機泵監測系統功能有效性淺析

董淼　王建濤　郭森

摘要：在流程化生產企業中，電動機驅動的泵類（機泵）在工藝流程中起著極其關鍵的作用，其狀態、性能、部件壽命是影響其工藝性能的主要因素，故各種面對機泵狀態監測需求的系統得以在企業應用。然而，在現有機泵監測系統中，產品供應商的焦點多聚集于系統同的構建技術以及某些功能的“智能性”實現，對于系統功能的有效性卻鮮有建樹，或多或少影響了此類產品的接受度和推廣價值。

本文就機泵監測系統功能有效性進行簡單分析并提出相應的解決思路。

1.機泵監測體系的局限性分析

目前市場上流通的機泵監測體系大致有如下幾類：

⑴ 基于振動檢測的無線方式

隨著無線傳感器和無線組網技術的日益完善，由無線振動傳感器和網關即可構建對系統功能性要求不高的低價位機泵狀態監測體系。

無線傳感器的綜合性能受到諸多環節影響，其一是振動傳感器的核心，決定了其頻率響應范圍和線性度指標;其二是采集處理單元，其處理深度決定了數據的完整性;其三是無線通訊（組網）模式，決定了數據通訊的帶寬，同時也決定了電池的使用壽命。

此類系統采用的無線振動傳感器多用Zigbee通訊模式，主要是看重其低功耗特性，但低帶寬也是其致命弱點，當對動態數據傳送實時性有較高要求時，Zigbee模式就無法滿足其要求了。

為了讓電池具有較長的壽命，只能降低數據采集和傳送數據的頻度。

⑵ 基于振動、溫度的無線方式

這是與⑴模式相似的系統，只不過將傳感器核心換成了振動、溫度同時檢測的內核，其余外委單元均與⑴模式相同。

⑶ 基于振動、溫度的有線、無線混合方式

為了解決電池壽命與數據傳輸帶寬的需求，有些技術供應商對機泵監測體系結構進行了改良。這些改良包括：

①采用通用型振動（或振動溫度一體）傳感器，以滿足不同機泵狀態監測所需要的頻率響應和線性度指標，可根據測點需求進行靈活的選型和更換;

②將信號適調、預處理、采集、邊緣計算和數據通訊集成在一個單體中，與傳感器有線連接，與網管采用無線通訊，以組成高性能和高實時性的柔性在線監測系統;

③可采用雙電源供電（交流供電與內裝可充電電池組），理論上不存在電池壽命問題，可達到在線監測系統的高標準技術性能。

⑷ 基于振動、溫度、特定指標的有線、無線混合模式

在⑶模式的基礎上，進一步優化邊緣計算APP，深化數據處理能力，使之滿足行業設備完整性評價的需求。

對于數據的處理深化，主要包括：

①振動信號的二次積分及輸出;

②滾動軸承狀態L值的計算及輸出;

③FFT計算;

④包絡加速度計算;

⑤溫度測量;

⑥柔性通訊模式。

在上述4種模式中，前2種具有較大的功能局限性，后2種基本可兼顧性能與實用性需求，尤其是模式⑷可完全滿足行業設備完整性監測的需求，并具有很好的靈活性。

2.機泵監測體系數據完整性分析

在很多人的認知中，機泵監測系統屬于一種“簡單”的監測體系，對技術性能要求不高，甚至為了降低系統造價，無原則地刪減系統輸入傳感器數量，最終導致系統的數據不完整，無法滿足機泵狀態評價及故障診斷的需求，更無法進一步對滾動軸承剩余壽命預測的數據需求。

對于機泵系統來說，用戶關注的問題為：

⑴ 機械故障

不平衡故障、不對中故障、機械松動、滾動軸承故障等。

機械振動對機械故障具有較好的敏感性。

⑵ 性能故障

因介質特性而形成的流體故障，如氣蝕;因設計不合理造成的出力不足。

機械振動和出口壓力波動對此類故障叫敏感。

⑶ 支撐軸承剩余壽命

支撐滾動軸承剩余壽命過短，具有事故隱患。

這是一個綜合性課題，涉及的影響因素多，但有很好的使用價值。

⑷ 環境影響

基礎剛度不足及外部官網預負荷影響而使機械振動變大;因潤滑或冷卻不良造成支撐軸承溫度過高，從而降低軸承剩余壽命;因電動機供電質量不合格而導致機泵運行狀態不穩定。

3.機泵監測體系功能有效性分析

⑴ 源信號有效性

在源信號的檢測中，傳感器是一個極其重要的節點，后續的分析計算，無一不是以“原信息準確”和“源信息完整”為前提，離開其中一項，系統的輸出結果都將是錯誤的或者是存在極大誤差的。

