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文档简介
T/CISAXXXXX—XXXX
钢铁行业机械传动设备预测性维护技术要求
1范围
本文件规定了钢铁行业机械传动设备预测性维护系统架构、数据采集层、网络传输层、平台层与应
用层技术要求。
本文件适用于钢铁行业机械传动设备预测性维护系统的设计、开发与实施指导等。
2规范性引用文件
下列文件对本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本文件。
GB/T11348.2-2012机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分:功率大于50MW,额定
工作转速1500r/m、1800r/m、3000r/m、3600r/m陆地安装汽轮机与发电机
GB/T19873.1-2005机器状态监测与诊断振动状态监测第1部分:总则
GB/T22239-2019信息安全技术—网络安全等级保护基本要求
GB/T40571-2021智能服务预测性维护通用要求
GJB600A-2001螺纹连接圆形电连接器总规范
T/CISA197-2022钢铁行业数字化工厂网络安全要求
T/CISA237-2022钢铁企业在线油液监测技术导则
T/CISAXXX-2023《钢铁行业设备状态监测与故障预警系统技术要求》
3术语和定义
GB/T40571-2021界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
机械传动设备mechanicaltransmissionequipment
用于传递动力和运动的机械装置。主要考虑减速器传动、齿轮传动、皮带传动、联轴器传动、链条
传动等机械传动设备。
3.2
预测性维护predictivemaintenance
根据观测到的状况而决定的连续或者简短进行的维护,以监测、诊断或预测构筑物、系统或部件的
条件指标。
[来源:GB/T40571-2021,3.5]
3.3
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采集模块acquisitionmodule
用于工业现场采集和传输数据的设备或组件,主要由传感器、数据处理和存储单元、数据传输和通
信单元组成。通过传感器与设备本体连接,采集设备运行状态数据,然后对采集数据进行处理和分析,
并可通过串行接口或网络接口将采集数据传输至目标设备或平台端,为应用系统提供及时和准确的设备
状态数据。
4缩略语
下列缩略语适用于本文件。
ModBus:串行通信协议(ModiconBusProtocol)
MQTT:消息队列遥测传输协议(MessageQueuingTelemetryTransport)
OPCUA:开放平台通信统一体系架构(OLEforProcessControl-UnifiedArchitecture)
RS485/232:串口通信标准(RecommendedStandard485/232)
RTU:远程终端设备(RemoteTerminalUnit)
TCP:传输控制协议(TransmissionControlProtocol)
5系统架构
机械传动设备预测性维护系统架构由数据采集层、网络传输层、平台层、应用层构成,如图1所示,
各层总体要求如下:
a)数据采集层的数据来源应包含所有传感器检测的机械传动设备状态数据,以及原有工序的自动
化系统、设备管理系统相关的运行数据;机械传动设备状态数据应结合传动设备类型、设备结构、运行
工况和监测需求等,配置振动、温度、冲击、应力波、电涡流、油液、电流、转速等传感器和采集模块
进行采集;机械传动设备预测性维护系统从原有工序的自动化系统、设备管理系统等应用系统获取设备
状态数据、工艺过程数据、设备运维数据;原有应用系统不在本标准描述范围内;
b)网络传输层应提供灵活部署且便于维护的网络,支持传感采集数据传输至数据平台,可采用5G
或有线等连接方式;
c)数据平台层应针对状态数据进行信号预处理、特征提取、数据存储,同时建立通用算法库以及
设备模型库等;
d)数据应用层应完成机械传动设备的状态监测、健康评估、寿命预测及维护管理等,输出设备诊
