無線傳感網(wǎng)絡(luò)泵群動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

吳 明 李 龍（中國石油化工股份有限公司勝利油田石化總廠，山東 東營 257000）

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無線傳感網(wǎng)絡(luò)泵群動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

吳 明 李 龍
（中國石油化工股份有限公司勝利油田石化總廠，山東 東營 257000）

摘 要：針對石油化工企業(yè)轉(zhuǎn)動設(shè)備主要是泵群管理與檢維修所面臨的問題，介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點的全新解決方案：以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機泵設(shè)備智能監(jiān)測為基礎(chǔ)的預(yù)知性維修。即采用“無線智能傳感+遠(yuǎn)程監(jiān)測+專家分析”，三位一體構(gòu)成一個完整的預(yù)知性維修解決方案。該方案在勝利石化總廠的應(yīng)用表明：該系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地采集機泵設(shè)備的振動和溫度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的異常狀況及時報警，提出針對性檢維修建議，達(dá)到了依據(jù)智能檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢修的效果，大大降低了機泵故障率、減少了非計劃停機時間，引領(lǐng)企業(yè)機泵管理進(jìn)入預(yù)知性維修的新階段。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；機泵設(shè)備；智能監(jiān)測；預(yù)知維修

設(shè)備故障診斷技術(shù)上世紀(jì)70年代初形成于英國，由于其在設(shè)備運行中表現(xiàn)出的實用性及為企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益，日益受到企業(yè)設(shè)備主管部門的重視。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，已經(jīng)形成了一門較為完整的新興邊緣綜合工程學(xué)科。

石化企業(yè)屬于設(shè)備資產(chǎn)密集型行業(yè)，對設(shè)備依賴程度高，且石油化工裝置具有自動化水平高、生產(chǎn)連續(xù)性強、高溫、高壓、易燃、易爆、易腐蝕、易中毒等特點，一旦設(shè)備發(fā)生問題，就可能導(dǎo)致泄漏、污染環(huán)境，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)、爆炸、人身傷亡等重大事故。在高溫油泵等關(guān)鍵機泵上安裝無線監(jiān)測傳感器，利用故障診斷技術(shù)，實施智能監(jiān)測診斷系統(tǒng)，即是消除高溫油泵等關(guān)鍵機泵運行安全隱患的有效手段。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的泵群動態(tài)檢測系統(tǒng)優(yōu)勢更加明顯。

無線傳感的主要優(yōu)勢包括3方面：現(xiàn)場布線（包括信號線、電源線、網(wǎng)絡(luò)線）減少60%左右；檢修維護方便，拆卸簡單，不存在信號線切斷的可能；設(shè)備現(xiàn)場更為簡潔。因此，無線方案非常適合應(yīng)用于防爆場所的機泵設(shè)備監(jiān)測。

一、系統(tǒng)簡介

勝利石化總廠屬于國有大型石化企業(yè)，全廠共有轉(zhuǎn)動設(shè)備近千臺，重要機泵200多臺，這些重要機泵一旦出現(xiàn)故障，就可能對裝置正常生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。對高溫油泵等關(guān)鍵機泵實施無線智能監(jiān)測可以有效地實現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)受控，在大大降低人員巡檢力度的情況下，可以保證設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運行。針對勝利石化總廠現(xiàn)狀，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，勝利石化智能監(jiān)測系統(tǒng)采用“無線智能傳感+遠(yuǎn)程監(jiān)測+專家分析”的技術(shù)路線，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由無線智能監(jiān)測器、無線通信站和IMAS智能監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)組成。

圖1　總體結(jié)構(gòu)圖

1.無線智能監(jiān)測器

針對現(xiàn)場測點較為分散、布線復(fù)雜的設(shè)備專門開發(fā)的無線監(jiān)測產(chǎn)品，可實現(xiàn)振動信號和溫度信號的無線采集和傳輸，大大降低了現(xiàn)場設(shè)備安裝難度及施工材料費用，極大地提高了企業(yè)對分散設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況的監(jiān)測水平。

