某海上平臺設(shè)備故障智能預(yù)警系統(tǒng)集成及驗證應(yīng)用

李 明，于成龍，朱澤錦，楊 森

（中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江）

序言

海上平臺機械設(shè)備種類繁雜、數(shù)量多，部分動設(shè)備24 小時運轉(zhuǎn)負(fù)載率高，加之海上平臺高熱、鹽霧及臺風(fēng)的影響，設(shè)備故障率相對較高。傳統(tǒng)的故障診斷主要靠海上人員巡檢過程中識別，受人工巡檢頻次及巡檢人員技術(shù)水平的限制，機械設(shè)備故障識別的主觀性強、無法設(shè)置統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)故障后，具體故障通過技術(shù)人員通過的“望、聞、問、切”方式進行，機械設(shè)備構(gòu)件復(fù)雜，對技術(shù)人員的技術(shù)提出極高的要求。通過目前石油行業(yè)機械設(shè)備常用的振動、噪聲、溫度等的監(jiān)測手段，實行24 小時設(shè)備監(jiān)測，實現(xiàn)重要設(shè)備的實時監(jiān)測，提高設(shè)備故障診斷率，減輕現(xiàn)場人員的勞動強度。綜合海上平臺面積、機械設(shè)備特點、各種監(jiān)測技術(shù)的成熟度、費用等各方面因素，采用光纖聲傳感、熱紅外成像、圖像傳感等技術(shù)，并集成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件原理及選取

1.1 光纖聲傳感子系統(tǒng)

1.1.1 光纖聲傳感子系統(tǒng)光路

該子系統(tǒng)主要是利用光纖聲傳感器感應(yīng)空氣中聲壓的變化。光纖聲傳感器主要有干涉型光纖聲、光纖激光聲兩種類型傳感器。干涉型光纖聲傳感器成本上有一定優(yōu)勢。但光纖激光聲傳感器其尺寸比干涉型光纖聲傳感器探頭小，且更易于使用光通信中的波分復(fù)用等多路復(fù)用技術(shù)組成聲傳感器陣列。綜合考量，采用光纖激光聲傳感器。

DFB 光纖激光聲傳感器光路主要由諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源三個基本組成部分組成（見圖1）。

圖1 DFB 光纖激光聲傳感器光路示意

常用于解調(diào)DFB 光纖激光聲傳感器信號的光纖干涉儀有非平衡馬赫-曾德、非平衡邁克爾遜等兩種光纖干涉儀。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜光纖干涉儀能做到干涉信號幾乎不受光偏振態(tài)的影響，更有利于后續(xù)的信號解調(diào)，光路示意見圖2。

圖2 非平衡邁克爾遜光纖干涉儀DFB 光纖激光聲傳感器光路示意

在信號解調(diào)中，常用的算法有NPS、NRL、PGC 三種，它們在PZT 調(diào)制信號、干涉光強信號的對稱性、電路帶寬、數(shù)字信號采樣率、數(shù)字信號解調(diào)算法計算量、電路和光路結(jié)構(gòu)等方面有相似和不同的地方。PGC 算法對光電探測電路的帶寬和DSP 實時信號運算量要求最高，但對電路和光路的路數(shù)要求最低；NRL 和NPS 算法對光電探測電路的帶寬和DSP 實時運算量要求比PGC 算法低，NRL 算法對對電路和光路的路數(shù)要求比NPS算法低。所以，從DSP 運算量和硬件（電路和光路）結(jié)構(gòu)兩個方面綜合考慮，以PGC 和NRL 算法較為合適。綜合考量，采用NRL 算法。

常見的光纖通信多路復(fù)用技術(shù)有波分復(fù)用（WDM）、空分復(fù)用（SDM）、時分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）等類型[1]。在光纖激光器傳感器中，波分復(fù)用器通道間串?dāng)_非常小，較易將中心波長不同的DFB 光纖激光聲傳感器通過波分復(fù)用技術(shù)組成陣列。空分復(fù)用技術(shù)技術(shù)層面上具有可行性，但通道間串?dāng)_較大，而提高光開關(guān)的性能，存在一定技術(shù)難度和成本問題。時分復(fù)用技術(shù)需要將光纖激光器調(diào)制成脈沖輸出形式，頻分復(fù)用則需要將光纖激光器輸出功率按頻率進行調(diào)制，實現(xiàn)這些調(diào)制要么會破壞光的相位連續(xù)性而無法通過干涉技術(shù)解調(diào)出傳感信號，要么技術(shù)復(fù)雜且大幅增加陣列體積和成本而變得無實用價值，采用波分復(fù)用技術(shù)。

