無線傳感網絡泵群動態監測系統的應用

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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無線傳感網絡泵群動態監測系統的應用

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：針對石油化工企業轉動設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絡優點的全新解決方案：以無線傳感網絡的機泵設備智能監測為基礎的預知性維修。即采用“無線智能傳感+遠程監測+專家分析”，三位一體構成一個完整的預知性維修解決方案。該方案在勝利石化總廠的應用表明：該系統能夠及時、準確地采集機泵設備的振動和溫度數據，并且根據數據的異常狀況及時報警，提出針對性檢維修建議，達到了依據智能檢測數據進行檢修的效果，大大降低了機泵故障率、減少了非計劃停機時間，引領企業機泵管理進入預知性維修的新階段。

關鍵詞：無線傳感網絡；機泵設備；智能監測；預知維修

設備故障診斷技術上世紀70年代初形成于英國，由于其在設備運行中表現出的實用性及為企業帶來的經濟效益，日益受到企業設備主管部門的重視。隨著計算機技術的迅速發展和普及，已經形成了一門較為完整的新興邊緣綜合工程學科。

石化企業屬于設備資產密集型行業，對設備依賴程度高，且石油化工裝置具有自動化水平高、生產連續性強、高溫、高壓、易燃、易爆、易腐蝕、易中毒等特點，一旦設備發生問題，就可能導致泄漏、污染環境，甚至會發生火災、爆炸、人身傷亡等重大事故。在高溫油泵等關鍵機泵上安裝無線監測傳感器，利用故障診斷技術，實施智能監測診斷系統，即是消除高溫油泵等關鍵機泵運行安全隱患的有效手段。而無線傳感網絡的泵群動態檢測系統優勢更加明顯。

無線傳感的主要優勢包括3方面：現場布線（包括信號線、電源線、網絡線）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；設備現場更為簡潔。因此，無線方案非常適合應用于防爆場所的機泵設備監測。

一、系統簡介

勝利石化總廠屬于國有大型石化企業，全廠共有轉動設備近千臺，重要機泵200多臺，這些重要機泵一旦出現故障，就可能對裝置正常生產產生較大影響。對高溫油泵等關鍵機泵實施無線智能監測可以有效地實現設備的運行狀態受控，在大大降低人員巡檢力度的情況下，可以保證設備的可靠和穩定運行。針對勝利石化總廠現狀，結合無線傳感器網絡的優點，勝利石化智能監測系統采用“無線智能傳感+遠程監測+專家分析”的技術路線，總體結構圖如圖1所示，由無線智能監測器、無線通信站和IMAS智能監測分析診斷系統組成。

圖1　總體結構圖

1.無線智能監測器

針對現場測點較為分散、布線復雜的設備專門開發的無線監測產品，可實現振動信號和溫度信號的無線采集和傳輸，大大降低了現場設備安裝難度及施工材料費用，極大地提高了企業對分散設備運轉狀況的監測水平。

2.無線通信站

3.智能監測分析診斷系統（IMAS）

該系統提供網絡化設備狀態監測的計算機分析及專家解決方案，它負責及時向企業設備管理人員發出機泵運行狀態的異常報警，并對機泵故障進行早期診斷與趨勢預測，由具有豐富現場實踐經驗的專家團隊提供故障診斷報告和檢維修方案。維修人員根據方案進行針對性維修。

二、在線狀態監測方案的實施

1.測點布置

無線智能監測器安裝部位的選擇及采集參數的設置對監測效果的影響至關重要。專業技術人員對設備的結構和原理應有足夠的知識以便確定無線智能監測器的布置，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。專業技術人員應根據具體設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，測得的數據越接近真實值。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，城內交通流會急劇增加. 截止2015年末，全區常住人口約133.5萬人，區內工作人口約37.5萬人. 據統計燕郊地區日跨區出行約25萬人次，日均進京車輛約2.4萬輛. 通州區與燕郊地區間的出行以過境交通為主，其中15.7%為燕郊進入通州內出行，84.3%為通過通州區進入中心城區的過境出行，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測部位。不損傷軸承箱，但支架增加了空間。