断或报警数据等供展示大屏呈现。必要时,应生成并下发传感器控制策略,该控制策略仅配置传感器运
行参数,不涉及传动设备控制。
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图1.机械传动设备预测性维护系统架构
6数据采集层技术要求
6.1数据采集方案
6.1.1恒速恒载设备
针对风机、水泵、皮带机等结构简单、工况相对稳定的恒速恒载设备,数据采集应符合如下要求:
a)宜采用无线监测方案;
b)应重点监测设备的振动加速度、振动速度、声音和温度;可根据现场应用需要,增加电压、电
流、转速、流量、压力等工况数据以提高状态监测的全面性与准确性;
c)恒速恒载设备的状态数据获取周期可比其它类型设备适当延长,以节约系统资源。
6.1.2变速变载设备
针对喷煤磨机、烧结单辊破碎机、烧结混合机、轧机等受工况中低频振动干扰影响较大变速变载设
备,数据采集应符合如下要求:
a)宜采用有线监测方案;
b)应重点监测设备的振动加速度、振动速度、声音和温度;宜采用应力波传感器监测设备传动部
件的摩擦特征,同时过滤工况中的低频振动干扰;具备条件的,可增加电压、电流、转速、扭矩、流量、
压力、工艺参数等工况数据采集,以提高数据采集的全面性和多维性;
c)针对机械传动设备的润滑系统,宜采用油品在线监测技术,检测颗粒度、水分、粘度、介电常
数等物理量,辅助监测传动部位的润滑状态。
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6.1.3低速重载设备
针对烧结机、高炉气密箱、转炉倾动、大包回转台等低速重载或非整周期运转设备,数据采集应符
合如下要求:
a)宜采用有线监测方案;
b)宜采用应力波或冲击传感器监测设备的摩擦、冲击特征,可采用对于摩擦、冲击事件较为敏感
的应力波或加速度传感器,相关技术要求应符合T/CISAXXX-2023《钢铁行业设备状态监测与故障预
警系统技术要求》。
6.1.4高速重载设备
针对汽轮发电机、高炉煤气余压透平发电机、高炉鼓风和高炉煤气能量回收机组、离心压缩机等大
型高速重载设备,数据采集应符合如下要求:
a)宜采用有线监测方案;
b)宜采用电涡流位移传感器采集监测轴振,可采用压电加速度传感器监测瓦振或壳振,应满足
GB/T11348.2和GB/T19873.1相关要求。
6.2传感器选型
6.2.1传感器选型应根据设备结构类型、转速范围、监测故障类型等因素,合理选择传感器类型与性能
参数,同时应充分考虑机械传动设备的应用工况,选择传感器的工作温湿度、防护等级、冲击极限、安
装尺寸等参数。传感变量包括但不限于振动、温度、冲击、应力波、电涡流、油液、电流、转速等。
6.2.2传感器选型应符合T/CISAXXX-2023《钢铁行业设备状态监测与故障预警系统技术要求》相关
规定,宜满足如下技术要求:
a)振动传感器:宜采用加速度振动传感器,传感器量程应不低于50g,传感器频响范围(±3dB)
高频处应不低于10000Hz;传感器连接器类型宜符合GJB600A-2001相关标准要求,满足互换性要求;
b)温度传感器:应根据实际应用需求考虑温度变化范围、精度要求、重复度等进行选择;
c)冲击传感器:冲击极限宜不低于5000g,采集频段宜在30000-40000Hz之间;
d)应力波传感器:冲击极限宜不低于5000g,采集频段宜在36000-40000Hz之间,信号强度在0~
65db之间可动态调整;
e)电涡流传感器:应根据实际应用需求考虑被测量位置的大小、位移变化范围、以及被测物体材
质等进行选择;
f)油品监测传感器:宜支持油液压力、密度、温度、粘度、颗粒度、含水量等物理量监测;其中
铁磁性颗粒度监测范围宜不小于50μm,非铁磁磨粒监测范围宜不小于150μm;动力粘度监测范围宜
满足100~1000CP(23℃)范围;水含量监测范围宜满足0~5000ppm,相关技术选型宜参考T/CISA
237-2022。
6.2.3传感器选型采用无线方式与采集模块通信的,宜支持Zigbee等通信协议。采用有线方式通信的,
应支持RS232、RS485或者IO-Link协议等。
6.3采集模块选型
根据不同机械传动设备预测性维护需要,采集模块选型与数据采集应考虑以下因素:
