万年红黄业钢王永强
摘要由于轧机机架内部恶劣的环境条件，一般对乳机设备的状态监测仅限于主传动部分，监测的物理量主要是振动，对机架内部设备多参量的在线监测很少见到。本文对轧机机架内部轧辊等部件的在线监测进行了有意义的探索和实践，在轧辊部位采集了振动、温度、流量、转速、位移等信号，并研制了易于扩展的站点式状态信息收集系统，为监测轧制过程和查找故障提供了有力依据。
一、概述
宝钢某酸轧机组投运时间不太长，近期以来，时有一些故障发生，其原因不易查找，如轧辊轴承损坏、飞剪和牌坊架的低频振动等。由于现场条件所限，对相关的大多数参量没有测试手段，即便有的参量可以检测，也不能同步检测到各相关的物理量，因而不能全面了解设备的状态及各量之间的相互关系。
轧机设备的运行状态具有变速、变载、冲击及工况多的特点，其运行参数是多变的。没有完整的信息记录，人们就难以分析设备的情况，难以把握设备状态。遇设备状态不佳时，在定修前需委托专业部门每天进行跟踪测试，保驾运行，但由于测量参数单一，工况单一，数据有限，其效果和经济性均不能令人满意。
针对这种情况研制了第五机架的站点式轧机监测系统，同步地采集轧辊轴承润滑油温和流量、轧辊转速、轧辊轴向窜动、牌坊架振动、主电机及飞剪和卷取机振动等参数，同步反映了轧钢过程这些参数的动态变化，可以发现轧辊打滑、轧辊轴承润滑油路不畅、主传动系统间隙过大、机架基础振动等一般监测系统难以发现的问题，为监测轧机状态和故障原因的查找提供了依据。本系统利用局域网，将现场数据实时传送到终端监测站，具有监测参量多、同步性好、实时性强、保存数据长、易于扩展等特点，尤其在轧机内部实现了多种参量的采集和在线监测，是一种很有意义的尝试。此外，站点式的结构，充分考虑了采集站和监测站的扩充，增加监测对象只需就近配置站点，硬件软件方面投入很少的工作量即可完成。
二、系统组成和原理
以酸轧机组第五机架为对象，研究开发了基于振动、位移、转速、温度、流量等参量的站点式轧机状态监测系统。
监测系统采用分级式结构，下层采用相对独立的数据采集基站，上层由通用计算机作为数据管理机，兼作监测站功能。由于被监测参量涉及不同的作业区，通过网络设备，可在不同的作业区监测轧机的工作状态。本项目作为试点，采集基站目前只接了一个，全面监测第五机架的参量。系统结构示意图见图1，系统的各部分组成见图2，图中各模块的功能如下。
1．现场传感器分布
温度传感器：下工作辊和上工作辊出口、上工作辊入口、下中间辊出口、上中间辊入口和出口各一路，共10路；
转速传感器：上下工作辊各1路；
位移传感器：上下工作辊轴向窜动各1路；
流量传感器：上工作辊和上中间辊的入口各1路；
振动传感器：上下主传动电机4路、飞剪减速箱输入侧1路、卷取机齿轮箱输入侧1路、牌坊架2路。
2．数据采集基站
数据采集基站的功能是定时采集现场信号，保存数据和数据的传输。
如图3上部为研华MIC2000工控机〔1〕，进行快变信号的采集、调理，所有采集信号的管理、传输，历史数据的记录。图片的中央是研华ADM5000E采集控制系统，它集采集、调理、通信为一体，集成度高，配有采集各种参量的I/O模块，并且最多可连128个这样的采集系统框架构成分布式监测系统。
现场数据采集系统的信号流程是：现场信号→数据调理模块→数据采集模块→工控机。现场模拟信号和数字信号拾取后，传输至数据调理模块，通过数据调理器进行数据变换、隔离、整形，传输至数据采集模块，进行现场信号采集。再通过RS485接口传输至工控机，工控机对采集的模拟信号、数字信号进行数据处理，存入数据库文件，通过磁盘文件的方式供数据管理机使用。
3．数据管理机（监测站）
数据管理机的功能是接收数据采集工作站传输的现场数据文件；现场数据（数字、曲线、原始波形、频谱）的实时显示；历史数据的分析处理；管理下属基站配置；数据的网络传输和数据库维护。
数据管理机位于点检办公室，在局域网可及的范围内都可观察到采集的信息并进行信号分析。超级用户有权进行基站的配置、传感器的标定和报警值的设定。
三、系统功能及特色
1．系统功能
(1)轧机运行状态振动、流量、位移、转速、温度的同步采集和监测；
(2)用数字和曲线方式实时显示监测现场的动态信息，刷新时间为1s;
(3)每分钟一组测量值和特征值的记录，可永久保留；每日一组的原始波形数据保留一年，一年以上备份保留；
(4)各参数测量值的趋势分析；
(5)快变量信号波形和频谱的实时分析和显示；
(6)历史数据的精密分析；
(7)灵活的通道配置和报警值、标定值的设置；
(8)界面友好，操作简便。
2．系统特色
