基于數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)研究

王廣平(中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

1 前言

煤化工項目具有設(shè)備大型化，連續(xù)生產(chǎn)工藝復(fù)雜性，易出現(xiàn)局部故障影響全局，故障發(fā)生時損失巨大等問題，企業(yè)生產(chǎn)過程對設(shè)備的依賴程度越來越高，設(shè)備高效、安全、穩(wěn)定、長周期運行至關(guān)重要，特別是關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)檢測與故障診斷對于提高企業(yè)生產(chǎn)能力和保證安全生產(chǎn)，改進產(chǎn)品質(zhì)量都具有十分重要的意義。近年來，信息化新興技術(shù)的快速發(fā)展為設(shè)備管理提供了新的技術(shù)支撐，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動計算等新型技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，“中國制造2025”從提出到實踐，為煤化工行業(yè)兩化融合進程提供前所未有的新機遇，如何進一步開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)應(yīng)用具有深入研究的價值。

2 傳統(tǒng)企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的難點

一是原有大型機組只能在企業(yè)中控室、外操間查看關(guān)鍵設(shè)備運行情況，機組狀態(tài)只能依靠操作人員進行監(jiān)控，設(shè)備專業(yè)技術(shù)人員在辦公室缺乏有效的監(jiān)測分析手段，且故障分析診斷受專業(yè)技術(shù)能力的限制存在不足；二是原機泵設(shè)備的振動、溫度監(jiān)測均由人工巡檢監(jiān)測，監(jiān)測時段受限，間隔過長，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大，不利于機泵故障前期特征值及時發(fā)現(xiàn)，易出現(xiàn)運行事故；三是原重點閥門、管線等設(shè)備的泄漏、溫度異常往往也通過人工巡檢方式來排查，僅部分通過DCS、GDS 系統(tǒng)監(jiān)測報警來實現(xiàn)，存在滯后性，往往泄漏發(fā)生后才能報警，不能實現(xiàn)預(yù)防性質(zhì)的監(jiān)測。

上述問題的存在往往帶來非計劃停車或設(shè)備故障，設(shè)備故障基本采取事后維修，大都依靠員工經(jīng)驗來判斷故障，缺少有力的數(shù)據(jù)化支撐，可能會造成檢修不徹底，運行持續(xù)性偏低，維修成本隱性增高等問題。

3 研究的主要內(nèi)容

3.1 大機組

(1)研究大機組在線實時的監(jiān)測手段和計算機分析診斷技術(shù)，及時、準確的掌握大機組運行狀態(tài)，結(jié)合大機組的歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場狀況等條件下對機組運行狀態(tài)做出評估，判斷機組屬于正常還是異常，對異常狀態(tài)及時做出報警，并為進一步故障分析、性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。

(2)研究通過遠傳的方式進行診斷分析，機組診斷專家結(jié)合設(shè)備機構(gòu)特性和參數(shù)、環(huán)境條件及其運行歷史(包括運行記錄，故障及維修記錄等)，對機組有可能要發(fā)生的故障進行預(yù)報和分析，或?qū)C組已經(jīng)發(fā)生的故障進行分析、判斷，確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位等，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及其后果。

3.2 重點機泵

（1)研究機泵狀態(tài)監(jiān)測，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合，通過移動客戶端APP 應(yīng)用，隨時查看機泵運行狀態(tài)，當(dāng)機泵出現(xiàn)異常時，將會第一時間收到報警通知。

（2)研究窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技術(shù)在機泵監(jiān)測的應(yīng)用，研究其低功率、低功耗、覆蓋廣、部署方便等方面的實際價值和應(yīng)用效果。

3.3 高溫高壓設(shè)備、管道

（1)研究紅外熱成像技術(shù)在高溫高壓設(shè)備、管道等場景應(yīng)用，研究傳統(tǒng)工業(yè)電視監(jiān)控在監(jiān)測報警、預(yù)警方面的應(yīng)用。

（2)研究定點在線測厚技術(shù)在高溫、高壓、危險區(qū)域管道壁厚腐蝕測量應(yīng)用。

（3)研究振動光纖震動監(jiān)測在設(shè)備運行、管道監(jiān)測等方面的應(yīng)用。

4 研究目標(biāo)

(1)建成覆蓋關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字化監(jiān)測體系，提高了設(shè)備運行效率、減輕操作及維護人員壓力，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與信息系統(tǒng)的無縫對接，提升各級人員對關(guān)鍵設(shè)備的了解和監(jiān)測能力。

(2)改變大機組、重點泵群監(jiān)傳統(tǒng)運維方式，在實現(xiàn)遠程監(jiān)測分析的同時，充分利用外部專家和大數(shù)據(jù)實現(xiàn)機組的健康狀態(tài)評估與故障預(yù)警。

