设备在线监测系统在棒线材生产线的应用实践

彭飞

（广西钢铁集团有限公司热轧总厂，广西 防城港 538000）

广西钢铁集团有限公司热轧总厂棒线材产线（以下简称热轧总厂）于2020 年5 月建成投产，由2 条普通棒材（以下简称普棒）、2 条双高速棒材（以下简称高棒）和3 条高速线材（以下简称高线）组成，年设计产能580万t。其中高棒最高轧速可到40m/s，高线则可达110m/s，为实现高速轧制，高棒和高线的精轧区高速旋转设备功率大、运转速度快、精度要求高，一旦出现了故障，则会对生产、设备、能源等方面造成重大损失。因此，高速旋转设备的稳定运行是保证生产各项指标良好的一个关键因素，也是降低生产成本工作中的一个重要环节。

为保证精轧区高速旋转设备的稳定运行，关键是要能够掌握设备的运行状态，在设备正常运行和有劣化趋势下采取不同的生产经营策略，最大化地利用设备产生经济效益。传统的做法采用点检定修制，主要依靠人的五感和手持仪器对设备进行检测，在检测出设备异常运行状态后进行监护和维修，不仅存在一定的滞后性，且因人员经验与技术差异，效果也有许多不确定性，无法达到事前预防的效果。随着设备诊断技术、应用电子技术、大数据信息技术等飞速发展，自2019 年热轧总厂建设初期，即开始确立通过AI 智能算法与模型、设备全生命周期管理系统等创新手段，实现高速旋转设备状态数据化、可视化，以设备状态数据驱动设备管理业务，最终实现设备预测性维护目标。首要在棒线材生产线上的高速区设备应用该系统。

1 系统构成与功能

热轧总厂的设备在线监测系统由安徽容知日新科技股份有限公司（以下简称容知公司）设计、供货和安装，并提供运维服务。系统覆盖两条双高棒、三条高线，合计监测45 台套设备，共514 个测点，分别为8 台套高棒精轧机组设备、4 台套减径机组设备，6 台套高线预精轧机组设备、18 台套精轧机、3 台套减径机组、3 台套夹送辊、3 台套吐丝机。在上述设备的电机和齿轮箱上安置转速传感器和加速度传感器，分别位于其旋转轴承座的径向和轴向等位置，用以采集电机转速和齿轮箱各方向的振动情况。

该系统由振动加速度传感器、屏蔽电缆、釆集站、现场服务器、监测及诊断分析软件等部分组成，通过传感器采集并输出模拟信号，通过屏蔽电缆传输到采集站，在采集站转化为数字信号和频谱，并过滤掉多余的频谱后，形成振动速度、振动加速度、加速度包络、各类频谱、通道温度等，通过监测及诊断分析软件显示出来，并做出简单的判断，借助智能报警策略，及时发现设备的运行异常状态并推送报警信息，利用互联网技术，将异常数据传送至远程专家系统平台，借助先进的模型算法以及专家团队分析，定位故障部位、分析严重程度、预测使用寿命，并给出对应的检维护指导，确保设备安全稳定运行。

该系统结合热轧总厂设备维护管理人员不同的需求和关注点，针对性设计、开发直观且友好的终端应用。可以通过WEB 端或是APP 端，便捷查看设备转速、振动、温度、等状态数据、报警等级、故障判断、检维护处理建议等信息。同时系统内置时域波形、频谱、趋势、包络解调、瀑布图、多波形、多频谱等20 多种分析工具，具备丰富的数据分析功能。

该系统采用长波形采集、双轨制采集、阶次跟踪采集技术、边缘计算等多种智能数据采集、数据上传策略，四级门限报警加自适应报警双结合的智能报警策略，智能诊断加专家诊断相结合的先进诊断策略，可以有效避免谎报、漏报、误报等问题，提高系统可靠性。