當傳感器處于故障狀態時，其檢測信號與實際信號完全不符，若利用錯誤的信號進行分析，得出的結果必然也是錯誤的。因此，傳感器狀態正常是判斷檢測數據是否可用的首要條件，若傳感器失效，則數據不可用。

即使傳感器正常，也需要按正確的采樣參數進行采樣，采樣頻率及采樣長度與被監測部件的故障最高頻率和分析分辨率有關，若采樣過程不準確，就有可能造成誤診或漏診。

⑵ 信號分析有效性

絕大多數機泵監測系統的信號分析功能簡單、有效性差，無法滿足機泵的狀態評價和故障診斷。

對于機泵的機械振動信號，簡單的頻譜分析尚不足以分析故障，單一的幅度計量也不能完整地表征機泵狀態，因此信號應是一個“集合”，而非簡單地對某一點某一參數某一種計量方式進行檢測、計算和分析，應該按狀態評價和故障診斷的需求對信號進行“細分”，并逐項進行計量和分析。

進行加速度包絡分析時，必須根據軸承尺寸和機器轉速確定濾波器截至頻率，否則就會出現分析誤差甚至錯誤。

軸承狀態L值是一種與負荷無關的檢測方法，對于非穩定運行的機器和滾動軸承狀態監測是一種理想的監測參量。

某一點某一時刻的信號承載的信息量是有限的，必須用“瞻前顧后”的思維方式對信號的“來龍去脈”進行梳理，弄清楚影響因素，才能保證信號分析結果的有效性，才能用于可靠的狀態評價和故障分析。

⑶ 信息的融合及集成

多數機泵監測系統涉及的信號處理工具是基于“點”的，即某一時刻某一測點的信號特征。該點的信號特征受傳遞、耦合、負荷、環境等影響，并不能完整地表征機泵的狀態，必須與其它點的信息融合分析，找出關聯關系和狀態發展的時序，才能將整臺機泵的狀態描述清楚。

涉及的診斷邏輯也應基于“全信息”，基于“點”信息的診斷邏輯已被證明其準確性較差，甚至出現錯誤。

4.工程實例解析

實例1

故障類型：不平衡故障—葉輪磨損

信號概述∶泵端測點出現快速上升趨勢，速度頻譜中以1倍轉頻能量上升為主，振動方向為徑向。

診斷結論∶泵端速度的上升，關注基礎松動及葉輪平衡類故障。

檢修建議∶檢查泵端振動大小與工藝情況，檢查螺栓松動情況與葉輪磨損情況。

檢修反饋∶現場拆檢發現葉輪葉片及口環出現較大磨損。

信號譜圖：

實例2

故障類型：軸承故障

信號概述：泵端加速度上升，波形中有外圈間隔沖擊，頻譜包絡解調以外圈成分為主。

診斷結論：3、4位置軸承中期損傷，主要為外圈磨損、剝落。

檢修建議：建議更換損傷軸承，短期運行關注潤滑、異響及溫度。

檢修反饋：近電機側軸承外圈滾道有長條狀剝落。另一盤軸承外圈磨損，存在一處圓形剝落。

特征譜圖：

5.結論與建議

⑴市場上流通的機泵監測系統產品性能差異明顯，存在一定程度的過度宣傳，對實用性和目的性的考量不足;

⑵無線模式并不能代表更先進的技術，許多實用性問題如傳感器電池壽命、數據傳輸帶寬和實時性等方面尚未得到解決;

⑶有線傳感器加無線采集變送器結構是目前比較符合應用需求的系統結構;

⑷對源信號完整性和有效性方面尚有大量工作可做。

為此，建議：

⑴ 重視機泵監測體系的信息完整性和有效性，確保信息可覆蓋用戶關注問題范圍并具有較強的針對性;

⑵ 重視支撐軸承剩余壽命預測技術研究，綜合考慮軸承的初始（設計）壽命、機泵運行時長、工況對軸承壽命的影響以及其它故障對軸承壽命的影響等因素，能夠比較客觀地評價軸承狀態和剩余壽命計算;

⑶基本監測系統的構建模式必須首先滿足目的性需求，其次考慮構建、計算技術或模式。前者是剛需，后者是為實現需求而進行的優化。

作者簡介：董淼，1980.4，男，漢族，河南南陽人，碩士研究生，高級工程師，油氣田開發工程、安全環保技術研究。