全康環(huán)保:導 讀：現階段污水處理廠(chǎng)主要通過(guò)人工來(lái)巡檢設備運行狀態(tài)，當設備出現故障時(shí)，工作人員無(wú)法第一時(shí)間了解情況，給廠(chǎng)里帶來(lái)一定的經(jīng)濟損失。為解決此問(wèn)題，設計、開(kāi)發(fā)了污水處理廠(chǎng)關(guān)鍵設備預測性維護系統。該系統在線(xiàn)采集軸承座振動(dòng)信號，并計算出設備振動(dòng)速度。當振動(dòng)速度超過(guò)振動(dòng)標準時(shí)，系統采用快速傅里葉變換和包絡(luò )分析方法，分析出設備故障類(lèi)型。系統應用在污水處理廠(chǎng)鼓風(fēng)機和離心機上，能有效預測出設備潛在故障，為污水處理廠(chǎng)的智能管理提供參考。

0?引言

鼓風(fēng)機、離心機、水泵是污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)鍵的設備?，F階段污水處理廠(chǎng)仍然采用傳統的人工巡檢方式，監測重點(diǎn)設備運行狀態(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(lèi)型、發(fā)生位置。盡管有些單級離心鼓風(fēng)機出廠(chǎng)自帶溫度、位移監測傳感器，為巡檢人員提供一些經(jīng)驗值參考。但是這種參考不能及時(shí)發(fā)現隱患,無(wú)法在故障初期及時(shí)報警，導致設備造成了一定程度的損壞。同時(shí)運維人員需要大量時(shí)間停機排查故障，這直接或間接地給污水處理廠(chǎng)帶來(lái)?yè)p失。

智慧污水處理廠(chǎng)的建設對廠(chǎng)內關(guān)鍵設備狀態(tài)監測提出了更高的標準和要求。首先，廠(chǎng)內關(guān)鍵設備的運行狀態(tài)要實(shí)時(shí)監測。其次，實(shí)現設備預測性維護，當設備存在發(fā)生故障的趨勢或者處于故障初期時(shí)，要給出設備故障類(lèi)型、故障位置以及剩余壽命（設備健康指數），避免污水處理廠(chǎng)由于設備問(wèn)題帶來(lái)的非計劃停機。

為解決以上問(wèn)題，國內外部分學(xué)者、企業(yè)對污水處理廠(chǎng)設備預測性維護做了一些研究工作，實(shí)現了遠程監測設備振動(dòng)、溫度等功能。但是這種監測方式僅是監測設備的低頻振動(dòng)信號（1~1 000 Hz），這種信號與部分設備自帶傳感器監測的信號類(lèi)似，僅能提供設備運行趨勢。這種低頻振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號轉化成微弱的電流信號，由于缺少信號處理模塊，所以監測的振動(dòng)受環(huán)境溫度、噪聲、電磁影響較大，經(jīng)常出現誤報。

國內外也有一些公司采用高頻（10~40K）采集系統，采集、分析設備振動(dòng)信號。但由于高頻振動(dòng)信號數據較大，導致這些產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現遠程監測的功能。此外，現階段市面上的產(chǎn)品大都只做到頻譜分析層次，并沒(méi)有直接給出設備故障類(lèi)型等深層次信息，這就要求污水處理廠(chǎng)人員需要較深的頻譜分析技能，所以這類(lèi)產(chǎn)品應用效果并不理想。

針對市場(chǎng)上現有產(chǎn)品的不足，本文設計了應用于污水處理廠(chǎng)關(guān)鍵設備的設備預測性維護系統。該系統既可以通過(guò)PC端、手機端實(shí)時(shí)展示設備振動(dòng)數據，又可以通過(guò)先進(jìn)的頻譜分析算法給出設備故障類(lèi)型。目前該系統已經(jīng)應用在污水處理廠(chǎng)鼓風(fēng)機和離心機設備上，實(shí)時(shí)監測鼓風(fēng)機和離心機運行狀態(tài)，并給出了鼓風(fēng)機和離心機故障類(lèi)型，起到了設備預測性維護作用。

1?設備預測性維護系統硬件開(kāi)發(fā)

設備預測性維護系統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。其中加速度傳感器將機械振動(dòng)信號轉化成微弱的電流信號。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(xiàn)纜連接。高頻采集模塊將電流信號轉化成數字信號。采集模塊與工控主機通過(guò)以太網(wǎng)連接，工控主機運行設備預測性維護軟系統，包括信號采集、頻譜分析和故障診斷模塊。設備預測性維護系統硬件安裝如圖1所示。

1.鼓風(fēng)機設備2.加速度傳感器3.工控主機4.高頻采集模塊

圖1 硬件設計及安裝方式

污水處理廠(chǎng)生物池采用單級離心鼓風(fēng)機，功率860 kW，轉速為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間選為14 K，安裝在鼓風(fēng)機軸承座的水平和垂直位置。

2?設備預測性維護系統軟件開(kāi)發(fā)

2.1 信號采集功能開(kāi)發(fā)

首先，配置通道及采樣模式，讀取采集卡采集的振動(dòng)數據。每隔1 min采樣1次，每次采樣4 096個(gè)加速度數據。其次，對加速度信號進(jìn)行積分處理，得到設備振動(dòng)速度信號（下稱(chēng)振動(dòng)信號）。鼓風(fēng)機軸承座垂直方向的振動(dòng)信號如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號采集