1.1.2 光纖聲傳感子系統(tǒng)電路

電路由4 個信號處理模塊和1 個信號發(fā)生模塊以及電源模塊構(gòu)成，如圖3 所示。每個信號處理模塊負(fù)責(zé)2 個陣元信號的接收、處理和輸出，模塊中采用NRL 解調(diào)算法，需每個陣元的2 路干涉光強信號。1個信號處理模塊由4 路光電探測電路、4 路ADC 電路、2 路DAC 電路和1 片DSP 構(gòu)成，在1 片DSP 中完成2 個陣元的信號解調(diào)運算。信號發(fā)生模塊產(chǎn)生4kHz正弦波信號，用于驅(qū)動PZT。電源模塊將輸入的±5V 直流電源濾波后供給樣機電路中的模擬電路部分，同時將+5V 直流電源通過開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換為3.3V、2.5V、1.5V、1.2V 和1.05V 等直流電源給數(shù)字電路（DSP 電路等）供電。

圖3 電路總體構(gòu)成示意

1.2 熱紅外成像傳感系統(tǒng)

紅外檢測技術(shù)原理是通過被測設(shè)備發(fā)射紅外輻射信號獲得該設(shè)備表面熱狀態(tài)信息。紅外熱成像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡接收被測目標(biāo)的紅外輻射信號，經(jīng)過光譜濾波、空間濾波，使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上[2]。對被測物的紅外熱像進行掃描并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號通過電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖[3-4]，見圖4。

圖4 熱紅外成像原理（據(jù)文獻7）

熱紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代社會中應(yīng)用，可以超越視覺障礙更加清晰的觀察物體表面溫度實際分布[5]，比傳統(tǒng)的超聲波檢測定位更精準(zhǔn)、穿透力更強[6]，具有非接觸式檢測保障安全、直觀性強、精確度高、測溫范圍寬、響應(yīng)速度快等特點[7]。紅外熱像儀以其隱蔽性好、具有穿透煙、霧、雨、雪等限制以及可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離全天候觀察等優(yōu)點，在偵查、導(dǎo)航、氣象、醫(yī)學(xué)熱診斷、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。

1.3 圖像傳感系統(tǒng)

圖像傳感系統(tǒng)為利用攝像頭獲取被測設(shè)備圖像后，在利用計算機圖像識別技術(shù)進行特征識別。圖像識別技術(shù)的過程包括：信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類器設(shè)計和分類決策[9]。圖像識別相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品目前已得到非常廣泛的應(yīng)用，如身份驗證領(lǐng)域的人臉識別，安全管理上的人員勞保穿戴不規(guī)范、違章作業(yè)，停車場車牌識別等。在機械設(shè)備監(jiān)測上，可以很好的識別機體外殼破損、接頭漏油漏液、部件松動等跑冒滴漏問題。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)及集成

光纖聲傳感、熱紅外成像、圖像傳感等技術(shù)實現(xiàn)平臺設(shè)備運行過程中的信號采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊利用與歷史數(shù)據(jù)庫、特征庫的比對，通過智能學(xué)習(xí)/人工介入（必要時）等實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警（具體見圖5），由服務(wù)器完成對采集到數(shù)據(jù)的分析存儲，歷史與實時數(shù)據(jù)的查詢、顯示等任務(wù)，最終在人機交互界面顯示。

圖5 設(shè)備故障智能預(yù)警系統(tǒng)原理

3 現(xiàn)場技術(shù)驗證

故障智能預(yù)警設(shè)備集成并完成實驗室驗證后，安裝在某海上平臺機泵艙，根據(jù)噪聲、溫度等異常，識別出海水泵聯(lián)軸節(jié)減振膠圈磨損故障、海水泵軸承磨損松動、燃油輸送泵不對中、閉排泵氣蝕等故障。現(xiàn)場技術(shù)人員拆開設(shè)備維修，確認(rèn)的故障與故障智能預(yù)警系統(tǒng)識別的故障一致，見圖6、圖7。

圖6 設(shè)備狀態(tài)正常情況光纖聲陣列譜圖

圖7 軸承內(nèi)圈發(fā)生故障狀態(tài)光纖聲陣列譜圖

4 結(jié)論

故障智能預(yù)警系統(tǒng)集成光纖聲傳感、熱紅外成像傳感、圖像傳感等技術(shù)，經(jīng)實驗室及平臺現(xiàn)場驗證應(yīng)用，實現(xiàn)預(yù)期目的。在現(xiàn)場驗證過程中準(zhǔn)確識別出海水泵聯(lián)軸節(jié)減振膠圈磨損故障、海水泵軸承磨損松動、燃油輸送泵不對中、閉排泵氣蝕等故障。該預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)某海上平臺重要設(shè)備的時時監(jiān)測，提高設(shè)備故障診斷率，大大減輕現(xiàn)場人員的勞動強度。