石化裝置大型泵群狀態(tài)監(jiān)測(cè)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

何振岐 焦永峰 遠(yuǎn)戰(zhàn)紅 黃佳富

（中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司 廣東惠州）

傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在施工時(shí)大量布線，而且需要有合適的位置安裝數(shù)據(jù)采集單元（DAQ）及其接線盒，由此產(chǎn)生了大量的線纜采購(gòu)及施工的成本。應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)需布線，安裝簡(jiǎn)單、施工成本低廉，能及時(shí)、可靠地采集到狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)泵群有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

一、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，超低能耗，實(shí)時(shí)通信。

圖1 無(wú)線HART的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

1.Wireless HART通信協(xié)議

無(wú)線HART是專門為過(guò)程測(cè)量和控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的第一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，作為HART7規(guī)范的一部分于2007年9月正式發(fā)布。無(wú)線HART協(xié)議是一種安全的基于TDMA（Time Division Multiple Access時(shí)分多址）的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine）頻段，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）和信道跳頻技術(shù)。

2.無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，每個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)主要部分。

（1）無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。具有內(nèi)置Wireless HART的設(shè)備，與工廠過(guò)程連接。如圖1中所示的無(wú)線傳感器。

（2）無(wú)線HART網(wǎng)關(guān)。使得這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠與連接現(xiàn)有工廠通信網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)應(yīng)用程序通信。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理器。負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度設(shè)備之間的通信、管理郵件路徑以及監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都可以作為其他設(shè)備消息的路由器。換句話說(shuō)，1臺(tái)設(shè)備不必與網(wǎng)關(guān)直接通信，而只需將其消息轉(zhuǎn)發(fā)給下1臺(tái)最近的設(shè)備。這擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且提供冗余的通信路徑，以增加可靠性；同時(shí)，也可以根據(jù)實(shí)際情況增加中繼器（Router），以提高Wireless HART網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)延遲、效率和可靠性來(lái)確定冗余路徑。為了確保冗余路徑保持開(kāi)放和通暢，信息不斷交替使用冗余路徑。因此，像因特網(wǎng)一樣，如果消息無(wú)法通過(guò)一條路徑到達(dá)其目的地，它會(huì)自動(dòng)重新路由到已知良好的冗余路徑，而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

二、SKF加速度包絡(luò)技術(shù)

加速度包絡(luò)技術(shù)亦稱包絡(luò)解調(diào)技術(shù)，是對(duì)低頻（通常為1kHz以內(nèi)））的沖擊所激起的高頻共振波形進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)和低通濾波即解調(diào)，獲得一個(gè)相對(duì)于原來(lái)低頻沖擊的而又被放大并且被擴(kuò)展了的共振解調(diào)波。SKF加速度包絡(luò)技術(shù)原理（圖2）：當(dāng)軸承某一元件出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受傷運(yùn)行過(guò)程中要撞擊與之相互作用的其他元件表面，產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含軸承外圈、加速度傳感器甚至附加的電諧振器等的固有頻率，而激起這個(gè)測(cè)振系統(tǒng)的高頻固有振動(dòng)。根據(jù)礦井機(jī)械的實(shí)際情況，選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)象，通過(guò)中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器，把該固有振動(dòng)分離出來(lái)。然后，通過(guò)包絡(luò)解調(diào)，去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)，對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行分析，可診斷出軸承故障。由于這一技術(shù)采用了具有高頻響應(yīng)特性的壓電加速度傳感器，放大（調(diào)制）、分離（帶通濾波）了故障特征信號(hào)，極大地提高了信噪比，因此能比較準(zhǔn)確地診斷出滾動(dòng)軸承的故障。

三、應(yīng)用

1．無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

圖2 加速度包絡(luò)分析原理

中海油惠州煉油運(yùn)行三部負(fù)責(zé)的芳烴裝置區(qū)共計(jì)100多臺(tái)機(jī)泵，這些機(jī)泵日常的設(shè)備維護(hù)主要是采用運(yùn)行維保人員持手持式點(diǎn)檢儀定期巡視。但是在人員編制精簡(jiǎn)、對(duì)設(shè)備高運(yùn)行率要求等諸多現(xiàn)代化設(shè)備管理指標(biāo)下，這些傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)方法無(wú)法很好地滿足企業(yè)的要求。無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷的高效、準(zhǔn)確，縮短了設(shè)備的檢修時(shí)間、提高備件計(jì)劃命中率、降低設(shè)備維修費(fèi)用和保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

