液貨船潛液泵監測及預警系統設計

莫易敏，徐東輝，周廷美，廖 軍

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070）

潛液泵是一種能夠安裝在液貨艙底部的離心泵，用于將液貨艙內的液貨向外部輸送，它主要應用在FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）、成品油船、化學品船等液貨船上[1]。潛液泵工作在原油、LNG（液化天然氣）、化學品等易燃易爆危險品中，其運行可靠性及工作狀態的優良決定著液貨外輸的效率及安全性能。因此，有必要建立一套潛液泵的監測預警系統，保證潛液泵單元運行的可靠性、安全性。本文將分析潛液泵各主要部件的失效模式，提出一套完整的潛液泵在線監測及故障預警系統的設計方案，實現對潛液泵運行狀態的實時監測以及故障預警。

1 潛液泵失效模式與影響分析

失效模式與影響分析FMEA是一種用來確定系統內各部件潛在失效模式及失效后果的歸納分析方法。通過分析系統內各組成部分潛在的失效模式、原因、后果及現象，發現系統主要的故障模式，為設計、維修、安全等工作提供重要參考信息[2]。

潛液泵組成部件復雜，工作環境特殊，在工作中存在許多潛在的故障風險，一旦出現故障，整個液貨卸載系統都將受到較大影響。因此，本文采用FMEA法，系統地分析潛液泵內各組成部件可能出現的失效模式，分析故障產生的原因和失效后果，然后按照各種故障發生的致命度進行排序，得出表1所示的FMEA分析結果。此分析結果為潛液泵監測與預警系統的重要設計依據。

表1 潛液泵失效模式與影響分析Tab.1 Failure mode and effects analysis of immersed pump

2 監測方案

根據FMEA分析結果中主要的失效模式及各部件發生失效時的現象，對潛液泵單元的監測可以通過對如下3部分的監測實現，分別為潛液泵密封監測、軸承磨損監測、潛液泵效率監測。

2.1 潛液泵密封監測

針對密封的監測，在頂板上設置密封泄漏監測腔，通過檢查一定時間內監測腔內液位變化來監測軸封和機械密封的工作狀態。由于不涉及到潛液泵的工作狀態，可以采用巡檢的方式進行監測。

2.2 軸承磨損監測

潛液泵的軸承發生大程度磨損后，液壓馬達回油清潔度將會降低，因此可通過回油濾器上的濾器阻塞報警進行監測，當回油濾器阻塞開關報警時，說明潛液泵驅動軸系有較大程度的磨損。

2.3 潛液泵效率監測

潛液泵故障主要集中在泵頭組件上，但是泵頭浸沒在原油中，不允許設置任何帶電設備。根據FMEA分析結果，當液壓馬達柱塞發生磨損、泵頭葉輪出現氣蝕及摩擦環發生磨損時，都將導致潛液泵工作效率降低。所以采用效率監測這種間接的方法對以上各故障進行監測。

潛液泵的效率計算公式為

式中：P出為輸出功率，即貨油通過潛液泵增加的功率，計算公式為

式中：ρ為貨油密度，kg/m3；Q為貨油出口流量，m3/h；H為等效位移，m。H的計算公式為

式中：ΔZ為出口壓力傳感器相對貨油液位高度，m；PM為出口壓力表測得壓力，kPa；Vd為貨油出口流速，計算公式為

式中：d為貨油出口管徑，m。

式（1）中P入為輸入功率，即為液壓油流經潛液泵內的液壓馬達所消耗的功率，計算公式為

式中：Py為調速閥出口壓力，105Pa；Pb為回油油路背壓，105Pa；Qy為液壓油回油流量，m3/h。

由式（1）～（5）得到潛液泵的效率計算公式為

根據式（6）中的未知量確定需要監測的數據，繪制出監測點位示意圖，如圖1所示，圖中TP1監測貨油流量 Q，m3/h；TP2監測貨油出口壓力 PM，kPa；TP3 監測調速閥出口壓力 Py，105Pa；TP4 監測液壓油回油流量Qy，m3/h；h代表貨油出口測壓點距貨油液位高度ΔZ，m。

圖1 監測點位示意圖Fig.1 Monitoring sites schematic

3 系統設計

潛液泵監測及預警系統主要包括硬件平臺和軟件平臺。硬件平臺主要功能是設置各類傳感器以及通過液貨船中控系統對危險部位進行監測，利用PLC對監測信號進行處理及通訊，工控機為系統數據的存儲以及系統軟件的運行提供平臺；軟件部分主要功能是通過軟件的各個功能模塊進行監測數據的采集、處理、分析以及存儲，實現實時監測和故障預警的功能[3]。系統總體設計框圖如圖2所示。

圖2 系統總體設計框圖Fig.2 Overall design of the system

3.1 硬件選型

綜合考慮液貨船上中控室和電控室環境、潛液泵工作環境、液貨危險等級等因素，對監測及預警系統進行硬件設計，主要包括工控機、PLC及傳感器的選型。

3.1.1 工控機配置

中控室內油氣環境安全，溫度變化范圍為-30℃～40℃，相對濕度為95%RH，大氣壓力正常，結合功能要求，本系統選用研華IPC-610F型號工控機。基本配置為酷睿2代處理器，320 G SATA硬盤，內存4 GB，Windows XP 系統，2 個支持 RS232、RS422、RS485的串口，具有防塵過濾網的86CFM風扇。