2.無線通信站

3.智能監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)（IMAS）

該系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的計算機分析及專家解決方案，它負(fù)責(zé)及時向企業(yè)設(shè)備管理人員發(fā)出機泵運行狀態(tài)的異常報警，并對機泵故障進(jìn)行早期診斷與趨勢預(yù)測，由具有豐富現(xiàn)場實踐經(jīng)驗的專家團隊提供故障診斷報告和檢維修方案。維修人員根據(jù)方案進(jìn)行針對性維修。

二、在線狀態(tài)監(jiān)測方案的實施

1.測點布置

無線智能監(jiān)測器安裝部位的選擇及采集參數(shù)的設(shè)置對監(jiān)測效果的影響至關(guān)重要。專業(yè)技術(shù)人員對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理應(yīng)有足夠的知識以便確定無線智能監(jiān)測器的布置，檢測器的布置分為兩種：一是水平方向布置3個測點，垂直方向1個測點。二是水平方向布置4個測點，垂直方向1個測點，軸向1個測點。專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備本身的特點選擇布置方式。

2.傳感器的安裝

無線傳感器探頭垂直安裝時靈敏度最高。一般情況下，不論何種形式的探頭，距離振源越近，測得的數(shù)據(jù)越接近真實值。機泵的振源主要來自于軸承的振動，因此探頭安裝時距離軸承越近越好，傳感器一般安裝在機泵的軸承座上。安裝方式一般分為以下兩種。

（1）直接在機泵軸承箱靠近軸承的位置打孔攻絲，將傳感器用螺紋連接方式安裝在監(jiān)測部位。固定牢固，但對原軸承箱造成一定傷害。

隨著通州新城的建設(shè)，城內(nèi)交通流會急劇增加. 截止2015年末，全區(qū)常住人口約133.5萬人，區(qū)內(nèi)工作人口約37.5萬人. 據(jù)統(tǒng)計燕郊地區(qū)日跨區(qū)出行約25萬人次，日均進(jìn)京車輛約2.4萬輛. 通州區(qū)與燕郊地區(qū)間的出行以過境交通為主，其中15.7%為燕郊進(jìn)入通州內(nèi)出行，84.3%為通過通州區(qū)進(jìn)入中心城區(qū)的過境出行，且通勤交通潮汐性明顯如圖2所示.

（2）傳感器先安裝在專門制作的支架或者底板上，然后將底板點焊或膠粘在監(jiān)測部位。不損傷軸承箱，但支架增加了空間。

3.泵群無線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運行機制

（1）總廠機修車間有專人24h觀察在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時反應(yīng)給設(shè)備承包班組及生產(chǎn)車間。

（2）當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到3級或4級報警的異常狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)接警人員要在5min之內(nèi)做出反應(yīng)，安排機修值班人員或車間操作工10min內(nèi)到達(dá)設(shè)備運行現(xiàn)場查看設(shè)備運轉(zhuǎn)的實際情況。若報警一直消除不了，總廠機動部門組織技術(shù)力量迅速確定故障原因并制定和下達(dá)設(shè)備檢修計劃。

（3）車間設(shè)備主任及技術(shù)人員工作日期間每天兩次對其監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)有異常及時分析做好相關(guān)記錄。

（4）設(shè)備管理部門狀態(tài)監(jiān)測管理人員至少每工作日查看一次系統(tǒng)運行情況和各關(guān)鍵機泵的運行狀態(tài)，每周對服務(wù)器軟硬件運行情況進(jìn)行一次檢查，每月對各工作站軟硬件運行情況進(jìn)行一次檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。具體職責(zé)網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　管理人員職責(zé)網(wǎng)格

三、案例分析

1.設(shè)備簡介

工廠常減壓車間減底泵為高溫泵，溫度370℃，介質(zhì)一旦與空氣接觸就著火。使用軸承為滾動軸承，泵軸承為甩油環(huán)油池潤滑，電機軸承為油脂潤滑。

電機轉(zhuǎn)頻是50Hz，風(fēng)冷，泵軸承型號7314和NU2314，電機軸承前軸承座型號NU217和6217，后軸承座NU217。電機軸承特征參數(shù)如表1所示。