a)采集模块宜具备定时采集、实时连续采集、工况触发采集、以及异常加密采集等功能。定时采
集的时间间隔可设置,至少满足4小时一次;工况触发与异常加密采集,触发阈值应可设置;
b)采集模块宜支持模块化采集功能,按需配置各种传感信号接入;
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c)采集数据长度宜反映设备完整的状态信息,如加速度振动数据应采集测量点所在转轴的6~10
个全转速周期;
d)采样频率应尽可能覆盖设备故障特征所在频段,最大采集频率应不低于25600Hz;
e)采集模块采集有线传感器数据时宜支持12通道以上同步采集,采集无线传感器数据时宜匹配多
种传感器通信协议,宜保证采集延迟小于10ms,以满足同一设备各位置测量点数据横向对比要求;
f)数据采集模块宜支持将采集的各类传感数据转换为MQTT报文,通过有线方式上报,如RS232、
RS485等;
g)数据采集模块应具备离线存储功能,断网情况下宜支持一周以上的离线数据存储,网络恢复后
宜支持断点续传;
h)数据采集模块应具备良好的环境适应性,能满足各种工况极限条件下安全、可靠、稳定的长时
间运行。
6.4采集测量点布置原则
6.4.1传感器测量点布置,应满足信号获取的准确性、完整性、经济性原则。
6.4.2振动、冲击、应力波传感器应满足如下布置要求:
a)测量点位置宜选择振动传递路径最近且刚度最强的位置,采用非侵入式安装,一般为轴承座位
置或附近;同时应兼顾安装和后期运维的便捷性;
b)轴承座位置宜安装一个传感器,同时监测水平(H)、垂直(V)、轴向(A)三个方向的测量值;
c)充分考虑经济性原则,轴承座位置可仅监测一个方向;相邻测量点距离≤300mm时,可合并为一
个测量点。
6.5工艺量接入
原有应用系统与设备本体相关联的工艺量如转速、温度、功率、咬钢等应能接入机械传动设备预测
性维护系统;
工艺量的接入方式宜从基础自动化系统接入,也可以从过程控制系统或生产管理系统接入。
7网络传输层技术要求
7.1接入网关
7.1.1接入网关应支持工业级可靠性,满足设备工作环境所要求的防尘防爆耐高温等环境要求。
7.1.2接入网关应支持多种接口方式连接采集模块和基础自动化系统,宜支持无线(5G、Wi-Fi等)和
有线(RS232、RS485等)两种方式。
7.1.3接入网关应支持MQTT、OPCUA或ModBus等接入协议中的一种或多种,宜支持常见工业协议解析和
转换。
7.1.4接入网关宜集成5G模组,满足传输带宽高、信号稳定抗干扰强、免布线、易维护等要求,适用于
设备旋转、分散部署等场景;也可根据实际应用场景与网络基础选用其他通讯方式。
7.1.5接入网关宜支持对采集模块与传感器的访问、配置、重启、空中升级等。
7.1.6接入网关宜支持轻量级应用部署运行等,实现设备端紧急异常事件的快速响应闭环。
7.1.7接入网关应配置网关管理工具,支持配置管理、网关状态监测和远程升级技术等功能。
7.2无线网络
7.2.1无线网络应考虑钢厂钢结构与电磁干扰影响,按规划覆盖被监测设备工作区域及其他指定区域,
宜采用5G等新型通信技术。
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7.2.2无线网络应支持灵活组网与数据转发路由,可按业务设计完成采集数据转发到数据平台或企业边
缘计算平台,或外部行业云平台,并支持采集控制策略下发。
7.2.3无线网络应提供与有线网络基本等同的网络质量,上下行带宽大于100Mbps,通信端到端时延小
于100ms,通信传输可靠性大于99.9%。
7.2.4无线网络应部署边界防护能力、配置访问控制规则,默认情况下采用白名单机制通信,符合
T/CISA197-2022相关规定,满足GB/T22239-2019二级或以上等级保护要求。
7.3有线网络
7.3.1在5G等无线网络覆盖范围外,或信号较弱的地坑、泵房等场所,可采用同轴电缆、双绞线和光纤
等有线通讯网络进行数据传输。
7.3.2有线网络应部署边界防护能力、配置访问控制规则,默认情况下采用白名单机制通信,符合
T/CISA197-2022相关规定,满足GB/T22239-2019二级或以上等级保护要求。
8平台层技术要求
8.1一般要求
8.1.1平台层架构