3.泵群無線動態監測系統的運行機制

（1）總廠機修車間有專人24h觀察在線監測系統數據變化情況，一旦發現數據異常，及時反應給設備承包班組及生產車間。

（2）當數據達到3級或4級報警的異常狀態時，網絡接警人員要在5min之內做出反應，安排機修值班人員或車間操作工10min內到達設備運行現場查看設備運轉的實際情況。若報警一直消除不了，總廠機動部門組織技術力量迅速確定故障原因并制定和下達設備檢修計劃。

（3）車間設備主任及技術人員工作日期間每天兩次對其監測系統進行監測。數據有異常及時分析做好相關記錄。

（4）設備管理部門狀態監測管理人員至少每工作日查看一次系統運行情況和各關鍵機泵的運行狀態，每周對服務器軟硬件運行情況進行一次檢查，每月對各工作站軟硬件運行情況進行一次檢查，發現問題及時處理。具體職責網格如圖2所示。

圖2　管理人員職責網格

三、案例分析

1.設備簡介

工廠常減壓車間減底泵為高溫泵，溫度370℃，介質一旦與空氣接觸就著火。使用軸承為滾動軸承，泵軸承為甩油環油池潤滑，電機軸承為油脂潤滑。

電機轉頻是50Hz，風冷，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，振動加速度出現了較快上升，系統隨后發生三級報警，并且幅值隨操作變化大范圍波動，廠機修車間專業人員診斷分析認為，振動原因為電機前NU217軸承內圈出現局部脫落，而且脫落缺陷的周邊因滾珠磨損快速發展，同時結合人工聽診棒判斷如果不進行及時維修，最終可能會導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。電機軸承拆解后發現軸承NU217內圈二處剝落，呈現對稱分布，如圖3所示。

圖3　軸承內圈剝落實物圖

3.數據分析

2H方向測點檢修前后的監測系統加速度趨勢圖顯示：設備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的內圈（滾珠個數因素）特征頻率基本吻合，但是其倍頻在4000～4500Hz中間轉頻邊帶較高，且存在不對稱現象，符合內圈剝落故障特征（圖4）。

圖4　加速度頻譜分析

多頻譜分析（圖5）顯示了故障經歷過程。振動頻譜峰值在488Hz左右，其倍頻頻率也有中心表現，并且帶有邊帶轉動頻率。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，內圈帶有轉速頻率邊帶和保持架邊帶的信號振動強度占據了主要地位。

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圈局部剝落缺陷，其后，電機軸承的現場拆解驗證了該判斷。

四、結語

通過該泵群動態監測系統，工廠2014年機泵檢修與2013年相比，明顯改善。其中主要小修數量520項（增加了120項），但大修數量減小到2014年的142臺（2013 年210臺）。工休日、節假日及夜間突發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）。通過泵群動態監測來指導機泵預知性維修效果明顯。

泵群無線智能監測系統可以及時準確的采集到機泵設備的振動和溫度數據，并且根據異常狀況給出報警提示和檢修建議，達到了依據狀態進行檢修的效果。不僅降低了機泵故障率和減少了非計劃停機時間，同時大大提高了預知性維修的水平。

參考文獻：

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

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

［3］韓捷.大型旋轉機械信號分析系統SADPS［J］.鄭州工業大學學報：1996（17）

［4］馮秀芳.無線傳感器網絡數據融合技術的研究及在機械故障診斷中的應用［D］.太原理工大學博士學位論文，2009.

［5］張雨，徐小林，張建華.設備狀態檢測與故障診斷的理論和實踐［M］.長沙：國防科技大學出版社，2000.

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）03-0053-03

收稿日期：（2016-02-12）