表1

2.電機軸承故障過程分析

2014年5月該減底泵在切換運行一周之后，振動加速度出現(xiàn)了較快上升，系統(tǒng)隨后發(fā)生三級報警，并且幅值隨操作變化大范圍波動，廠機修車間專業(yè)人員診斷分析認(rèn)為，振動原因為電機前NU217軸承內(nèi)圈出現(xiàn)局部脫落，而且脫落缺陷的周邊因滾珠磨損快速發(fā)展，同時結(jié)合人工聽診棒判斷如果不進(jìn)行及時維修，最終可能會導(dǎo)致軸承溫度上升燒損，因此決定停泵檢修更換軸承，檢修后幅值大幅度下降。電機軸承拆解后發(fā)現(xiàn)軸承NU217內(nèi)圈二處剝落，呈現(xiàn)對稱分布，如圖3所示。

圖3　軸承內(nèi)圈剝落實物圖

3.數(shù)據(jù)分析

2H方向測點檢修前后的監(jiān)測系統(tǒng)加速度趨勢圖顯示：設(shè)備2H測點2014年5月中旬投入運行后，電機軸承振動輕微，為35m/s2，6月2日接近三級報警值，達(dá)63m/s2。電機于6月3日停機檢修，并于6月9日檢修后重新投用后幅值降為正常的13m/s2。

該振動加速度頻譜分析顯示，特征頻率約488Hz，與NU217的內(nèi)圈（滾珠個數(shù)因素）特征頻率基本吻合，但是其倍頻在4000～4500Hz中間轉(zhuǎn)頻邊帶較高，且存在不對稱現(xiàn)象，符合內(nèi)圈剝落故障特征（圖4）。

圖4　加速度頻譜分析

多頻譜分析（圖5）顯示了故障經(jīng)歷過程。振動頻譜峰值在488Hz左右，其倍頻頻率也有中心表現(xiàn)，并且?guī)в羞厧мD(zhuǎn)動頻率。在3000Hz左右有顯著的保持架邊帶頻率存在，顯示了軸承運行中存在逆行阻力。在以后的幾天里高頻成份慢慢增長，6月中低頻振動開始增長，6月2日，內(nèi)圈帶有轉(zhuǎn)速頻率邊帶和保持架邊帶的信號振動強度占據(jù)了主要地位。

圖5　多頻譜圖特征

綜上所述，2H方向測點的上升趨勢最為顯著，頻率振動特點較為明顯，同時其他測點的上升從前至后依次減小，可以斷定該測點存在軸承內(nèi)圈局部剝落缺陷，其后，電機軸承的現(xiàn)場拆解驗證了該判斷。

四、結(jié)語

通過該泵群動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，工廠2014年機泵檢修與2013年相比，明顯改善。其中主要小修數(shù)量520項（增加了120項），但大修數(shù)量減小到2014年的142臺（2013 年210臺）。工休日、節(jié)假日及夜間突發(fā)故障比往年大大降低。隨大修工作量的減少，配件消耗明顯降低，2014年機封消耗145套（減少54套）。軸承消耗223套（減少91套）。隨著消耗數(shù)量的下降，機封和軸承壽命明顯增長，機封軸承壽命分別增加到13500h和16300h（2013年為10500h和13600h）。通過泵群動態(tài)監(jiān)測來指導(dǎo)機泵預(yù)知性維修效果明顯。

泵群無線智能監(jiān)測系統(tǒng)可以及時準(zhǔn)確的采集到機泵設(shè)備的振動和溫度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)異常狀況給出報警提示和檢修建議，達(dá)到了依據(jù)狀態(tài)進(jìn)行檢修的效果。不僅降低了機泵故障率和減少了非計劃停機時間，同時大大提高了預(yù)知性維修的水平。

參考文獻(xiàn)：

［1］韓捷，張瑞林等.旋轉(zhuǎn)機械故障機理及診斷技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［2］屈梁生，何正嘉.機械故障診斷學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

［3］韓捷.大型旋轉(zhuǎn)機械信號分析系統(tǒng)SADPS［J］.鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報：1996（17）

［4］馮秀芳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究及在機械故障診斷中的應(yīng)用［D］.太原理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

［5］張雨，徐小林，張建華.設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷的理論和實踐［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2000.

中圖分類號：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）03-0053-03

收稿日期：（2016-02-12）