平台层架构应具备可伸缩能力,在不做系统架构调整、不影响系统可用性的情况下,通过增加或减
少相关软硬件、组件的方式,适应业务容量、性能的变化,应符合下列要求:
a)平台层架构应支持从多种部署模式,如物理单机部署、物理集群部署、本地虚拟化部署、公有
云以及私有云部署等;
b)平台应满足业务弹性伸缩要求,根据需要增加或缩减相应的服务组件包括但不限于业务中台、
数据库服务组件、系统中间件、用户访问组件、应用系统组件等;
c)平台应具备高可用和负载均衡能力。
8.1.2多源异构数据接入
平台应兼容OT/IT数采的统一框架,支持工业MQTT、ModBus-RTU/TCP、OPCUA等标准协议,支持第
三方协议动态扩展,支持各类工业IT系统的采集对接,如自动化系统、设备管理系统等。
平台应支持多源异构的数据采集、数据清洗、数据分析、开放接口等能力。
平台应支持关系型、非关系型数据的存储能力,以满足应用需要。
8.1.3数据可靠性要求
平台应具备可靠的数据采集、传输、存储与开放共享能力。原始数据采集、传输、存储过程宜保证
数据文件在采样时长内的时钟连续性,确保不出现丢包等数据质量问题。数据在共享过程中,宜保证数
据及分析结果与设备、测点位置、时间等对应关系准确。
8.2数据处理要求
8.2.1数据预处理
数据预处理能力包含数据清洗、数据融合、数据变换等,满足如下技术要求:
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a)数据清洗,应支持删除原始数据集中无关数据、重复数据、平滑噪声数据,筛选掉与应用无关
的数据,处理缺失值、异常值等;
b)数据融合,应支持将多个数据源合并存放在一个一致的数据存储中,如数据仓库;
c)数据变换,应支持对采集的信号进行时域、频域、时频域以及各类分解变换,如计算信号频谱、
时频谱以及经验模式分解、变分模式分解、奇异值分解等。
8.2.2特征提取
特征应针对数据特点和分析目标,能够直观有效反应设备异常状态、劣化趋势,便于设备状态预警、
诊断及预测分析,满足如下技术要求:
a)特征提取应计算输出信号的幅值能量、相关性、周期性、冲击性、谐波性等多维度的关键指标
如有效值、峰峰值、峭度指标、频段能量、偏斜度等;
b)特征提取宜结合设备模型与工况,计算输出转频能量、转频倍频幅值比、转频谐波数量与能量、
轴承缺陷特征频率能量及谐波数量、包络谱轴承缺陷特征频率能量及谐波数量、齿轮啮合频率及其边带
能量与数量、原始及滤波或降噪信号的轴承故障特征频率、齿轮啮合频率、转频等的包络自相关系数、
包络谱谐噪比、阶次谱相关系数等。
8.2.3数据存储
数据存储应满足如下技术要求:
a)支持存储原始信号、故障维修记录,数据标签应包含工况标签、正常异常标签、数据对应的特
征工程及必要的频谱分析谱图结果等信息,以方便快速回溯,实现误差溯源或用于大数据模型的训练与
更新;
b)针对边缘服务器或云端服务器数据存储应配置有效数据存储机制,以便兼顾对历史数据应用需
求、数据安全需求、以及存储资源控制;
c)宜采用RAID10冗余磁盘阵列存储;
d)设备状态完整数据应至少存储2年,宜存储5年,超过年限数据可采用稀释策略存储,但对发生
过报警的数据与设备故障时刻的数据不做稀释;
e)时序数据存储能力,宜具备开源时序数据库的2倍以上性能。
8.3智能算法要求
8.3.1算法模型要求
智能算法模型应贯穿于数据预处理、特征提取、设备状态监测、健康评估、以及设备寿命预测各个
环节,宜满足以下技术要求:
a)应支持数据预处理算法,包括工况估计算法、信号质量评估算法、转速估计算法、变转速相位
补偿算法、信号归一化算法、滤波算法等;
b)应支持时域、频域、时频域数据特征提取算法,包括有效值算法、峰峰值算法、峭度算法、歪
度算法等通用特征提取算法和最优频带共振解调、周期冲击识别算法、故障频率及其谐波识别等机理算
法;
c)应支持设备状态监测算法,能够开展设备正常异常状态识别,如基于原始历史数据的二分类算
法,基于专家经验的特征阈值判定算法,基于特征工程的多元统计状态监测算法和基于AI的智能二分类
算法等;
d)应支持故障诊断和健康度评估算法,故障诊断算法可为基于设备故障特征频率及其倍频的诊断
算法、齿轮啮合频率及其边频识别算法、基于乘积谱的谐波或边频识别算法、多维特征分布算法、AI