该系统配置智能自诊断功能，对自身硬件、网络、软件服务等各个环节进行实时监测与诊断，系统自身发生异常时，第一是发出异常提醒，保障系统运行的稳定性。

2 运维模式

该系统以使用方-热轧总厂在现场简单诊断分析为基础，以供应方-容知公司在远程精密诊断分析为保障，双重保险机制进行设备运维和系统运维。

热轧总厂在生产现场对该系统实行专职点检和专业点检，专职点检每班对系统上的点检界面进行观察和判断，此前经热轧总厂根据现场实际情况与容知公司提出并开发了点检界面，点检界面可以直观地浏览所管辖所有设备的振动速度、振动加速度和通道温度等数值情况，帮助点检人员简单且快速地判断设备是否存在异常运行的情况。专业点检每天对系统推送的报警情况进行浏览，并通过趋势分析、时域波形和频谱进行简单分析，找出可能存在异常的设备进行监护跟踪，同时，向容知公司反馈，进行精密分析。同时，对于现场各测点推送的异常提醒进行针对性检查，及时解决传感器、电缆、服务器等故障，保证系统正常运行。

容知公司为热轧总厂提供全天候全方位设备监护服务，帮助分析热轧总厂点检人员发现的设备异常情况，发现设备异常状态后进行设备状态信息推送，给出设备运行状态结论、运行建议和检维护建议。同时，诊断分析专家在设备监护时发现的异常情况，也通过设备故障诊断报告推送至热轧总厂给于指导。设备经过检修后，通过一段时间的运行，由容知公司出具设备检修后状态评估报告，完成此次设备的异常状态封闭。除此之外，月度设备体检报告也在次月月初提供给热轧总厂，给生产组织和设备运行提供依据。

通过上述运维模式，可以做到以下几点：

（1）提早发现隐患，指导生产和检修计划排布，减少设备非计划停机时间，防止突发事故，提高作业率。

（2）若无法立刻停机处理，可以依据系统数据实时控制和监护设备运行，把损失降下来。

（3）合理预测设备使用寿命，制定更换周期，减少盲目检修，降低生产成本。

（4）通过学习运维诊断报告，辅以线上线下的培训，能够把简单的诊断知识给设备操作和维修人员掌握，提高人员素质。

3 诊断应用案例分析

案例1：避免突发故障——齿轮故障。

（1）2021 年10 月12 日，高棒设备在线监测系统发现了3#高棒减径机组24#存在异常，推送报警。

（2）热轧总厂专业点检员接收到报警后，了解到报警位置为减径机组24#的13H 测点，先进行简单诊断：该测点加速度总值平稳，速度总值出现显著上升现象，其中低频加速度时域波形中存在辊轴转频间隔的冲击,幅值较前期稍大。同时该减径机锥齿轮箱1、2 轴啮合频率能量增加。初步诊断结果为减径机组24#锥齿轮箱齿轮存在运行异常。

（3）同时，容知公司诊断专家在后台，通过精密诊断，判断减径机组24#锥齿轮箱1、2 轴齿轮啮合不良，1 轴齿面点蚀、磨损的情况。但由于当时热轧总厂生产任务较重，无法第一时间安排停机检修，在热轧总厂同系统远程诊断专家沟通后，容知公司建议关注该设备的运行状态，主要点检其运行时的振动速度值和是否产生异响，并监控锥齿轮箱的温度变化情况。热轧总厂通过对生产工艺进行微调，并加大设备点检力度和频次，于10 月28 日，生产任务圆满完成后，安排检修。

（4）检修期间，打开减径机组24#锥齿轮箱观察孔，通过盘车发现1 轴齿轮齿面剥落，2 轴齿轮齿面点蚀，于是进行锥齿轮箱下线维修，整体更换。处理完毕后，恢复生产，该设备振动趋势下降到正常范围，整体运行情况良好。