3.1.2 PLC選型

PLC為系統的核心部件，安裝在電控室內，工作環境與中控室相同。從I/O點數、存儲器容量、處理速度以及經濟性等方面考慮，本系統選用西門子公司S7-300 PLC，CPU模塊選用315CPU，根據監測和控制需要，擴展2個DI模塊和DO模塊、1個AI模塊和AO模塊，同時配備RS485通訊模塊，實現工控機和PLC兩者的通訊。因為工控機位于船首中控室，而PLC位于船尾電控室，兩者距離約為250 m，遠超過RS232通訊方式中對距離小于15 m的要求，所以此處選擇抗干擾能力強并且適于長距離通訊的RS485方式。

3.1.3 傳感器選型

監測方案中部分監測參數從液貨船中控系統獲取，其余參數則需要設置相應的傳感器獲取，涉及到壓力、流量等類型的傳感器。另一方面，貨油管路內部為0類危險區，對貨油管路設置傳感器，要求防暴等級必須為“Eexia IIC T6”，防護等級大于“IP66”[4]。綜合考慮以上因素，對傳感器進行選型，選型結果如表2所示。

表2 傳感器信息Tab.2 Sensors information

3.2 軟件實現

軟件是硬件之間的橋梁，工作人員依托軟件平臺能夠實現對潛液泵運行狀態的監測，同時能夠根據預警信息進行故障判斷。從系統功能及軟件產品的安全性和擴展性出發，本系統采用軟件設計中常用的客戶機和服務器 （C/S）這種結構，以Visual Studio 2010作為開發環境，采用C#語言，系統數據庫選擇Microsoft SQL Server 2005[5]。由圖2系統總體設計框架圖中軟件平臺部分可知，軟件平臺主要由數據采集、故障識別以及數據存儲3大模塊構成。

3.2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要功能是從傳感器及中控系統獲取各項監測數據，即工控機和PLC分別與中控系統之間的通訊功能。中控系統與工控機之間的通訊為液貨系統自帶功能不需要設計，這里設計PLC和工控機兩者間的通訊。

從數據傳輸量、傳輸速率以及開發難易程度的角度出發，PLC和工控機之間選擇MPI通訊協議，要實現這種通訊可以借助西門子公司PRODAVE 6.0提供的動態鏈接庫（DLL）內的相應函數。具體方法為首先需要在VS平臺中借助DllImport將W95-S7.DLL引入，然后通過調用DLL中的load_tool（）函數（建立連接）、new_ss（）函數（激活連接）、m_field_read 函數（數據讀取）、unload_tool（）函數（斷開連接）等函數，以此來實現通訊功能。

3.2.2 故障識別模塊

故障識別模塊主要功能是對潛液泵的工作狀態進行判斷。通過相關算法對采集到的監測數據進行處理和分析，例如潛液泵工作效率的計算；根據監測值與正常工況下的限值進行比較來識別是否為故障狀態[6]；若出現故障，及時預警，提醒工作人員進行維護和檢修；如未出現故障直接進入數據存儲模塊。故障識別模塊的軟件流程如圖3所示。

圖3 故障識別模塊運行流程圖Fig.3 Flow chart of fault identification module

3.2.3 數據存儲模塊

數據存儲模塊主要功能是對采集到的監測數據以及故障狀態信息進行物理保存，以此作為歷史信息查詢的數據依據。首先根據監測數據和部件信息繪制實體-聯系圖（E-R圖），以此來確定各數據之間的關系，然后分析數據類型，最后在Microsoft SQL Server 2005中利用語句建表這種快速、易于后期修改的方式建立數據表，通過以上步驟即可完成數據庫的建立。另外，選擇性的保留部分數據，對于不重要的運行數據設置失效性，保存周期為30 d。

4 功能驗證

在各硬件連接設置完成的基礎上，將編制好的軟件安裝到工控機，進行整個監測預警系統的功能驗證。在某次試驗中，人工將回油濾器的開關進行堵塞，測試系統是否進行故障預警，以及故障預警的準確性。試驗發現，回油濾器開關堵塞后，監測模塊能夠進行軸承磨損的故障預警，預警準確。對于密封監測和效率監測進行類似驗證，試驗結果顯示整個系統工作的穩定性和準確性都滿足要求。

5 結語

液貨船在海洋運輸業中占有越來越重要的地位，潛液泵作為液貨船中最為重要的工作單元之一，對其進行實時在線監測是十分必要的。潛液泵以及與其相關技術多被國外壟斷，我國還沒有掌握核心技術，進行自主研發的意義重大。本文提出的潛液泵監測及預警系統設計方案已經在某船用機械廠的潛液泵系統技術研究項目中通過試驗驗證，能夠實現在線實時監測和故障預警功能，為潛液泵監測及預警系統的設計提供了實際參考。

[1]LI Qiang，LI Jian-zhong.The constructiong and implementation of the expert system of whole set oil-immersed pump lectotype[J].Mechanical Engineer，2008（6）：101-103.

[2]鄭晶晶，張欽禮，王新民，等.充填管道系統失效模式與影響分析（FMEA）及失效影響模糊評估[J].中國安全科學學報，2009，19（6）：166-171.

[3]李明洋，胡連營，劉洪剛，等.太陽能-土壤源復合熱泵監控系統的設計[J].自動化與儀表，2015，30（2）：42-45，62.

[4]韓政，朱永勝.爆炸性氣體環境用電氣設備的選擇[J].電氣開關，2003（2）：28-32.

[5]楊慧杰.基于C#的雨水情監控系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2014，29（7）：65-68，76.

[6]方彥軍，董政呈.基于ARM-Linux的火電機組在線性能監測系統[J].自動化與儀表，2014，29（8）：1-4，8.