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智能算法等算法的一种或多种,故障诊断应覆盖常见部件故障类型,如轴承故障、齿轮故障、联轴器故
障、不平衡故障等,故障诊断宜精确到故障部位,如多级变速箱中某一齿轮或轴承故障等;设备健康度
评估算法可为基于特征趋势的评估算法、基于多维特征分布趋势的评估算法、基于专家经验的特征权重
评估算法、基于机理特征的退化阶段识别算法和基于历史数据的智能健康度评估算法等算法的一种或多
种;
e)应支持多种寿命预测模型,包括基于特征趋势的寿命预测模型、基于数据分布变化趋势的寿命
预测模型和基于全寿命数据的AI智能寿命预测模型等。
8.3.2设备专用要求
应根据不同设备类型选择采用合适的智能算法:
a)针对恒速恒载设备,应支持启停机识别算法、自相关分析算法、精确故障特征提取算法和模糊
故障特征提取算法,如轴承缺陷特征、齿轮箱缺陷特征、不平衡不对中等;宜支持随机森林、决策树、
朴素贝叶斯等机器学习算法;
b)针对变速变载设备,除支持恒速恒载设备算法外,宜支持降噪算法、特征增强算法、工况自识
别算法、报警门限自适应算法等;
c)针对低速重载或非整周期运转设备,宜具备脉冲指标算法、降噪算法、特征增强算法等;
d)针对大型高速重载设备,机组自带安保系统相对成熟,预测性维护算法探索较少;宜充分利用
安保系统数据与工艺过程数据结合,探索针对性的机理或数理算法模型。
8.3.3性能要求
应支持智能预警体系,包括特征值预警、趋势预警、报警合并及推送等,多种预警方式可分别开启
和配置;预警的准确率应达到80%以上,宜达到90%以上。
9应用层技术要求
9.1状态监测要求
状态监测模块功能包括:总貌图显示功能、状态报警功能、数据分析功能、闭环管理功能、统计分
析功能、系统自检功能等。
9.1.1总貌图显示功能
应支持工厂级、产线、设备布局总貌图;应支持测点可配置,测点分布,各测点状态数据实时显示
与不同颜色显示;宜支持3D视图显示与配置功能。
9.1.2状态告警功能
告警功能应支持阈值门限告警与适应性智能告警等;宜设置两个类别的告警(即预警、报警),报
警等级宜支持低、中、高三个级别;应支持告警压缩功能,合并同类告警,并具有一定的告警压缩能力;
宜支持连续性告警规则自定义功能(如连续N次超阈值进行告警)。
9.1.3数据分析功能
系统提供的分析工具包包括但不限于:趋势、波形、频谱、包络谱、瀑布图、倒谱分析、阶次分析、
包络趋势分析、频率趋势分析等常规分析工具;长波形分析、波形再处理、多参量综合分析工具等精密
分析工具;轴心轨迹、轴心位置、极坐标、示功图等专项分析工具。
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用于对监测点的时域、频域数据进行显示,至少包含二维曲线图、三维瀑布图等。
9.1.4闭环管理功能
系统除本身报警消息提醒外,应具备报警信息流转机制,支持报警关闭、报警前后异常跟踪变化与
产生报警结论原因分析、并生成及存储报警报告,同时将报警信息传递到对应设备维护人员,维护人员
针对报警进行实地检查,并输出检修结果及对报警情况进行闭环处理等。
9.1.5统计分析功能
用于统计分析与呈现设备状态与运行指标,如异常报警统计、报警状态分布,历史缺陷统计等,支
持以EXCEL/PDF等格式导出,可在总貌图界面显示。
9.1.6系统自检功能
系统应定期监测自身状态,如传感器状态、采集器状态、网络状态、电池电量等,支持系统自身异
常自动报警功能。
9.1.7系统权限管理
系统应根据不同设备等级、故障类型、告警等级等设置用户权限、推送诊断信息,支持用户身份和
权限认证,结合管辖范围和业务范围设置不同的操作和访问管理权限,应支持PC机、移动终端等多种
访问方式。
9.2健康评估要求
健康评估应结合设备的实时运行数据和工况条件进行分析和评估,给出准确的故障信息,包括故障
类型的判断、故障定位等;故障类型和故障定位可以针对不同的设备给出不同的配置。支持人工诊断和
自动诊断。诊断的逻辑和模型可配置,通常可采用基于机理的模型、基于数据驱动的智能模型和基于经
验规则等方法实现,并能提供严重等级的评判,为寿命预测提供决策依据。
9.3寿命预测要求
