。现在不仅将数据发送到厂内控制室等，先进的技术和互联网使 信息能够从任何地点随时存取。这一数据收集新方法采用现场传感装置和仪器、高端软件 以及用于数据传输的厂内和外部网络等。 这种系统的优点非常显著： 无
11、需数据收集人员亲自到场便可进行更为频繁的设备监测工作，并且能够观察到由 负载、速度和操作条件引起的设备状态的动态变化。 能够方便地将数据传输到现场以外用于远程咨询。 可多点存取数据。 能够监测超出传统人工程序监测范围的参数。 能够对设备的运行效率和产能进行评估，并将这些数据与设备状态联系起来。5纽柯希克曼带钢厂应用设备监测系统的历史迄今为止，设备监测系统在纽柯希克曼带钢厂已应用了 10 年以上。该程序建立于传统 人工检查法和技术的基础上，委托给外部专业公司负责。每月从全厂设备上收集数据，经 常对需要处理和分析的问题做上标注。数据收集完成后便进行分析，并将带有建议的书面 报告发送给相关人员。程序
12、涵盖全厂的所有系统（除尘、热轧、冷轧、连铸和炼钢设施等） ， 共有 590 台设备处于这种月度监测体系中。用人工方法完成这样一次监测过程需要两至三 个工作周。 早期版本的远程数据收集和分析法的问世使远程监测成为可能。首先是连铸机结晶器 冷却水泵机，长期以来它一直是维护难题。由于操作条件的变化，结晶器冷却水泵成为新 型设备监测系统的首选应用对象。正常情况下使用两台水泵，还有一台备用，但根据生产 需要该厂的结晶器冷却水流量必须增加，要求所有三台水泵同时工作。这样以来水泵的振 动幅度和可靠性受到负面影响。由于没有了备用水泵，一旦水泵发生故障就会严重影响生 产，所以该厂决定将较早版本的基于互联网的远程
13、设备监测技术首先应用于这些水泵，希 望得到接近实时的故障检测和对水泵振动行为更好的了解。此外，给每台水泵电机装配了 一个电流传感器，以同时监测水泵与电机的振动和负载变化。该系统能报告每台水泵的轴 承温度、振动幅度、排出压力、电流强度和频率以及时域振动数据等项目。这些数据提供 给负责监测设备的外委方分析人员，也提供给本厂人员。另外，数据还传送到网络上，只 要有互联网接口的地方均可获取。这样一来，多个用户可从不同的地点同时获取这些数据。于是，为水泵组安装了这种基于互联网的监测系统，数据的收集比过去更加频繁，而 且收集处于不同运行条件下的设备数据。在线远程系统完成调试后不久，便发现与过去的 每月数据
14、所显示的结果相比，水泵的振动行为变化幅度更大。这是因为月度数据根本不足 以揭示水泵的振动变化。得益于自动化系统更加频繁的数据收集，清楚地显示出不同操作模式下的变化。此外，负载电流数据（传统月度数据收集程序不显示此项）显示水泵的负 载一般未达到其功率，操作冗余很大。 于是，对水泵系统组织了一次工程研究，得出的结论是尺寸偏差、控制设计和管道配 置不符合理想的操作条件。对水泵的尺寸做了改正，并进行了其他的修改，以达到所需的 流量。这样便获得了备用功率，不再需要运行全部三台水泵，并实质性提高了冷却效果， 延长结晶器寿命。没有远程监测系统提供的设备数据，不大可能发现并解决这些问题。 接着为袋式集尘室的
15、ID 风机、热轧厂的空压机和冷轧厂 RT 轧机驱动电机安装了这种 远程设备监测系统，使用效果与连铸结晶器冷却水泵机类似。 很显然，远程设备监测技术带来的效果是传统监测方法不可比拟的。但是，这种早期 版本的远程监测系统的确存在其自身的局限性。它依赖于 RS-485 串口实现与扫描仪/现场 服务器的通讯。当系统扩展时，采样速率下降，使最新的数据不能及时获得。它还必须使 用专用传感器，使它在应用中的可配置性和适应性受到制约。RT 轧机上的监测系统虽然功 能强大，但价格昂贵，且由于使用了 VPN（虚拟专用网络）技术而一次只限于一个用户。 2004 年底和 2005 年初，希克曼带钢厂开始采用无线监测技
16、术，主要用于运输和库存 系统、行车和热轧机组中的系统，并为满足其他操作要求。同时，采用相同的无线协议的 更先进远程监测技术问世，它使用商用现成型传感器和标准的网络协议，在软件和应用方 面更加灵活。 无线技术和更先进的监测技术的应用扩展了希克曼带钢厂的远程设备监测系统。有意 思的是，尽管无线技术的应用还针对其他目的，但设备监测数据构成无线网络流量的主要 部分，而且这些数据对网络的影响很小，即使以该厂的应用规模，数据仅占网络流量的极 小部分。6希克曼带钢厂拥有全美最大的远程设备监测系统今天，纽柯希克曼带钢厂拥有全美最大规模的动态信号远程监测系统。Azima 远程监 测技术已用于所有的轧机冷却塔、袋式集尘室 ID 风机和逆风机、连铸机结晶器冷却水泵、 连铸机喷水泵、除鳞泵、顶部给料系统吸气风机和空气压缩机等。此外，轧机应急发电机 组上的远程监测系统正在安装，冷轧线板形张力辊的监测系统按计划不久也将实施。约 280 个传感器被远程监测。厂内人员可获取所有监测数据、报警历史、警报和警告信息、 报告及各设备的历史报告等。报警信息通过电子邮件