該機(jī)泵無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由CMWA 8800無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、無(wú)線HART管理器網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)配置管理軟件、SKF@ptitude Analyst分析軟件組成。

系統(tǒng)覆蓋的機(jī)泵范圍包括600裝置區(qū)的15臺(tái)機(jī)泵和400裝置區(qū)的26臺(tái)機(jī)泵，共63個(gè)無(wú)線傳感器，用來(lái)采集每個(gè)電機(jī)及泵的振動(dòng)速度有效值（RMS），加速度包絡(luò)值（gE）和溫度值。

根據(jù)上述要求和機(jī)泵群現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，搭建了無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)。在400和600區(qū)的適當(dāng)位置安裝中繼器（Router），以提高無(wú)線網(wǎng)路的覆蓋范圍和冗余；在電氣房頂安裝無(wú)線HART網(wǎng)關(guān)，以鏈接現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感器和內(nèi)部局域網(wǎng)。所有的無(wú)線傳感器通過(guò)自動(dòng)組網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)的上傳和下載。

2．無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

（1）監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)置與人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)惠州煉油的運(yùn)行要求，系統(tǒng)需要每個(gè)傳感器采集振動(dòng)速度值、加速度包絡(luò)值、溫度值、電池電量及每個(gè)軸承（確定品牌、型號(hào)）的缺陷特征值，同時(shí)，每個(gè)傳感器的特征參數(shù)值可以在人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，并以不同的顏色顯示狀態(tài)。

（2）機(jī)泵監(jiān)測(cè)分析

該系統(tǒng)于2013年開(kāi)始運(yùn)行，從測(cè)點(diǎn)無(wú)線傳感器電池剩余電量趨勢(shì)圖中可以看出，傳感器電量消耗比較平穩(wěn)，6個(gè)月消耗了5%的電量，基本上能夠滿足傳感器電池壽命5年的技術(shù)要求。在此期間，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的頻譜分析，頻譜分析發(fā)現(xiàn)P404B泵3H測(cè)點(diǎn)的加速度包絡(luò)頻譜圖中有SKF 6220軸承（泵內(nèi)測(cè)）的外圈缺陷頻率及其諧波（圖3），P404B泵4H測(cè)點(diǎn)的加速度包絡(luò)頻譜圖中有SKF軸承7220（泵外側(cè)）外圈缺陷頻率及其諧波（圖4）。

四、結(jié)論

該無(wú)線系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行半年多，實(shí)際效果表明，該系統(tǒng)達(dá)到了立項(xiàng)技術(shù)要求，并且為運(yùn)行三部的設(shè)備管理提供了強(qiáng)大的支持。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)檢的自動(dòng)化與實(shí)時(shí)化，這一點(diǎn)對(duì)于經(jīng)常有惡劣天氣的地區(qū)尤為重要；②功能強(qiáng)大。除了能夠?qū)崿F(xiàn)一般點(diǎn)檢系統(tǒng)采集的振動(dòng)有效值和溫度值以外，該無(wú)線系統(tǒng)還能夠定期采集振動(dòng)頻譜圖，加速度包絡(luò)譜圖以及傳感器的電池耗電等參數(shù)；③安裝簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高。相對(duì)于有線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)線系統(tǒng)在安裝時(shí)不用接線，安裝簡(jiǎn)單，占用空間較少，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行；同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)少，因此，整體可靠性較高。

圖3 P404B泵測(cè)點(diǎn)3H加速包絡(luò)頻譜圖

圖4 P404B泵測(cè)點(diǎn)4H加速度包絡(luò)頻譜圖

但是，相對(duì)于有線系統(tǒng)的多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，無(wú)線系統(tǒng)在應(yīng)用上也有其局限性：①由于無(wú)線傳感器利用電池供電，不可能做到在線系統(tǒng)那樣高速實(shí)時(shí)采樣，只能采取定期數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆绞剑虎谠摕o(wú)線系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4的無(wú)線協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速度（最高可達(dá)250kbps）受到了限制，因此對(duì)于頻譜的線數(shù)和采集頻率有一定的要求。

綜上所述，SKF無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常適于石油石化企業(yè)大型泵群的在線點(diǎn)檢和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在實(shí)際生產(chǎn)中起到了非常重要的作用；但由于無(wú)線系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，此類系統(tǒng)不適合于大型關(guān)鍵機(jī)組的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和保護(hù)。