【iEicn.com编者按】针对空压机运行的不稳定现状，采用DCS系统实现空压机的状态监测和故障诊断，不仅大大提高空压机运行稳定性，而且实现了预测维修。
一 概述：
空压机组在运行中受到许多因素的影响，如仪表可靠度、操作、维修等，都会影响到机组的正常运行。常用的常规监测控制仪表故障率较高，导致设备的故障率居高不下，每年要花费大量资金用于设备零部件更换。近年来国内大机组发生故障的事例屡见不鲜，有些甚至是毁灭性事故，不但影响了设备长周期运行，而且严重影响生产和经济效益。因此对空压机组进行状态监测、故障诊断与预测维修，是实现设备安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行的重要保证，也是提高设备现代化管理的重要手段。
二 空压机机组结构图及仪表控制情况
空压机机组结构图如图1所示
图1 空压机组结构图
对空压机进行的检测参数有：电机、变速器、压缩机的轴瓦温度；电机定子温度；润滑油进出口压力及温度；空压机的进出口压力；出口流量；出口温度；冷却水压。
联锁保护有：电机、变速器、压缩机的轴瓦温度的报警、停车；润滑油压允许启动；润滑油压报警停车；轴位移的报警及停车；冷却水压及出口压力的报警；电机定子温度和油温的报警。
三 系统的状态检测硬件配置
如图2所示，状态监测及故障诊断的硬件配置主要由现场监测元件、通讯处理器、光纤集线器、控制网络、工厂信息网等构成。
图2 系统硬件配置
硬件配置整体结构上分为3层。第一层，状态监测层，各机组监测信号通过各自的通讯处理器与光纤集线器相连，再与控制网络的MODBUS接口通讯。第二层，控制网络层，DCS系统通过集线器采集各机组状态监测数据并控制现场设备，工程师站或操作员站集成故障诊断与预测维修软件，可实现实时分析或定时分析。第三层，工厂信息网，通过工程师站与工厂主干信息网连网，主干网上授权的计算机可显示状态监测，安装相应的软件，可供管理人员分析使用。
四 故障诊断与监测维修的软件实现
随着计算机技术的飞速发展，DCS系统广泛使用到各类企业的自动化领域中，针对空压机组，采用DCS系统与故障分析软件相结合，以支持远程诊断为基本特征，由数据采集、在线监测预报、信号分析、故障诊断等子系统组成，具有管理功能强、扩展方便和数据传输速率高等特点。系统引入的监测参数主要包括振动、位移、速度、出入口流量及压力、轴承温度等，实现了多参数综合诊断，提高诊断的准确度。系统引入了大量的热工仪表监测参数，包括轴瓦温度、进排气温度、压力、液位等，实现了设备状态的全参数监测诊断。这样做的优点是将仪表监测和故障诊断合二为一，更方便机组的运行操作和状态监测而且节省投资。
4.1 故障诊断系统软件设计基本原理：
故障诊断系统由信号分析处理系统和专家系统两部分组成，信号处理系统主要从实时数据库中取出各个机组在不同时刻、不同状态下的动态信号，快速准确地进行各种信号分析和数据处理，绘制出有利于观察识别机组状态的图谱，如轴心轨迹图、极坐标图、波德图等，并将其数据值信号特征传递给专家系统，供诊断设备故障使用。
故障诊断的基本结构图3如下：
图3 故障诊断的基本结构4.2 信号分析处理系统中相关理论
影响空压机稳定运行的主要安全参数为轴瓦温度、轴位移、轴振动、相位和转速等，故有下面三种知识曲线用于该系统。
(1) 轨迹
轴心轨迹图是通过轴的水平、垂直信号的振动信号的频率合成而来的，轴心轨迹随负荷不同而变化的情况，首先是很“胖”的椭圆，它说明情况正常。随着负荷的增大，椭圆变扁。负荷再大会出现二倍频成份。这种予载，如果足够大，就可能使机械产生轴承过大的磨损、轴疲劳、轴裂纹等故障。
(2) 极坐标图和波德图
在极坐标图中，向量的幅值和相位这两个成份，以极坐标形式标示在一个图中，而在波德图中，幅值和相位分别标示在两个XY图的Y轴上，X轴都用转速表示，以上任意一种图形格式，都可以用来很容易地识别某种特性，利用极坐标图和波德图可以判别共振转速、由于摩擦和轴裂纹等故障。
4.3 专家系统的工作原理
专家系统由以下部分组成：知识库、数据库、数据接口、推理机
图4 专家系统结构图
(1) 知识库
知识库是诊断维修专家的核心部分，其主要功能是存储和管理专家系统中的知识。知识库存储的知识主要有两种，第一种是相关领域分开性的知识理论，第二种是专家长期工作实践所获得的知识和日常实践维修数据。
(2) 数据库
数据库是专家系统中用于存放反映系统当前状态的实事数据的地方。其数据包括设备采集的数据以及推理过程中得到的中间结果，这些值在系统运行中是不断改变的。
(3) 数据接口
数据接口负责传递实时数据库中的数据进入推理机，同时将用户输入的信息转换成系统内规范化的表达方式以及传出故障类别和处理方案。
(4) 推理机
推理机实际上是一组计算机程序，它从实时数据库和信号分析系统传来的数据，同知识库中的知识框架按一定规则进行各自匹配，最后得出以下16种故障状况：转子不平衡、转子裂纹、油膜涡动、旋转失速、转子损坏、转子不对中、油膜振荡、喘振、转子弯曲、碰弹摩擦、轴承损坏、密封气流激振、转子零件松动、连续摩擦、支撑零件松动、轴承间隙过大、电磁干扰。
总之该专家诊断系统可以实现压缩机不同的诊断结果，并提出日常维护和保养，能准确判断故障走向，减少维修的盲目性，达到预测性维修。
4.4 专家系统软件的实现
专家系统软件可以通过专家系统开发工具实现，如北京四季阳光公司的MAES系列的MAES---JT开发工具，只须在给出的界面用中文并填入征兆和结论名称以及填入规则即可实现专家系统。
五 实现结果
专家诊断故障系统是将检修、日常维护实践和专家经验相结合，用计算机语言来实现空压机的故障诊断分析，系统可以作出如下决策。
Ø 机器可以运行的时间；
Ø 机器故障的严重程度；
Ø 继续运行是否有危险；
Ø 能否通过调节运行参数使机器继续运行；
Ø 机器是否需要重点监视；
Ø 机器需要解体检查的部分；
Ø 大修期间应重点检修的主要部位。
六 结束语
空压机组运行状态监测，故障诊断系统是典型的机电一体化高新技术产品，它不仅对空压机的参数进行显示，联锁控制系统稳定可靠，而且可以通过故障诊断系统提供的信息进行预测维修工作，大大减少大修工作量，减少人力、物力的消耗，其经济效益十分显著，据日本统计，采用此系统后，故障率减少75%，维修费用降低25～50%，英国专家Thomas认为若采用故障诊断系统获利与投资之比可高达17:1。针对空压机组故障率高的特点，大有采用此系统的必要性，改变传统的设备维修方法，是大型机组进入以状态监测为基础的预测维修时代是未来发展的方向。
参考文献
1. 本特利内华达产品介绍.
2. 王常力，廖道文，集散型控制系统设计与应用.清华大学出版社,1993.
3. 开放型工业控制技术及系统.上海大学出版社,1998.
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