(3)利用現(xiàn)有視頻監(jiān)控平臺，完善熱成像應(yīng)用，完善視頻畫面智能比對分析等功能，擴展視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用模式，提升了系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

(4)針對高溫、高壓、腐蝕等危險管線及設(shè)備，引入光纖震動監(jiān)測、腐蝕在線監(jiān)測等技術(shù)手段，改變傳統(tǒng)人工巡檢、維護模式的不足。

(5)項目覆蓋設(shè)備管理業(yè)務(wù)的關(guān)鍵部分，優(yōu)化設(shè)備管理業(yè)務(wù)流程，建立全面、靈活、多角度的設(shè)備運行監(jiān)測與分析平臺，設(shè)備管理實現(xiàn)了決策機制從業(yè)務(wù)驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動的轉(zhuǎn)變，設(shè)備可靠性管理以及設(shè)備預(yù)防性維修逐步實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化。

5 大機組在線監(jiān)測及專家診斷技術(shù)

大機組是裝置的核心，大機組在線實時的監(jiān)測手段和遠程專家診斷技術(shù)對裝置安全穩(wěn)定運行具有極其重要的指導(dǎo)作用。傳統(tǒng)的機組監(jiān)測模式是通過DCS 上數(shù)據(jù)的變化來判斷機組的異常，這種傳統(tǒng)的方式的問題就是發(fā)現(xiàn)異常較晚，即使發(fā)現(xiàn)也不能及時找到故障的原因。利用在線實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)采單元獲取振動位移原始信號，對機組鍵相、振動、過程量、DCS 上的溫度、壓力等信號進行實時采集，這些都是分析旋轉(zhuǎn)機械的必要參數(shù)。

采集收集的信號數(shù)據(jù)上傳至中心服務(wù)器，通過建立機組運行監(jiān)測模型，生成豐富的專業(yè)診斷圖譜，實現(xiàn)機組設(shè)備的實時監(jiān)測及報警。

專業(yè)診斷圖譜主要是通過對轉(zhuǎn)子相對于軸承的振幅、頻率、相位及相關(guān)圖譜所進行的故障分析，要求設(shè)備管理人員具有相對較高的專業(yè)知識，同時若僅依靠企業(yè)自有人工進行分析，則存在技術(shù)、人力投入等方面的問題，因此同時引入遠程專家診斷幫助企業(yè)分析、處理機組故障。同時，利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大機組在線監(jiān)測及專家診斷系統(tǒng)中報警、預(yù)警信息實時發(fā)送至管理人員手機、電腦等，對于及時、準確找到設(shè)備發(fā)生故障原因或故障趨勢具有重要意義。

6 機泵實時監(jiān)測診斷技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)很多，在低功耗廣域網(wǎng)領(lǐng)域，NB-IoT和LoRa 無疑是最為熱門的兩種低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)。

NB-IoT 屬于授權(quán)頻段，如同2G/3G/4G 一樣，是專門規(guī)劃的頻段，頻段干擾相對少，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)使用電信運營商網(wǎng)絡(luò)，可以提供更好的信號服務(wù)質(zhì)量、安全性和認證等的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準，可與現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站融合更有利于快速大規(guī)模部署，運營商有成熟的電信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈和經(jīng)驗，可以更好地運營NBIoT 網(wǎng)絡(luò)2。LoRa 頻段使用的是免授權(quán)ISM 頻段，無需申請即可進行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，運營成本也低，但相對于NBIoT，需要自建網(wǎng)絡(luò)，投入相對較高。企業(yè)可采用NB-IoT 無線傳感器，在重點機泵快速部署安裝“三軸振動+溫度測量”等類型的新型數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)機泵實時在線監(jiān)測，利用各類頻譜分析，及時判定轉(zhuǎn)子不平衡、泵對中偏差較大、地腳松動或基礎(chǔ)不牢、泵軸承損壞等機泵故障或缺陷。

7 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像攝像機可以利用不同介質(zhì)的不同紅外波段，來探測關(guān)鍵設(shè)備表面、管道表面的不同溫度，發(fā)現(xiàn)和識別設(shè)備或管道異常，如閥門泄露、管道泄漏、設(shè)備溫度、環(huán)境異常等問題，通過將熱成像攝像機接入傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)紅外熱成像監(jiān)測及溫度報警，提高了自動識別、自動報警等相關(guān)自動化能力，具有非常重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)設(shè)備。設(shè)備的重要風(fēng)險位置，如泵、閥門等部位的異常，可以通過紅外熱成像溫度監(jiān)測，輔助監(jiān)測其健康狀態(tài)，溫度及溫度變速異常時，實現(xiàn)報警提示，保障設(shè)備正常運行。

