马卫东，赖为民，尹玉贵
摘要：采用松下PLC的CVET工业局域网，美国康泰高速A/D卡，与三台研华工控机组成远程数据采集网络，用于森吉米尔轧机生产线重要参数的在线监测。系统实时采集的大量数据，为设备管理与维护及故障诊断提供了重要依据。
关键词：数据采集；故障诊断；专家系统
武钢硅钢厂森吉米尔轧机生产线系上世纪70年代由日本引进。为保证轧机生产线安全、高效工作，及时掌握电气、机械设备的工作状态和潜在事故信息，建立了以振动、电量参数为主的在线监测诊断系统。
本系统通过安装在设备上的加速度传感器和电量测量传感器，采集设备的振动信号和电量与非电量参数，借助于计算机和诊断软件分析处理。系统主要功能包括：(1)直观的窗口图形界面使用环境，全中文显示；(2)可对所有测点实时巡回检测、定时检测、均值计算、上下限报警、打印、实时打印非正常值表；(3)参数设定、报警上下限范围、采样速率等均可通过填写菜单方式完成，利于用户修改设定参数；(4)图形界面便于操作、观察和理解；(5)所有显示表格及打印报表都可由用户编辑；(6)可提供各路检测数据曲线拟合功能；(7)对电度参数日报、月报，统计造表；(8)完成多通道实时数据采集、处理，数据递推超界报警，并可存贮数据，构成设备运行档案；(9)通过故障分析功能了解设备运行状态与发生故障的原因；(10)进行趋势分析，预测设备可能发生故障的时间，以便根据情况安排检修。
一、数据采集系统
数据采集系统结构如图1所示。PLC采用日本松下产品，共有三个部分。一部分负责采集有功和无功功率，共17路，数据由现场控制柜中有功和无功电度表提供。有功电度按4800kW"h，即每kW"h发4800个幅度为12V的电脉冲，无功功率按3500Var，即每Var发3500个幅度为12V的电脉冲。另两部分分别采集1、2号主电室电机的极温和冷却风压力，各为23路信号。采用C－NET与工控机组成工业局域网。
远程数据采集模块分别采集l、2号主电室室温、变压器温度、压力、控制柜进线电流、蓄电池电压、电流等共88路信号。模块分布在11个控制柜中，采用RS－485总线联接组成局域网络，在信号采集计算机附近用AD－AM4520模块把RS－485总线再转换为RS－232接入计算机。
机房的一台工控机作为上位机，1、2号主电室的两台工控机作为下位机。由RS－485通信口组成的多机通信网与上位机相联，两台下位机与上位机之间采用局域网相联。两台下位机分别装配高速A/D卡，采集18路振动信号，48路电机参数和24路跳闸开关量信号。由此构成了在500m范围内近250个模拟量和数字量的数据采集系统。
数据采集系统软件采用VB6.0编程，分成三个主要部分。
1．过渡过程的跟踪与存储
为保证轧机电动机的安全可靠运行，要求记录事故跳闸时刻前3s、后4s电动机电压、电流、转速、励磁电流的动态过程，并给出准确的事故跳闸起始点，以便分析跳闸原因，尽快找到故障点，减少停产时间。
2．故障分析
故障分析包括机械传动和电动机两部分。
机械传动部分是通过加速度传感器测量机械振动，振动信号经调理后输入给A/D卡采样，工控机对采样数据进行如下处理。
(1)简易诊断分析。应用的时域指标包括最大值、峰峰值、均值、均方根值、脉冲指标和峭度指标；
(2)精密诊断分析。包括时域波形记录、频谱分析、倒谱分析、历史数据与当前数据比较分析等；
(3)图形功能。为进行各种分析比较，可进行单幅显示、双幅显示、四幅显示、X方向的放大缩小、峰值打印、图形拷贝等。
波形和对应的频谱图如图2所示。
3．系统数据管理
对所有采集的数据填表打印。
二、故障诊断专家系统
故障诊断专家系统为故障分析和诊断提供了一个方便有效的工具，其结构、功能和原理归纳如下。
1．层次结构：(1)特征频率计算与存贮；(2)典型故障谱图；(3)知识库建立与维护；(4)故障分析。
2．功能描述
可计算被诊断电动机组的各种特征频率，其中机械部分有轴频f0、齿轮啮合频率fzi以及轴承各部位特征频率：电机部分分为直流电机和交流电机，直流电机包括槽频率fz、可控硅频率fCSR和固有频率fn；交流电机包括转差频率fw、滑差频率fs、固有频率fn以及槽频率fki等。系统计算出特征频率后，存入指定数据库中，以便调用。
系统装有经过仔细筛选过的齿轮断齿、剥落、磨损、偏心，轴承元件剥落、裂纹、内外圈松动等典型故障谱图。
根据模糊数学原理，可以得到故障症状和故障原因的数学模型
Y=XoR
式中：Y—故障原因向量；
X—故障症状向量；
R—模糊关系矩阵；
o—模糊逻辑算子
据此，可以分为两个步骤进行故障诊断
(1)故障症状输入。由计算机自动对故障信号进行FFT和倒谱分析，根据幅值谱自动计算故障症状向量。
(2)诊断输出。根据故障诊断知识库，运用模糊逻辑诊断法，得出诊断结果（见图3）。
当轧制不同规格钢材时，作用在齿轮箱上的载荷谱、对应的振动信号以及故障症状向量不同，反映出的零部件的故障类型及程度也不同。
刚投入运行的故障诊断知识库，可能由于现场数据统计不完善和实验条件限制等原因，使得一些次要的故障漏诊，故需通过长期积累，不断添加新的知识，以补充判据和规则，提高诊断的准确率。
三、结论
1．本系统于2001年11月投入运行，为轧钢机械和电气设备的管理与维护带来了很大的方便，为轧钢生产线的安全可靠运行提供了理论依据。
2．直流大电机监测诊断系统为武钢硅钢厂带来可观的经济和社会效益。由于处理得当，系统投入运行3年以来，ZR1、ZR2机组在其检测范减少了故障停机时间，每年至少节约八次（每次处理72小时）以上的解体检修时间，3年综合经济效益达4428万元。
因此，这在大型冶金企业是一项值得推广的新技术。
参考文献：
范逸之．Vicualbasic与RS232串行通信控制．北京．中国青年出版社，2000.
李径伟．数字信号处理及其C语言算法．北京．北京新闻出版局，1995.
李楠等，VicualBasic5．0编程实例与技工．北京．人民邮电出版社，1998.