案例2：准确判断故障——轴承故障。

（1）2021 年12 月11 日，高线设备在线监测系统察觉1#高线减径机组变速箱出现异常，推送报警。

（2）热轧总厂专业点检员查看系统发现变速箱整体振动加速度上升较大，联系容知公司进行精密诊断，对底部噪声能量包络解调可见5 轴轴承保持架特征频率及谐波，对10000Hz 以上滤波可见5 轴输入侧轴承保持架冲击，对比12 月2 日至11 日期间对频谱包络解调（见图1)，可见5 轴轴承保持架和外圈特征频率。得出结论——齿轮箱5 轴输入侧轴承保持架断裂性损失，建议在生产间隙检查润滑油中碎屑含量，择机检修更换轴承。

图1 1#高线减径机组包络解调频谱图

热轧总厂当即组织人员前往现场检查，在箱体内部发现轴承保持架碎片，于是安排停机检修处理。同时，在容知公司诊断专家的支持下，对故障根源进行的分析、追溯。得出原因是保持架前期存在卡涩，在12 月11 日振动突发上升后，滤波出现保持架特征，推测此时已经损伤。损伤推测与12 月11 日负载变化有关，现场由空载到带载过程，受交变力导致保持架失效。

案例3：避免突发事故——轴承、齿轮故障。

（1）2021 年12 月31 日，高线设备在线监测系统显示1#高线减径机组27#、28#存在异常，推送报警。

（2）容知公司诊断专家通过精密诊断后发现：减径机组27#锥齿轮箱2 轴13H 测点发出三级报警，28#锥齿轮箱1 轴14H 测点发出二级报警，其中28#锥齿轮箱1 轴振动加速度总值较前期小幅上升，其时域波形中存在2 轴转频间隔的冲击，同时，与其相邻的减径机组27#锥齿轮箱1 轴输入端加速度时域波形中存在明显的冲击、包络解调频谱中可见轴承内圈损伤特征以及保持架特征频率及谐波（见图2）。通过上述特征，诊断专家得出结论——减径机组28#锥齿轮箱2 轴齿面剥落或断齿；减径机组27#锥齿轮箱1 轴输入端轴承内圈点蚀、剥落，保持架磨损。建议择机减径机组28#锥齿轮箱2轴齿面运行情况，同时对27#锥齿轮箱1轴齿轮进行检查。

图2 1#高线27#、28#减径机组包络解调频谱图

（3）接到容知公司的诊断结论和建议后，热轧总厂立即组织设备维护人员利用停机时间对报警部位进行检查，检查结果与报警信息和诊断结论基本一致，随后热轧总厂调整生产计划，利用停机时间将该设备进行维修更换，处理完毕后，经过试机与一段时间的热负荷生产验证，整体运行情况良好。

热轧总厂设备在线监测系统自2020 年7 月随产线一同投用以来，已保障高棒、高线共5 条生产线精轧区高速旋转设备超过26 个月，累计发现、诊断、处理完毕的案例13 起，有效地避免了设备突发事故造成非计划停机，并在运行过程中应用知识工程不断积累故障经验来丰富设备故障库，降低了设备维修费用和非计划停机时间，产生了大量的经济效益，为安全生产保驾护航。

4 结语

如今钢铁企业规模不断加大，产量不断提高，设备越来越精密、复杂，这些设备在生产线上至关重要，如何能够有效、高效地维护，保障复杂设备的功能和精度，降低设备的运行成本，更多的是要依靠大数据、人工智能等先进的信息技术进行辅助。设备管理也需要更多的先进技术去替代简单人工。在钢铁企业利润不断压缩、产品效益不断减少的环境下，如何稳定、高效、低耗的生产，是未来生产经营的一个重要目标。设备在线监测系统的意义尤为重要，热轧总厂后续将考虑结合5G 技术与设备智能运维平台、智能数据采集终端，形成云、网、边、端全链条能力，打造5G+设备智能运维解决方案，在不同场景和应用下逐步推广。