(2)罐區(qū)。化工裝置罐體、閥體的設(shè)備連接處會因為輸送介質(zhì)腐蝕管壁，造成管壁變薄的現(xiàn)象，熱成像攝像機可以及時監(jiān)測并定位隱患點。

(3)管道。化工裝置使用管道輸送蒸汽、原料、產(chǎn)品等，通常管道內(nèi)會包裹保溫隔熱層，通過紅外熱像儀可以方便地查看管道的保溫隔熱層有無損壞、是否有泄漏，泄漏介質(zhì)也會通過紅外熱成像攝像機及時發(fā)現(xiàn)。

8 圖像智能識別技術(shù)

近些年，人工智能的研究和應(yīng)用進入全新的發(fā)展階段，人工智能在圖像識別的應(yīng)用場景豐富，在各個行業(yè)都有對應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，包括安防、能源、金融、醫(yī)療等行業(yè)。

通過在化工裝置安裝攝像機，實時監(jiān)測容易泄漏的生產(chǎn)區(qū)域，通過后臺圖像比對算法進行識別，及時發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏、火焰冒煙等圖像變化，并進行報警，做到早發(fā)現(xiàn)、早報警。

化工企業(yè)用戶可結(jié)合自身的業(yè)務(wù)場景，通過定制圖像比對模型并進行應(yīng)用，比如安全帽佩戴檢測、人員玩手機、離崗/睡崗、滯留、倒地等異常行為。

9 光纖震動監(jiān)測技術(shù)

光纖震動及聲音偵聽技術(shù)利用光纖作為傳感元件和信號傳輸介質(zhì)，連續(xù)采集和感知傳輸路徑中設(shè)備振動的空間分布和時間變化信息，利用普通光纖，在每一個運動機械上附著一個點，即可實時偵聽該機械的運動特性。通過在化工重點設(shè)備、管線外殼纏繞光纜，實現(xiàn)對設(shè)備的振動聲音進行監(jiān)測，利用機器學(xué)習(xí)建立設(shè)備或管線運行模型，當(dāng)系統(tǒng)偵測到明顯差異或故障時，可及時報警或預(yù)警，幫助設(shè)備技術(shù)管理人員及時了解設(shè)備的故障狀態(tài)。

10 在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)

化工行業(yè)中，原油、原煤中的含硫、含酸值原來越高，在生產(chǎn)加工過程中，因為腐蝕造成設(shè)備的損害，時刻威脅著企業(yè)的安全，腐蝕問題已經(jīng)成為石化企業(yè)面臨的重大問題。

目前企業(yè)采用的腐蝕監(jiān)測技術(shù)主要包括侵入式監(jiān)測技術(shù)和定點測厚技術(shù)。對于腐蝕易發(fā)生的高溫、高壓部位或者危險區(qū)域，侵入式監(jiān)測技術(shù)因為需要在管線本體上開孔，存在一定的安全隱患，且只能監(jiān)測腐蝕的變化趨勢，并不能直接反應(yīng)管線的真實壁厚值，存在很大的局限性1。

在線定點測厚技術(shù)可選用超聲波傳感器，將檢測傳感器安裝到被測點位，利用無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)快速部署，采集和收集腐蝕數(shù)據(jù)，摸清腐蝕介質(zhì)的分布情況和腐蝕規(guī)律、查找腐蝕的重點部位和薄弱環(huán)節(jié)，開展針對性選材或者在線防腐保護，提高石化裝置長周期穩(wěn)定運行能力，提升企業(yè)整體效益。

11 效益分析

大型化工企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障，哪怕是一個零件或組件的問題，都有可能導(dǎo)致整個生產(chǎn)線停機停工，造成生產(chǎn)損失，往往還會帶來災(zāi)難性的事故，其后果十分嚴重。引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，實現(xiàn)全廠大機組、關(guān)鍵機泵、高溫高壓管道等運行狀態(tài)實時監(jiān)測及分析，有效減少事故停機率，減輕人員負擔(dān)，減輕企業(yè)安全監(jiān)管壓力，裝置實現(xiàn)安穩(wěn)長滿優(yōu)運行，可以為企業(yè)帶來了可觀的效益。

12 結(jié)論

研究和利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動辦公、大數(shù)據(jù)分析等先進技術(shù)是建設(shè)中國制造2025 的必由之路，特別是如何將5G 及AI智能分析技術(shù)賦能企業(yè)是下一步工作的重點，本文通過研究如何信息技術(shù)，建立企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與分析技術(shù)平臺，強化設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測手段，提高設(shè)備運行規(guī)律判定能力，設(shè)備可靠性管理以及設(shè)備預(yù)防性維修實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化，在化工企業(yè)設(shè)備管理中具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。