(1)在轧辊上设立监测参量。轧机机架内部参量的在线监测非常少见，一般仅限于主传动系统的监测。因此本系统对机架内的运行参数进行在线监测，很有创新意义，但有较大的难度。通过系统的建立，对该机架内轧辊的润滑油流量、温度、转速与轴向窜动有了较清晰的了解，对研究轧机工艺过程、发现轧辊打滑、润滑油不畅、传动系统间隙等故障及飞剪、牌坊架的基础振动很有意义。
(2)丰富的历史数据。测量数据及特征值每分钟一组，可永久性保存。系统可以保存一年的原始数据信息，每小时一组，因此本系统历史数据的长度和密度都达到较高的要求。满一年以后，通过一年一备份的方式即可解决前一年的原始数据备份问题。系统丰富的历史数据为查找和研究故障原因提供了第一手资料。
(3)特征值监测。由于轧机设备的运行特点，其转速在轧制过程中不断变化，加之钢种和轧辊的变化，使设备的振动值不能唯一反映设备的状态，并且难以建立准确的监测标准。因此必须合理地选择轧机设备的振动监测参量。本系统使用了有效值、平均值、方根幅值、波形指标、脉冲指标、豁度指标六种振动特征参数作为监测参量，尽量使监测参量的大小不受钢种等工艺因素的影响。同时，不同的参量对不同的故障敏感度不同，在分析时各有侧重。如其中的无量纲指标〔2〕
波形指标（波形率）K=(1)
式中XRMS—测量值的有效值
—测量值的平均值
脉冲指标（波高率）I=(2)
式中Xp—测量值的峰值
无量纲指标是复杂工况下较好的判断指标，最大的特点是能够减小工况条件变化的影响。选择无量纲指标的基本要求是：对故障和缺陷足够敏感，而对信号的幅值和频率不敏感，这样就与设备运行的工况相关不大，而只依赖于概率密度函数的形状〔3〕。由于大多数情况轧机工作在变速、变载和冲击的状态，工况的变化较大。轧制不同的钢种就有不同的压下量、轧制力、轧制速度等不同的工艺参数，要建立统一的监测标准是非常困难的，或者说由于工况情况的多变，难以用一个简单的物理量来评价设备的状态。这种情况下，使用无量纲指标可以收到较好的效果。
4．开放性和扩展性。由于系统采用了基于局域访问方式，使人们对现场监测信息的观察像访问自己的计算机一样方便。在上端凡是局域网中的计算机，只要装有本系统软件，均可方便地监测设备的信息，这为系统的扩展、数据共享及远程诊断提供了基础。
采用开放性的结构和站点式的监测技术保证了系统的扩展性。目前本系统在不增加硬件的基础上，还可增加5通道温度，4通道振动，2通道位移，2通道转速，2通道流量，在软件上已经将这些预留通道的界面做好。本系统采用的硬件，是研华分布式采集控制系统，一个框架上有8个I/O模块，每模块根据物理量的不同，有3~5个通道，而这样的框架最多可扩展至128个〔4〕。因此在需要增加站点时，只需针对监测对象就近增加监测站点，在软件中增加新的站点界面就可方便地实现监测站点的增加。
四、故障举例
2003年1月14日上午8时左右，监测系统显示出下中间辊有一个出口的温度升高较快，温度由正常时的50~53℃升高到80℃以上，最高时达到86℃，于是机械作业区通知生产车间更换下中间辊。更换后，温度恢复正常。经解体检查下机的轧辊，发现该辊操作侧止推轴承的滚珠、内外圈滑道已出现初始烧灼情况，说明更换前该辊操作侧轴承或轧辊的安装确实存在问题。该案例说明本系统对轧辊轴承能起到一定的保护作用，相信随着时间的推移，系统对发现事故隐患、把握设备状态必将发挥更大的作用。
图4中曲线A（越过警戒）为下中间辊出口的温度，由图可见在2003年1月14日上午8时左右超过报警值，更换中间辊后温度恢复正常。对于这种比较突发的故障，用过去定期检测的方法是捕捉不到的，从中显现了本系统的优势。
五、结论
在轧机内部进行在线监测，并且实现了多参量的同步采集，这在监测技术领域是一次有意义的创新，对保证设备安全、查找故障以及研究轧机故障机理均有重要意义。
不可否认，任何研究开发都有一定的风险和难度。本系统中，由于机架内部环境条件过于恶劣，施工难度高，加之频繁地换辊以及维修时的操作致使机架内部传感器较易受到损坏，给维护带来一定难度，也使我们认识到要做一些研究探索性的工作，尤其是前人未做过的事情，的确不容易。但无论如何，站点式轧机监测系统的建立是一次很好的探索和尝试。
参考文献
1MIC-2000User＇sManua.AdvantechCo.，April2000
2丰田利夫．设备断诊技术丛书．日本能率协会，1992年2月
3黄文虎，夏松波等.设备故障诊断原理、技术及应用．科学出版社，1996年8月
4ADAM5000SeriesUser＇sManual.AdvantechCo.，April2000