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

振動(dòng)信號采樣頻率為12.8 K，信號連續性好，故選用sym8小波基作為小波分解函數，將振動(dòng)信號從時(shí)域變換成小波域，得到振動(dòng)信號的小波系數。其次，根據Birge??Massart準則，確定閾值系數，為小波系數3倍標準偏差（3σ）。大于3σ的小波系數保留，小于3σ的小波系數全部置零，得到新的小波系數集。最后，對新的小波系數集進(jìn)行小波逆變換，還原出去噪后的振動(dòng)信號。去噪效果如圖3所示，根據式（1）~(3)計算出信噪比為56.2，參考小波去噪評價(jià)指標降噪效果理想。

式中f(n)――原始信號功率；

fs(n)――去噪聲信號功率；

snr――信噪比，dB。

圖3 小波去噪對比

2.2 信號分析功能開(kāi)發(fā)

本設計采用時(shí)域分析和頻域分析結合的方式。其中時(shí)域分析以分析振動(dòng)趨勢為主，當振動(dòng)幅值超過(guò)設定閾值時(shí)，系統自動(dòng)報警。具體設計如下：

首先，讀取去噪后的振動(dòng)信號（4 096個(gè)振動(dòng)數據）。其次，計算出振動(dòng)速度有效值作為振動(dòng)幅值。接著(zhù)，按照國際標準ISO 10816-3，標出設備正常運行、故障初期和設備損壞區間。當振動(dòng)幅值超出正常運行區間時(shí)，系統自動(dòng)報警。額定功率大于300 kW并且小于50 MW的剛性連接設備故障區間如表1所示。

表1 振動(dòng)標準

頻域分析是指對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，找出頻譜中波峰處對應的頻率值，結合設備參數和故障特征理論計算值，推測出設備故障類(lèi)型、故障位置以及剩余壽命。由于FFT在分析復雜信號時(shí)具有一定局限性，復雜的振動(dòng)信號經(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。對比圖4a~圖4c，同一故障軸承信號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(chǎng)單級離心鼓風(fēng)機振動(dòng)的歷史數據（維修中心提供），發(fā)現鼓風(fēng)機故障以轉子不平衡、轉子不對中、潤滑不足、軸承問(wèn)題為主。參考回轉類(lèi)設備故障頻率與基頻之間關(guān)系，本設計對不同故障（不同頻譜區間）采用不同的頻譜分析方法，排除干擾波峰。0~3倍基頻區間采用FFT方法，針對轉子不平衡、轉子不對中、機械松動(dòng)等故障。3~6倍基頻采用功率譜分析方法，針對軸承故障。6~10倍基頻采用邊頻帶分析方法，針對轉齒輪故障。

圖4 頻域分析

根據主軸基頻f和故障頻率理論計算值，設計特征故障頻域段，如表2所示。

表2 故障預測頻率

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

接著(zhù)，按照頻域段依次獲取各頻譜段中波峰對應的頻率值。對各個(gè)波峰頻率按照表2和理論計算值進(jìn)行邏輯判斷，預測出設備故障類(lèi)型。最后，通過(guò)鼓風(fēng)機振動(dòng)數據、故障特征頻率、軸承全生命周期振動(dòng)數據以及故障類(lèi)型數據，擬合出設備剩余壽命函數，計算出當前振動(dòng)速度值下的設備剩余壽命。以軸承故障為例，故障計算公式見(jiàn)式（4）~式（6）：

式中fi――軸承內圈故障頻率，Hz；

ni――內圈轉速，r/min；

ne――外圈轉速，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，個(gè)；

fe――外圈故障頻率，Hz；

fo――滾動(dòng)體故障頻率，Hz。

3?系統應用及效果

本系統應用在污水處理廠(chǎng)生化池鼓風(fēng)機設備、離心機設備上，取得了顯著(zhù)效果。加速度傳感器安裝在鼓風(fēng)機與電機聯(lián)軸器水平位置處，監測1#和3#鼓風(fēng)機運行狀態(tài)，采集到的振動(dòng)信號如圖5所示。

圖5 1#、3#鼓風(fēng)機振動(dòng)數據

鼓風(fēng)機振動(dòng)速度有效值大于4.5 mm/s，設備已處于故障初期，如圖6所示。電機轉速為2 982 r/min，基頻為49.7 Hz，轉子二倍頻為主波峰，系統給出設備故障為轉子不對中故障，剩余壽命為47 d，指導廠(chǎng)里工作人員計劃性停機維修。3#鼓風(fēng)機振動(dòng)速度有效值為2.6 mm/s，頻譜主波峰較多，無(wú)故障波峰，設備處于正常運行區間。

圖6 1#、3#鼓風(fēng)機振動(dòng)頻譜

如圖7所示，本系統應用在污泥處理車(chē)間離心機設備上，監測設備振動(dòng)速度有效值為6.4 mm/s，已處于故障初期，主機轉速為1 699 r/min，基頻為28.3 Hz，轉子一倍頻為主波峰，系統給出設備故障為轉子不平衡故障，剩余壽命為16 d，如圖8所示。

圖7 離心機振動(dòng)數據

圖8 離心機振動(dòng)頻譜

4?結語(yǔ)

設備預測性維護系統實(shí)時(shí)采集污水處理廠(chǎng)鼓風(fēng)機、離心機等大型設備的高頻振動(dòng)信號，通過(guò)先進(jìn)的頻譜分析和時(shí)序預測算法，實(shí)時(shí)分析、預測設備故障。在實(shí)地應用期間，該系統監測出污水處理廠(chǎng)在用設備潛在的故障，給出設備剩余壽命和故障。該產(chǎn)品的應用可顯著(zhù)降低污水處理廠(chǎng)關(guān)鍵性設備損壞停產(chǎn)的風(fēng)險，協(xié)助智慧污水處理廠(chǎng)少人值守和設備智能管理的目標。