9.3.1寿命预测应基于健康评估提供的故障类型、故障定位、严重等级、特征变化趋势等信息,对设备
的衰退趋势、残余寿命等进行评估,给出预计可用时间,以及概率或者置信度信息。
9.3.2预测评估的结果应具备一定提前量,应支持给出下一步的维护指导建议。
9.3.3设备寿命预测应考虑运维效果,宜在保持运维效果不发生明显变化的情况下展开,如设备的安装、
紧固、保养周期等保持同程度下进行。
9.3.4寿命预测宜针对设备的不可逆退化过程展开,如齿轮、轴承等部件的磨损、点蚀、裂纹等,为保
证寿命预测的可靠性,须尽量排除非不可逆退化因素的影响,如螺栓松动、润滑不良等因素。
9.3.5寿命预测宜针对设备的螺栓松动、润滑不良等故障,宜通过紧固螺栓、添加润滑油等运维工作及
时进行消除,此种情形不纳入寿命预测考虑的范围。
9.3.6设备寿命预测应考虑工况因素,宜结合不同使用工况对设备剩余可使用寿命进行预估,如在不同
负载或不同转速下对剩余寿命进行系数加权,以提高寿命预估的准确性。
9.4维护管理要求
9.4.1维护管理应结合钢铁行业设备的特点、设备管理维护模式及设备状态监测、健康评估、预测评估
等环节的数据,以及现场检查确认、润滑状态、动态负荷调整、解体检查等实施情况,给出对设备评估
的综合性结论,结论宜包括具有指导性的维修标准、维护方案等。
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9.4.2应能对接设备管理系统,设备管理系统应支持将获取的预警信息转化成维修计划、备件计划的功
能。
9.5其他要求
预测性维护系统的异常结果及处理进度应多端同步,将健康评估、预测评估或决策支持建议、报警
快照信息、维修执行进度进行实时呈现,与钢铁行业设备相关系统按需交互,实现预测性维护的整体闭
环。
10
T/CISAXXXXX—XXXX
参考文献
[1]GB/T2298-2010机械振动、冲击与状态监测词汇
[2]GB/T19873.3-2019机器状态监测与诊断振动状态监测第3部分:振动诊断指南
[3]GB/T20471-2006机器状态监测及诊断基于应用性能参数的一般指南
[4]GB/T20921-2007机器状态监测及诊断词汇
[5]GB/T22393-2015机器状态监测及诊断一般指南
[6]GB/T22394.1-2015机器状态监测与诊断数据判读与诊断技术
[7]GB/T23718.2-2009机器状态监测与诊断人员培训与认证的要求第2部分:振动状态监测与诊
断
_________________________________
11
ICS77-010
CCSH04
CISA
团体标准
T/CISAXXXXX—XXXX
钢铁行业机械传动设备预测性维护
技术要求
Ironandsteelindustry-TechnicalrequirementsforPredictivemaintenanceof
mechanicaltransmissionequipment
(征求意见稿)
XXXX–XX-XX发布XXXX–XX-XX实施
中国钢铁工业协会发布
T/CISAXXXXX—XXXX
钢铁行业机械传动设备预测性维护技术要求
1范围
本文件规定了钢铁行业机械传动设备预测性维护系统架构、数据采集层、网络传输层、平台层与应
用层技术要求。
本文件适用于钢铁行业机械传动设备预测性维护系统的设计、开发与实施指导等。
2规范性引用文件
下列文件对本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。
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GB/T11348.2-2012机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分:功率大于50MW,额定
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3术语和定义
GB/T40571-2021界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
机械传动设备
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