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，恢复生产。
掌握轴承温度升高的非线性变化趋势，进行有效的故障诊断的前提是了解DCS采集信号的原理。如表1，查看Pt100热电阻分度表可以看出，当三线制接线采集到的电阻值为100Ω时，对应的温度值为0℃；当采集到的电阻值为157.33Ω时，对应的温度值为150℃。由于二次表输入端为三线制电阻信号，当接线松动时，二次表采集到电阻值会发生变化，对应的温度值将会发生相应变化。对应接触不良的不可预测性，此类故障温升趋势呈非线性。
2.3 皮带线异常停机故障
上料皮带系统是保证磨机能否持续运行的关键设备，二期项目在调试初期，经常遇到1#皮带异常停机的情况，在皮带停机时，皮带线上不带料，现场无闲杂人员触碰拉绳开关。1#皮带的异常停机，给持续生产带来了诸多不便。
按照常规故障诊断方法，一是应该检查电机本体是否存在问题，二是要检查电气线路、元件是否存在问题。但这需要耗费一定的人力、物力及时间，且并不能保证在一定时间内对该类故障进行准确排除。但结合电机电流的中控趋势图，现场人员便可有目的性的对故障进行诊断。如图为1#皮带机异常停机电流的模拟趋势图：
电机从运行到异常停机都几乎处于空载运行状态。图中A段标示电机电流在正常范围内波动，B段电机电流明显升高，处异常状态。根据电机本身特性，电流、功率随负载变化而变化，电机不超载其转速不变，转速与磁极对数有关。
其关系：n＝60f/P，（n＝转速/分，f＝电源频率，P＝磁极对数）
电机稳定运行时，电压降低，电动机转速也降低，定子绕组电流会增大，输出功率变小。
通过分析趋势图，并结合对现场设备的检查结果（电机及电气元件正常），可诊断出是由于电机电压减少，导致电流持续升高，出现上图中B段趋势。而电网电压经测量~380v，较稳定，因此可诊断在电气线路上存在较大压降。经排查，1#皮带电机动力线与接触器接触点存在严重松动现象，导致此处接触电阻增大，压降升高，造成电机电流持续升高。从而触发热继电器动作，电机异常停机。
3 结束语
中控趋势图具有对粉磨系统中各控制变量系统曲线及参数的实时显示功能；对各运转设备通过测点监控可以了解整个生产线设备运行状况；设备管理人员或中控人员通过查看参数变化系统曲线可以进行设备故障诊断，有效排除故障，并且通过查看历史趋势图也能为维持工艺生产提供重要参考价值。
在利用中控趋势图等系统曲线变化进行诊断故障的同时，要熟悉掌握以下几点：
1）设备本身的特性。如成品斗提机驱动装置是由三相异步电机、耦合器组成，要了解耦合器的原理及作用、工作过程，易熔塞的作用等，只有了解设备本身的特性，才能在分析其电流趋势时，通过电流的不断变化，比较全面的掌握设备所处的状态，在生产及操作中，及时进行故障诊断。
2）DCS信号采集的原理。掌握信号的传输路径及过程，有助于在模拟信号出现异常时，根据其趋势图上的模拟信号的变化趋势，判断为线性或非线性，及时准确的诊断为机械故障还是电气信号故障，若为机械故障，应及时停机检查，若为电气信号故障，可根据信号传输的路径，锁定问题点。
3）一定的电气专业知识。如三相异步电动机在一定负载转矩下运行若电源电压降低，如果保持转矩不变，那么转速下降，功率下降，电流基本不变，如果保持功率，那么转速下降，转矩增大，电流增大。在了解电机电流、负载、转速、电压等因果关系的前提下，在实际生产过程中，在发现电机电流等参数趋势图出现异常时，及时停机，避免发生较大的设备事故。
在武新公司，中控人员和生产设备管理人员已不单纯依靠各经验和体力，而更多的通过自动仪表和装置对整个生产过程进行全面的监视。控制和管理特别是计算机控制技术的推广应用，对增加产量提高质量，设备故障诊断，提高工作效率，降低消耗，增加经济效益，提高生产过程的控制水平和企业现代化管理水平发挥了重要作用。
论文作者:张帆
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/18
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