污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備預測性維護系統(tǒng)的開發(fā)及應用

水處理網(wǎng)訊:導 讀：現(xiàn)階段污水處理廠主要通過人工來巡檢設(shè)備運行狀態(tài)，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，工作人員無法第一時間了解情況，給廠里帶來一定的經(jīng)濟損失。為解決此問題，設(shè)計、開發(fā)了污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備預測性維護系統(tǒng)。該系統(tǒng)在線采集軸承座振動信號，并計算出設(shè)備振動速度。當振動速度超過振動標準時，系統(tǒng)采用快速傅里葉變換和包絡(luò)分析方法，分析出設(shè)備故障類型。系統(tǒng)應用在污水處理廠鼓風機和離心機上，能有效預測出設(shè)備潛在故障，為污水處理廠的智能管理提供參考。

0•引言

鼓風機、離心機、水泵是污水處理廠生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備。現(xiàn)階段污水處理廠仍然采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，監(jiān)測重點設(shè)備運行狀態(tài)。這種方式效率較低、人工成本高，并且不具備時效性，無法知曉故障發(fā)生時間、故障類型、發(fā)生位置。盡管有些單級離心鼓風機出廠自帶溫度、位移監(jiān)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發(fā)現(xiàn)隱患,無法在故障初期及時報警，導致設(shè)備造成了一定程度的損壞。同時運維人員需要大量時間停機排查故障，這直接或間接地給污水處理廠帶來損失。

智慧污水處理廠的建設(shè)對廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提出了更高的標準和要求。首先，廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)要實時監(jiān)測。其次，實現(xiàn)設(shè)備預測性維護，當設(shè)備存在發(fā)生故障的趨勢或者處于故障初期時，要給出設(shè)備故障類型、故障位置以及剩余壽命（設(shè)備健康指數(shù)），避免污水處理廠由于設(shè)備問題帶來的非計劃停機。

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

國內(nèi)外也有一些公司采用高頻（10~40K）采集系統(tǒng)，采集、分析設(shè)備振動信號。但由于高頻振動信號數(shù)據(jù)較大，導致這些產(chǎn)品無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測的功能。此外，現(xiàn)階段市面上的產(chǎn)品大都只做到頻譜分析層次，并沒有直接給出設(shè)備故障類型等深層次信息，這就要求污水處理廠人員需要較深的頻譜分析技能，所以這類產(chǎn)品應用效果并不理想。

針對市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，本文設(shè)計了應用于污水處理廠關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備預測性維護系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以通過PC端、手機端實時展示設(shè)備振動數(shù)據(jù)，又可以通過先進的頻譜分析算法給出設(shè)備故障類型。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應用在污水處理廠鼓風機和離心機設(shè)備上，實時監(jiān)測鼓風機和離心機運行狀態(tài)，并給出了鼓風機和離心機故障類型，起到了設(shè)備預測性維護作用。

1•設(shè)備預測性維護系統(tǒng)硬件開發(fā)

設(shè)備預測性維護系統(tǒng)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信號轉(zhuǎn)化成微弱的電流信號。傳感器與高頻采集模塊之間通過低阻抗、帶電磁屏蔽功能的線纜連接。高頻采集模塊將電流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。采集模塊與工控主機通過以太網(wǎng)連接，工控主機運行設(shè)備預測性維護軟系統(tǒng)，包括信號采集、頻譜分析和故障診斷模塊。設(shè)備預測性維護系統(tǒng)硬件安裝如圖1所示。

1.鼓風機設(shè)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(shè)計及安裝方式

污水處理廠生物池采用單級離心鼓風機，功率860 kW，轉(zhuǎn)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(qū)間選為14 K，安裝在鼓風機軸承座的水平和垂直位置。

2•設(shè)備預測性維護系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 信號采集功能開發(fā)

首先，配置通道及采樣模式，讀取采集卡采集的振動數(shù)據(jù)。每隔1 min采樣1次，每次采樣4 096個加速度數(shù)據(jù)。其次，對加速度信號進行積分處理，得到設(shè)備振動速度信號（下稱振動信號）。鼓風機軸承座垂直方向的振動信號如圖2所示。

