利用系统曲线进行设备故障诊断

利用系统曲线进行设备故障诊断

摘要：理论与实践证明，矿粉行业中借助DCS中控参数系统曲线趋势显示，对

各运转设备通过测点监控不但可以了解整个生产线设备运行状况，而且为各种中

控操作中可能会出现的系统故障及设备故障提供判断依据。应用中控系统曲线进

行设备故障分析，对于设备状态监测与故障诊断工作、量化设备管理及维修具有

重要的意义。

关键词：系统曲线分析；设备；故障诊断

前言：现代化水泥生产线离不开现代化的自动控制技术，对于现代化的水泥

生产设备，没有必要的自动化控制技术是不能维持正常的生产的，生产过程自动

化控制已成为生产过程现代化的标识之一。水泥厂常用的集散型控制系统（DCS）中一项重要功能——中控趋势显示。趋势显示是过程变量在一定范围内，一定时

间间隔内的变化系统曲线直观的表示，为操作员提供设备运行状态历史曲线的有

效方法。系统标准的显示格式，一幅画面可以同时显示六个甚至更多的变化趋势，并通过调整时间坐标或量程范围，使趋势显示具有实时趋势，全景显示，放大等

功能，使读出的系统曲线更准确，有利于分析设备的运行状态。

现结合在武新公司现场工作中所处理的几个典型的案例，对应用中控系统曲

线分析法开展设备故障诊断工作谈一些体会。

1 DCS系统曲线趋势图的形成及系统曲线采集

在矿粉生产过程中，磨机运行时，对于在DCS上显示的工艺参数系统曲线，

如何分析该系统数据曲线；如果参数系统曲线存在波动，其波动是否合理；如果

工艺系统曲线的波动是由于异常原因所造成的，其原因是什么；要回答这些问题，除了在日常工作中，对设备特性、生产工艺掌握清楚外，还要了解这些系统曲线

的原理。

就DCS上显示的趋势图而言，可以认为这些系统曲线是由连续的无穷多个点

组成的，而这些点就是工艺检测值，因此系统曲线是连续的。而每一个系统曲线

都是随着时间（t ）流失而变化的，即满足下列关系：y= f （t ）。一个稳定、正

常的矿粉生产过程，其工艺检测值不仅是随机的，而且同时间（t ）之间存在正

态分布的关系。当样本容量够大时（N≥ 60），其样本的均值应该无限接近于所检测工艺点的真值。因此，检测点的数值系统曲线，必要时可以借助数理统计中的

一些原理进行分析。

1.1 DCS系统曲线趋势图的形成

DCS趋势图是计算机实时采集（以秒为为单位）记录运行系统曲线，以时间

为横坐标，以运行系统曲线为纵坐标绘制的系统曲线。它可以采集磨机运行时各

参数如压力、流量、温度、电流、喂料量等系统曲线形成工况运行参数的系统曲线，也可记录阀位MV值以及调节器SV值绘制成趋势图。按储存记录时间的长

短可以分为实时趋势和历史趋势。实时趋势只有打开实时趋势图时才开始记录绘制，当关闭实时趋势时，该系统曲线并不存储。而历史趋势可以储存记录很长时间，这个时间根据控制系统的硬盘容量和具体需要来设定，武新公司该系统目前

可以记录系统曲线最长6个月。

1.2 武新公司DCS系统曲线的采集过程

在实际生产过程中，掌握DCS系统曲线采集的原理，对设备故障诊断相当关键。公司设备管理人员为更好的利用中控画面上工艺参数趋势图，对DCS所采集

的模拟量系统曲线原理进行了归纳。大致可归为两类：一是通过生产现场的传感器采集系统曲线、再将信号转化为4~20mA电流信号、通过隔离器让PLC的AI模块接收，最终至上位机，如磨机油站各压力、温度、袋收尘出口压力、料位等。二是通过热电阻采集三线制电阻信号，至机旁二次表转换为4~20mA电流信号，通过隔离器让PLC的AI模块接收，最终至上位机，如磨机主电机定子温度、选粉机电机轴承温度、主排风机轴承温度等。如图所示：

掌握以上DCS系统曲线信号传输路径，对设备管理人员、中控操作人员在生产过程中遇到某类故障停机，应用中控模拟量趋势图分析，及时诊断故障、及时恢复生产、防止设备事故发生具有重要意义。

2 应用DCS系统曲线进行设备故障诊断的案例分析

2.1 成品斗提机堵料故障

公司二期180万吨矿粉项目投产以来，曾出现因成品斗提机堵料，导致成品斗提电机、耦合器烧坏的情形。成品斗提电机功率55kw，额定电流105A，通过软启动器启动，启动后自动切换旁路，电机运行，旁路未设热继电器，其过流保护功能由软启动器给定。如图所示为成品斗提电机电流的模拟趋势图：

A段为中控人员启动电机时刻，启动瞬间电流很大。B段为启动后电气线路切换旁路时刻，电机电流逐渐减小。C段为电机正常带负载（矿粉）运行时刻，电机电流正常平稳波动。

当成品斗提机意外堵料时，电机电流会再次升高至额定电流以上，如D段所示。在电机未保护性停机的情况下，当成品斗提堵料加剧，电机负载增大的同时转速会逐渐降低；此时与电机相联接的耦合器在低转速下油温会逐渐升高，导致耦合器易熔塞冲开，此时电机将彻底摆脱负载空载运行，电流会再次陡然降低至空载电流，如E段。F段为电机空载运行状态。

掌握以上DCS电机电流趋势图，设备人员可在D段及时采取措施，在观察到电机电流异常升高的一段时间内，及时停机，避免因堵料造成耦合器损坏，并保护电机。或当停机发生后，通过以上趋势图及时进行故障诊断，举一反三，明确事故发生原因。

2.2 选粉机电机轴承温度升高故障

在磨机运行时，现场人员会发现主电机定子温度，主排风机轴承温度，选粉机电机轴承温度等升高较明显此类问题，发生时，是及时停机检查轴承，还是继续加油观察温升变化，这需要现场人员对该类故障及时诊断，避免造成更大的设备事故。

在1.2中已经阐述过DCS采集系统曲线的过程及原理，在此不在赘述。此类正属于第二类，即上位机显示的选粉机电机轴承温度来源于机旁二次表输出的

4~20mA信号，而二次表的输入信号来源于轴承处热电阻检测的电阻值。

针对第二类DCS系统曲线采集的信号，在故障发生时，除了要考虑轴承温度升高，尽快采取降温措施的同时，还需考虑机旁二次表接线存在松动，导致信号传输有误的问题。如图所示为选粉机电机轴承温度升高的模拟趋势图：左图中A段为选粉机电机轴承存在问题，轴承温度升高呈线性变化趋势。右图中B段为机旁二次表接线存在松动，造成信号传输有误的情况，此时趋势图呈不规则变化升高，为非线性。因此，当此类温升故障出现时，现场人员可查看温升趋势图，根据线性与非线性，确定是机械故障还是电气信号故障，及时诊断，