iPHM 在線狀態監測系統在電廠的應用

水 龍，劉紅彥，秦少鋒，郝兆鵬

（1.西安因聯信息科技有限公司，陜西西安 710065；2.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452；3.杭州安脈盛智能技術有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

隨著我國經濟發展進入新階段，增速有所放緩，伴隨著國家能源結構的調整，火電企業成本上升、利潤下降，如何降本增效以提高市場競爭力，是火電企業面臨的一道難題。而設備故障預警和狀態監測已成為一種重要的保障措施，從而確保設備安全、平穩、可靠地運行[1-2]。

PHM（Prognostic and Health Management，設備故障預測與健康管理系統）是利用物聯網與大數據技術，聚焦水泥、化工、造紙等行業的關鍵設備，通過對現場設備數據的實時采集、分析以達到實時監測、故障預測以及健康管理的目的。西安因聯信息科技有限公司（以下簡稱西安因聯）iPHM 系統采用SaaS（Software-as-a-Service，軟件運營）服務模式，提供輕量級的應用，方便滿足不同用戶標準化或定制化需求，大幅度降低企業信息化門檻與風險，幫助企業快速實現數字化、信息化轉型。

1 SaaS-iPHM 系統架構及硬件結構

西安因聯iPHM 系統如圖1 所示，通過傳感器將設備運行、振動、環境等相關數據采集至工業大數據平臺，依托智能分析算法，為使用者提供設備的狀態監測、故障診斷與分析，設備能效分析、全生命周期管理等，服務于企業管理者、設備管理人員、診斷工程師以及運維保養人員。

圖1 iPHM 設備故障預測與健康管理系統

1.1 數據采集端

現場部署的振動采集單元分為無線采集端元和有線采集單元。無線采集單元由西安因聯自主研發的無線傳感器（WS）及無線網關（WG）組成；有線采集單元由西安因聯自主研發的有線傳感器及有線監測站（VibSCAN）組成。

將傳感器部署在現場設備相應的測點上，通過傳感器將該測點的溫度、加速度、速度、加速度包絡等特征值采集，通過先進的數字信號處理算法，將其轉換為可反映機組健康狀況的特征參數。

1.2 網絡傳輸端

設備振動數據通過傳感器采集后，需要將數據進行上傳，因需求和傳感器的類型不同，分為無線傳輸和有線傳輸兩類，無論是哪種傳輸方式，其與服務器之間的傳輸都有4 種方式：4G、Wi-Fi、光纖、網線。

1.2.1 無線傳輸

無線傳感器將采集到的數據通過獨創的網絡傳輸協議上傳網關，與目前應用較多的ZigBee 網絡傳輸協議相比，本產品可以實現全網格型無線拓撲結構，每個網絡節點既可以作為傳輸節點，同時可作為中繼節點，保證同時存在多條傳輸路徑，提高網絡的可靠性。

采集iCMS 無線狀態監測系統由西安因聯自主研發、針對企業重要設備現場維護指導需求提出的解決方案，可實現在工業現場靈活部署及連續在線監測，尤其適用于設備分散的防爆工業現場。

無線狀態監測的硬件設備由無線傳感器及無線網關組成。無線傳感器可同時采集振動及溫度信號，并通過先進的數字信號處理算法，將其轉換為可反映機組健康狀況的特征參數。數據的傳輸采用無線方式，大大節省了布線及施工周期，降低了現場部署難度。

1.2.2 有線傳輸

有線監測用于工業現場設備在線監測，與有線傳感器組成監測系統的核心部分?？芍С侄喾N類型的傳感器接入，如：加速度振動傳感器、加速度-振-溫一體傳感器、轉速傳感器等，并且支持所有通道數據同步采集，具備高采樣率，高精度的特性，適用于工業現場環境，可以很好地滿足企業針對關鍵設備的在線狀態監測需求。

VibSCAN 是西安因聯自主研發的高性價比的設備在線狀態監測方案，可以替代現有的人工巡檢模式，很好地滿足企業對關鍵設備的在線狀態監測需求。VibSCAN 可提供16 路振動通道、4 路工藝量參數以及2 通道的轉速信號的采集，適用于電機、風機、泵、滾動軸承、齒輪箱等旋轉設備的在線狀態監測。

VibSCAN 成本低、性價比高，分布式監測網絡結構，采用RS485 網絡，抗干擾性強，傳輸距離可達到1200 m（不加中繼器），采用基于ModBus 的通信協議，數據傳輸更可靠，采用的是方便部署和安裝的B/S 架構。

1.3 設備健康管理平臺

設備健康管理平臺結合當下流行的物聯網、大數據、微服務等技術，采用分層設計的理念為客戶提供完備的設備在線監控應用，平臺主要分為數據采集層、平臺核心能力層、智能應用層三大部分。

設數據采集層能夠采集底層傳感器的數據，包含有線振動、無線振動、轉速等，并能支持通過標準協議的方式接入設備的運行、工藝等多種類型的數據。

平臺核心能力層針對采集到的數據進行持久化服務，數據清洗、過濾。

基于設備的多維度數據，應用層提供智能預警、智能診斷等應用服務，實現關鍵設備運行狀態的自行監護及精密診斷。

Web 展示及配置通過良好的界面系統將所監測到的設備運行狀態等數據呈現在人的面前，根據需求通過界面對測量方案、數據采集等進行修改配置，之后將數據存儲在服務器上。數據采集單元的設置通過Web 服務與數據采集分析服務的交互完成[3]。

