离心压缩机状态监测与故障诊断系统的设计与应用

杨文超

（埃理奥特机械设备维修服务（天津）有限责任公司，天津300000）

0 引言

完善的离心压缩机设备状态监测及故障诊断技术，可以提高设备的管理水平，保证产品的质量，提高设备的可靠性和易维修性，减少事故危害性。本文针对离心式压缩机的特点，提出了状态监测与故障诊断系统的设计思路。

1 离心压缩机状态检测及故障诊断系统总体结构

设计压缩机状态检测及故障诊断系统的最终目的是提高压缩机运行过程中的可靠性，根据离心压缩机的特点系统必须保证7×24 h不间断地对压缩机进行状态检测和故障特征识别，如果设备发生异常情况，可以及时做出相应处理，并为故障排除提出合理的建议等。

离心压缩机设备的状态检测及故障诊断系统，根据功能可以分为两大模块：状态检测、故障诊断。对于整个压缩机监测诊断系统来说，首先要根据压缩机的型号选取合适的传感器，在关键部位布置传感器。接着，要监控压缩机的温度、压力、流量、转速等信号并进行收集，信息经过必要的处理后，存储到数据库中，提供给故障诊断模块，进行机组运行判定，通过网络实现远程诊断/维护。其结构可用图1简单示意。

图1 系统总体结构

2 硬件选取

压缩机状态监测及故障诊断系统主要的硬件包括传感器、数据采集器、信号调理器等。

2.1 传感器

传感器是实现状态监测的关键仪器，它负责采集设备的运行信息，传输给数据采集器做下一步处理。根据离心机状态监测所需要的物理量，本系统所需要的传感器包括振动传感器、压力传感器、转速传感器、温度传感器、流量传感器等。本系统最重要的就是振动传感器的选择。

根据振动传感器的工作原理及特性，旋转机械主轴测振主要选用激光传感器和电涡流传感器，因为这两种传感器属于非接触式传感器，安装在推力轴承的机架等静止部件上来测量静止部件的振动情况。

由于压缩机在运行过程中各部位都有一定的振动频率，因此在选用传感器的响应频率时应充分考虑压缩机的振动频率。例如，如果压缩机的转动频率是50 Hz，那么我们需要选用频率在10～500 Hz之间的传感器。

另外，在选用传感器时要充分考虑传感器的响应频率，传感器的输出方式也是选择传感器的重要因素之一，建议选用双向输出传感器。

2.2 数据采集器及信号调理器

不论传感器测量得到的是电压还是电流，都必须传输到数据采集器中。本系统很重要的一个功能就是远程监控，因此数据采集器要支持基于TCP/IP协议的以太网通信，而且对传输速度、可靠性和可安装性方面有一定的要求，同时要有防水、防爆等功能。本系统采用MD39051A数据采集器。信号调理器是数据采集器的配套设置，主要用来对振动传感器等的输出信号进行隔离放大、信号调理，为信号远距离传输奠定基础。

本系统所采用的MD39051A数据采集器是整个系统的核心部件，它要完成对振动信号的AC/DC分离、可编程滤波等预处理以及对运行周期的采样、相位及转速等基础信息的测量、主要特征值的计算、报警及异常数据判断、收集信息控制、将所采集的数据送入系统等功能。

2.3 系统的硬件连接

整个系统可以大致分为三层。第一层，现场测试，主要包括布置在现场的振动传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器等测量仪器仪表，负责对原始数据进行收集和预处理；第二层，车间监控，主要包括信号采集器和信号调理器，负责对传感器测得的相关数据进行信号处理、分析、报警，监测数据保存及故障诊断等，安装必要的传输设备和调控设备，让现场工作人员可以及时观测压缩机运行状态，并对压缩机完成相关的启/停以及状态调节等操作；第三层，远程监控，主要包括光纤、双绞线等传输媒介，实现将现场处理完好的信号送到远方，达到远程监控的目的。

设备状态监测及故障诊断中所用的传感器能捕捉到的信号比较微弱，必要时须另加电荷放大器。

3 软件设计

依照图1的系统设计思路，笔者将整个系统分为组态、分析、管理三个部分。

3.1 组态

主要针对各种信息设备及参数的设置，并通过一些设置增强系统的适应性和兼容性。具体功能主要包括：

（1）信息链的建立，信息传输过程中采集器、机组、装置、车间、公司等节点信息的设置录入。

添加采集器是建立信息链的必要步骤，相当于将监控系统和传感器连接在一起，使得整个系统可以获得传感器测得的信号。

在组态中，最关键的就是信息链的建立，而在信息链构建过程中，最关键的则是添加采集器，并设定其分析频率和动态增益。对于15 000 r/min以下的机组，通常分析频率选1.5～2 kHz为宜。动态增益则是根据信号的大小选择一个恰当的频率增益，在振动小于50 μm时，选择16；而在50～100 μm时，选择8；大于100 μm时，选择4。

（2）除了添加采集器外还包含其他参数的设置，例如机组参数、硬件参数、信号通道参数、报警值、轴振动与轴位移、用户自定义特征频率设置等。

组态的存在极大地丰富了系统的兼容性和可扩展性。

3.2 分析

主要用于检测数据的查看、分析及报表查阅，完成系统的主要监控任务。它的功能主要有：

（1）查看实时测量数据。所使用的实时数据的来源有三类：数据库、服务器缓存、采集器。通常情况下，我们查询时使用的是数据源最稳定的数据库查询，或者直接观察关键参数的实时变化情况。

（2）历史数据查询。用户可以根据自身需要设置筛选历史条件，查看所要查询的数据。

（3）故障诊断及查询。系统提供故障集，针对每一种故障还给出了其表现特征、故障原因和消除故障的具体措施。用户可以根据故障现象选择查询条件，搜寻出故障原因及详细信息。

（4）查看检测报告和清单。查看机组检测的日、周、月、年等报表，报警清单的详细信息。

3.3 管理

用于管理整个软件的操作设置，包括码表管理、用户管理、权限设置、报表管理、服务器管理等功能。

4 结语

压缩机状态监测及故障诊断技术是计划检修制度向实时优化维护制度转变的基础。本文在分析压缩机在线监测要求的基础上，设计了一套在线监测及故障诊断系统，可以实现离心式压缩机设备的实时状态监测、短时趋势分析、频谱分析等功能，并基于传统的专家经验，实现实时报警和故障诊断。

[1]赵旭凌，周云龙.基于LabVIEW的离心泵在线监测与故障诊断系统设计及应用[J].东北电力大学学报，2017，37（2）：66-72.

[2]赵占涛.新技术新产品加油站工程建设中的应用[J].中国新技术新产品，2014（5）：58.

[3]姚志伟.基于知识的大型旋转机械故障预知维护系统研究[D].北京：北京机械工程学院，2007.