石化裝置大型泵群狀態監測中無線網絡技術的應用

何振岐 焦永峰 遠戰紅 黃佳富

（中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司 廣東惠州）

傳統的在線監測系統需要在施工時大量布線，而且需要有合適的位置安裝數據采集單元（DAQ）及其接線盒，由此產生了大量的線纜采購及施工的成本。應用無線網絡的監測系統無需布線，安裝簡單、施工成本低廉，能及時、可靠地采集到狀態數據，實現對機泵群有效的狀態監測。

一、工業無線網絡技術

工業無線網絡技術是一種面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境中使用，具有很強的抗干擾能力，超低能耗，實時通信。

圖1 無線HART的Mesh網絡拓樸圖

1.Wireless HART通信協議

無線HART是專門為過程測量和控制應用而設計的第一個開放的無線通信標準，作為HART7規范的一部分于2007年9月正式發布。無線HART協議是一種安全的基于TDMA（Time Division Multiple Access時分多址）的無線網格網絡技術，工作于2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine）頻段，采用直接序列擴頻技術（DSSS）和信道跳頻技術。

2.無線HART網絡拓撲結構

如圖1所示，每個WirelessHART網絡包括3個主要部分。

（1）無線現場設備。具有內置Wireless HART的設備，與工廠過程連接。如圖1中所示的無線傳感器。

（2）無線HART網關。使得這些現場設備能夠與連接現有工廠通信網絡的主機應用程序通信。

（3）網絡管理器。負責配置網絡、調度設備之間的通信、管理郵件路徑以及監測網絡的狀態。

同時，網絡中的每臺設備都可以作為其他設備消息的路由器。換句話說，1臺設備不必與網關直接通信，而只需將其消息轉發給下1臺最近的設備。這擴大了網絡的覆蓋范圍，并且提供冗余的通信路徑，以增加可靠性；同時，也可以根據實際情況增加中繼器（Router），以提高Wireless HART網絡的覆蓋范圍。

網絡管理器根據延遲、效率和可靠性來確定冗余路徑。為了確保冗余路徑保持開放和通暢，信息不斷交替使用冗余路徑。因此，像因特網一樣，如果消息無法通過一條路徑到達其目的地，它會自動重新路由到已知良好的冗余路徑，而不會丟失數據。

二、SKF加速度包絡技術

加速度包絡技術亦稱包絡解調技術，是對低頻（通常為1kHz以內））的沖擊所激起的高頻共振波形進行包絡解調和低通濾波即解調，獲得一個相對于原來低頻沖擊的而又被放大并且被擴展了的共振解調波。SKF加速度包絡技術原理（圖2）：當軸承某一元件出現局部損傷時，在受傷運行過程中要撞擊與之相互作用的其他元件表面，產生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含軸承外圈、加速度傳感器甚至附加的電諧振器等的固有頻率，而激起這個測振系統的高頻固有振動。根據礦井機械的實際情況，選擇某一高頻固有振動作為研究對象，通過中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器，把該固有振動分離出來。然后，通過包絡解調，去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡信號，對這一信號進行分析，可診斷出軸承故障。由于這一技術采用了具有高頻響應特性的壓電加速度傳感器，放大（調制）、分離（帶通濾波）了故障特征信號，極大地提高了信噪比，因此能比較準確地診斷出滾動軸承的故障。

三、應用

1．無線狀態監測系統技術方案

圖2 加速度包絡分析原理

中海油惠州煉油運行三部負責的芳烴裝置區共計100多臺機泵，這些機泵日常的設備維護主要是采用運行維保人員持手持式點檢儀定期巡視。但是在人員編制精簡、對設備高運行率要求等諸多現代化設備管理指標下，這些傳統的設備維護方法無法很好地滿足企業的要求。無線狀態監測系統實現了關鍵機泵狀態監測故障診斷的高效、準確，縮短了設備的檢修時間、提高備件計劃命中率、降低設備維修費用和保障設備的安全穩定運行。

該機泵無線狀態監測系統主要由CMWA 8800無線狀態監測單元、無線HART管理器網關、網絡配置管理軟件、SKF@ptitude Analyst分析軟件組成。

系統覆蓋的機泵范圍包括600裝置區的15臺機泵和400裝置區的26臺機泵，共63個無線傳感器，用來采集每個電機及泵的振動速度有效值（RMS），加速度包絡值（gE）和溫度值。

根據上述要求和機泵群現場的實際環境，搭建了無線HART網絡。在400和600區的適當位置安裝中繼器（Router），以提高無線網路的覆蓋范圍和冗余；在電氣房頂安裝無線HART網關，以鏈接現場的無線傳感器和內部局域網。所有的無線傳感器通過自動組網，完成數據的上傳和下載。

2．無線監測系統的功能實現

（1）監測參數的設置與人機界面的實現。根據惠州煉油的運行要求，系統需要每個傳感器采集振動速度值、加速度包絡值、溫度值、電池電量及每個軸承（確定品牌、型號）的缺陷特征值，同時，每個傳感器的特征參數值可以在人機界面實時顯示，并以不同的顏色顯示狀態。

（2）機泵監測分析

該系統于2013年開始運行，從測點無線傳感器電池剩余電量趨勢圖中可以看出，傳感器電量消耗比較平穩，6個月消耗了5%的電量，基本上能夠滿足傳感器電池壽命5年的技術要求。在此期間，對采集的數據進行了初步的頻譜分析，頻譜分析發現P404B泵3H測點的加速度包絡頻譜圖中有SKF 6220軸承（泵內測）的外圈缺陷頻率及其諧波（圖3），P404B泵4H測點的加速度包絡頻譜圖中有SKF軸承7220（泵外側）外圈缺陷頻率及其諧波（圖4）。

四、結論

該無線系統已經穩定運行半年多，實際效果表明，該系統達到了立項技術要求，并且為運行三部的設備管理提供了強大的支持。該系統的主要優點：①實現設備點檢的自動化與實時化，這一點對于經常有惡劣天氣的地區尤為重要；②功能強大。除了能夠實現一般點檢系統采集的振動有效值和溫度值以外，該無線系統還能夠定期采集振動頻譜圖，加速度包絡譜圖以及傳感器的電池耗電等參數；③安裝簡單，系統可靠性高。相對于有線系統來說，無線系統在安裝時不用接線，安裝簡單，占用空間較少，不影響設備的正常運行；同時，整個系統的節點少，因此，整體可靠性較高。

圖3 P404B泵測點3H加速包絡頻譜圖

圖4 P404B泵測點4H加速度包絡頻譜圖

但是，相對于有線系統的多通道實時數據采集的特點，無線系統在應用上也有其局限性：①由于無線傳感器利用電池供電，不可能做到在線系統那樣高速實時采樣，只能采取定期數據采集傳輸的方式；②該無線系統采用IEEE 802.15.4的無線協議，數據傳輸速度（最高可達250kbps）受到了限制，因此對于頻譜的線數和采集頻率有一定的要求。

綜上所述，SKF無線監測系統非常適于石油石化企業大型泵群的在線點檢和狀態監測，在實際生產中起到了非常重要的作用；但由于無線系統自身的特點，此類系統不適合于大型關鍵機組的實時在線監測和保護。