2 SaaS-iPHM 在線狀態監測系統軟件

SaaS-iPHM 系統軟件包含SaaS-iPHM 主界面、iDTP 診斷分析系統、IoT 配置管理系統三部分。

2.1 SaaS-iPHM 主界面

系統主要以瀏覽器為載體，通過在線監測網站進入系統，可查看設備信息。系統主要包含設備狀態監測、設備&測點異常告警、遠程智能診斷、能效分析、設備健康與全生命周期管理。

2.2 iDTP 診斷分析系統

診斷分析（iDTP）是因聯的一款專業在線分析工具，可以從主界面中診斷分析模塊直接跳轉，或通過網址直接登錄診斷分析系統，通過趨勢圖來展示設備監測期間不同測點相應的振動信號和特征值信息。用戶可通過區域縮放、雙游標、放大、縮小、單位換算等功能查看波形頻譜圖、瀑布圖、倒譜圖，輔助完成故障診斷。

2.3 IoT 配置管理系統

IoT 配置管理系統是一個綜合的業務與運維管理平臺，主要服務于系統運維和管理人員，方便系統運維和管理人員對系統信息、用戶、權限信息、設備信息等相關信息進行統一的配置和管理。

3 系統現場應用

在目前的檢維修模式下，機組的振動、溫度等重要參數，均通過人工定時、定點現場測量，不但費時費力，而且可能因客觀或主觀因素導致測量數據不準確、不及時，還有可能錯過因某種原因導致設備振動大時沒有采集到相關數據，從而失去了第一手資料，對設備的狀態失去了準確的判斷，最終將伴隨著過度檢修、未及時檢修等問題[4]。

3.1 電廠泵群在線狀態監測系統

根據電廠機泵群狀態監測的需求，對全廠10 種27 臺單機組的輔機關鍵旋轉設備安裝了121 個振-溫一體傳感器，根據現場設備結構、工況、故障率等信息，進行了差異化的部署，現場施工主要為傳感器及網關的安裝。傳感器通過螺柱連接底座，底座通過強力膠粘結在設備相應的測點位置，根據現場實際情況，全場共布置了8 臺網關，而網管部署的場所必須要有良好的通信環境。

根據傳感器本身的特性和現場對于設備監測的要求，設備振動采集時間間隔為每30 min 一次特征值，溫度每5 min 采集一次，每天3 組波形頻譜圖上傳，傳感器電池能達到兩年左右的使用壽命。

自系統上線后，設備管理及維修人員均可通過微信小程序實時查看設備狀態，接收設備報警信息，第一時間了解設備動態，為設備安全運行提供良好的環境，解決了點巡檢模式下所不能解決的問題，優化了設備管理模式，提升了管理效率[5]。

3.2 典型案例分析

3.2.1 密封風機驅動端軸承故障

某電廠2#機組風機8 月14 日振動趨勢開始上升，如圖2所示，在加速度包絡頻譜中能看到軸承故障頻率及其諧頻，并伴有工頻的邊帶，如圖3 所示，8 月15 日聯系現場相關人員，對風機驅動端軸承補加適量潤滑脂，以保證軸承良好的潤滑環境，延長使用壽命，9 月10 日該風機停機檢修，9 月13 日更換風機軸承。

圖2 風機驅動端加速度包絡趨勢

圖3 風機驅動端加速度包絡頻譜

機組拆解后，發現風機驅動端軸承損壞嚴重（圖4）。從檢修前故障判斷到檢修時跟蹤再到檢修后狀態評估的全過程，診斷結果的正確性得到了全面的驗證。而此次設備的維修形式以系統對設備的報警為開始，經過診斷工程師對設備進行詳細故障診斷分析，最后以客戶對設備進行停機檢修為結尾，顛覆了傳統的檢維修模式。

圖4 風機驅動端損壞的軸承

經過此次全新完整的檢維修模式，不僅驗證了系統的可靠性、分析的準確性、檢修的及時性，避免了一次重大設備事故的發生，同時也得到了客戶認可。檢修后設備振動值恢復正常，完全滿足設備正常的運轉要求，機組檢修前后狀態對比見表1。

表1 機組檢修前后狀態

3.2.2 循環泵電機驅動端軸承故障

8 月12 日某電廠2#機組循環泵電機驅動端加速度包絡小幅度上升，8 月14 日開始突然上升，幅值翻了5 倍左右，頻譜中能看到軸承故障頻率及其諧頻，8 月15 日聯系現場相關人員，對電機驅動端軸承補加適量潤滑脂，以改善設備狀態，機組可繼續運轉，8 月24 日該機組停機檢修，8 月26 日更換完電機驅動端軸承，如圖5、圖6 所示。

圖5 電機驅動端加速度包絡趨勢

圖6 電機驅動端加速度包絡頻譜

電機驅動端拆開后發現軸承外圈有剝落，如圖7 所示。從第一次加速度包絡上升判斷軸承處于早期故障，建議添加潤滑脂改善軸承運行環境，機組可繼續運轉，現場添加潤滑脂后，加速度包絡上升值雖然降低，但是現場還是安排了更換電機驅動端軸承，拆解的結果全面驗證了診斷的正確性，再次驗證了該系統對設備維修模式的可靠性。

圖7 電機驅動端軸承剝落

4 結語

通過在某電廠2#機組上應用，驗證系統的預警及分析可靠精準，從軸承早期故障的發現到軸承故障的晚期，都能及時發現、及時提醒?，F場人員根據診斷的情況結合現場設備情況及管理需求做出合理的檢維修安排，既能預防突發事故的發生，也能提前發現故障，做到了預防性維修，避免過度維修，為電廠的安全運行提供保障，同時優化備品配件的采購及儲備數量，減少浪費，為企業帶來巨大的經濟效益。