圖2 振動信號采集

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

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

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 信號分析功能開發(fā)

本設(shè)計采用時域分析和頻域分析結(jié)合的方式。其中時域分析以分析振動趨勢為主，當振動幅值超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)自動報警。具體設(shè)計如下：

首先，讀取去噪后的振動信號（4 096個振動數(shù)據(jù)）。其次，計算出振動速度有效值作為振動幅值。接著，按照國際標準ISO 10816-3，標出設(shè)備正常運行、故障初期和設(shè)備損壞區(qū)間。當振動幅值超出正常運行區(qū)間時，系統(tǒng)自動報警。額定功率大于300 kW并且小于50 MW的剛性連接設(shè)備故障區(qū)間如表1所示。

表1 振動標準

頻域分析是指對振動信號進行頻譜分析，找出頻譜中波峰處對應的頻率值，結(jié)合設(shè)備參數(shù)和故障特征理論計算值，推測出設(shè)備故障類型、故障位置以及剩余壽命。由于FFT在分析復雜信號時具有一定局限性，復雜的振動信號經(jīng)過FFT變換后會得到多個波峰，給故障分析帶來很大干擾。對比圖4a~圖4c，同一故障軸承信號采用不同的分析方式，會得到包含不同干擾波峰干擾的頻譜圖。通過分析大量污水處理廠單級離心鼓風機振動的歷史數(shù)據(jù)（維修中心提供），發(fā)現(xiàn)鼓風機故障以轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、潤滑不足、軸承問題為主。參考回轉(zhuǎn)類設(shè)備故障頻率與基頻之間關(guān)系，本設(shè)計對不同故障（不同頻譜區(qū)間）采用不同的頻譜分析方法，排除干擾波峰。0~3倍基頻區(qū)間采用FFT方法，針對轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、機械松動等故障。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(zhuǎn)齒輪故障。

圖4 頻域分析

根據(jù)主軸基頻f和故障頻率理論計算值，設(shè)計特征故障頻域段，如表2所示。

表2 故障預測頻率

注:n為通過滾動體個數(shù)×0.6、齒輪齒數(shù)、葉輪個數(shù)；所有倍頻均選基頻的0.8~1.2區(qū)間；即1f頻段為0.8~1.2f。

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

式中fi——軸承內(nèi)圈故障頻率，Hz；

ni——內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min；

ne——外圈轉(zhuǎn)速，r/min；

d——滾動體直徑，mm；

α——接觸角，°；

Dm——滾動體中心圓直徑，mm；

z——滾動體個數(shù)，個；

fe——外圈故障頻率，Hz；

fo——滾動體故障頻率，Hz。

3•系統(tǒng)應用及效果

本系統(tǒng)應用在污水處理廠生化池鼓風機設(shè)備、離心機設(shè)備上，取得了顯著效果。加速度傳感器安裝在鼓風機與電機聯(lián)軸器水平位置處，監(jiān)測1#和3#鼓風機運行狀態(tài)，采集到的振動信號如圖5所示。

圖5 1#、3#鼓風機振動數(shù)據(jù)

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

圖6 1#、3#鼓風機振動頻譜

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

圖7 離心機振動數(shù)據(jù)

圖8 離心機振動頻譜

4•結(jié)語

設(shè)備預測性維護系統(tǒng)實時采集污水處理廠鼓風機、離心機等大型設(shè)備的高頻振動信號，通過先進的頻譜分析和時序預測算法，實時分析、預測設(shè)備故障。在實地應用期間，該系統(tǒng)監(jiān)測出污水處理廠在用設(shè)備潛在的故障，給出設(shè)備剩余壽命和故障。該產(chǎn)品的應用可顯著降低污水處理廠關(guān)鍵性設(shè)備損壞停產(chǎn)的風險，協(xié)助智慧污水處理廠少人值守和設(shè)備智能管理的目標。