輸油泵在線監測手機APP 設計與開發

林渝鈞 劉 勇 趙勝生

（中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 北京 102249)

0 引言[1]

輸油泵機組具有功率大、揚程高、流量大、結構復雜等特點，因此在設計、制造、安裝、檢修、運行等環節稍有不當，都會導致設施在運行時產生各種故障，甚至造成設備損壞、油品泄漏、人員傷亡等重大事故，導致油氣正常運輸受到阻礙，產生龐大的經濟損失和嚴重的社會影響。當前，我國許多輸油站關于現代化的實時監測方面手段還不夠完備，雖然輸油泵狀態監測與故障分析系統部分得到應用，不過由于其不具有便攜性，一旦無人實時觀測，就會存在引發電機、泵軸損壞、軸承過熱、泵體高頻振動等系統故障的風險，而手機APP 的應用降低了這方面的風險，能夠隨時隨地地對輸油泵狀態進行監測，大大降低了人力成本。因此，開發移動端的輸油泵狀態監測與故障診斷系統對石油管道輸送行業有著重大的意義。

1 輸油泵狀態監測與故障分析系統的研究現狀[2]

設備故障診斷技術是20 世紀60 年代發展起來的一項新技術。21 世紀以來，我國對輸油泵狀態監測與故障分析系統的研究主要基于輸油泵機組故障診斷理論，利用大數據分析技術，以保障主輸泵機組安全、平穩、長周期運行為任務，并實現以下目標：

（1）通過研究輸油泵狀態監測及多源異構數據存儲與有效獲取技術，開發主輸泵實時監測系統，采用基于OPC通訊協議實現多源異構數據自適應監測、高速傳輸、實時處理與有效存儲，同時滿足泵機組設備的事故記錄功能。

（2）通過研究早期故障實時診斷與預測技術，設計開發輸油泵智能診斷系統，準確地檢測出故障信息，并得出故障所在部位、故障原因以及發展趨勢，同時實現跨平臺遠程監測功能。

（3）通過研究微弱故障預測技術，建立微弱故障的全方位故障知識圖譜，開展微弱故障漸變趨勢研究，最終實現微弱故障的實時在線診斷與劣變趨勢預測，實現主輸泵健康狀態預測，降低企業設備維護維修成本。

目前，我國大型設備監測和診斷技術還處于起步階段。在石油化工、電力、冶金等行業，基本電力設備的常規維修和定期保養占主導地位，仍缺乏遠程控制和故障分析系統。但是，僅僅有常規維修和保養是難以實現預防目的的。

2 系統總體設計

2.1 軟件主體功能設計

輸油泵機組在線監測診斷與預測維護系統軟件采用三層架構，即：表現層(用戶界面)、業務邏輯層(數據分析與處理)和數據訪問層(數據采集及存儲)。軟件系統按照模塊化進行設計，主要功能包括信號在線監測、智能診斷、預測維護、歷史趨勢、設備信息、參數設置及手機APP。軟件框架如圖1。

2.2 軟件功能詳細設計

軟件界面是簡化PC 輸油泵機組監測系統的人機交互部分，主要功能模塊包括在線監測、故障診斷、歷史趨勢、報告查詢和用戶管理五個模塊。[3-4]

圖1 軟件框架圖

界面分為主窗口菜單欄，工具欄，和導航欄，繼承關系上是子窗體和主窗體的關系。所有的功能均包含在菜單欄中，菜單欄中首要功能是測點導航，其次是全貌圖，即系統的主體界面。數據分析功能是菜單欄的第三大部分，其中包括了前面診斷方法中提及的所有功能，操作時可根據具體的設備類型選擇相應的信號分析方法。實現高級信號分析和自動故障診斷的效果。

（1）在線監測界面。在線監測界面主要可實現以下功能：①信號采集與實時監測：輸油泵的振動信號、溫度信號及轉速信號是通過安裝在機組轉軸測點上的壓電式加速度傳感器、熱電阻式溫度傳感器及鍵相傳感器進行實時采集，采集到的數據由信號線傳輸至二次監測保護表。二次監測保護儀表對數據進行數字化采樣和調理濾波等處理，然后通過網線傳輸至現場的1#光纖交換機。光纖交換機主要是把電信號轉化為光信號，并以光纖的形式將數據長距離傳輸到位于站場控制室里的2#光纖交換機。2#光纖交換機將光信號還原為電信號后通過網線傳輸至工作站，并對信號進一步處理，實現對輸油泵的實時監控；②信號趨勢顯示：點擊輸油泵圖片上的各測點即可查看相應測點的信號趨勢情況。

（2）歷史趨勢。歷史趨勢模塊用于管理過去收集的設備狀態信息。通過該模塊可以實現設備各個測點歷史數據的查詢管理，獲得設備歷史異常數據和歷史正常數據，便于技術人員判斷設備運行狀態。該模塊按時間維度分為日趨勢、月趨勢和年趨勢查看。

（3）故障診斷。故障診斷接口通過傳感器采集設備運行數據，運行設施的系統故障特征提取和故障形式辨認，依照數據剖析設施狀態，提早預測系統故障的產生，減低和消去潛在的計劃外停機。預測維修能有效地預測設施的系統故障概率和應用壽命。通過整合系統的相關數據，可以進行資源信息維護、可維護性分析和預測維護策略。

（4）報告查詢。報告查詢結果以綜合診斷報告的形式呈現。內容包括設備信息、測點狀態、故障診斷、狀態評價、預測報告及檢修建議。

（5）用戶管理。用戶管理功能是將用戶的數據保存在軟件的數據庫中，當監測系統監測到設備狀態出現異常時，會由后臺向手機APP 發送故障報警信號，維修人員可通過個人賬戶登錄APP，查看設備的故障診斷報告和故障解決方案。

上站維修時，需要先使用手機APP 進行故障的輸入后，方可維修，該故障原因和處理方法可人工上傳至故障報警數據庫，記錄故障的解決方案和診斷的準確率。

3 關鍵技術

3.1 輸油泵狀態監測與故障診斷系統[5]

對輸油泵機組進行故障診斷的方法很多，如包絡解調分析、時域分析、小波分析等。

（1）包絡解調分析，輸油泵機組的失效會引起周期性的沖擊振動，而沖擊力、物理減震和質量對振動時間有決定性的影響。包絡解調分析法能夠識別振動源的位置，從而可以進行精確的診斷。

（2）時域分析。時域分析法通常用利用波形指數、偏斜度、平均值、峰度、分布密度、脈沖指數和峰值等一系列時域參數來估計輸油泵的振動水平。

（3）小波分析。在進行狀態監測時，一般采用比較靈活的小波分析法對監測的信息進行整理，小波分析法能夠有效的分析非平穩信號和突變信號，保障輸油泵機組監測工作能夠高效可靠的進行。

3.2 云開發技術

通過微信小程序的云數據庫存儲測點參數，然后結合云函數進行數據庫數據的處理將它顯示到前端，應用云開發有效解決了小程序以前必須使用https 協議開發的問題。

微信應用程序的JavaScript 可以在NWJS 中運行，合并瀏覽器和Node.js，實現跨平臺的應用開發。此外，Node.js 訪問系統本地應用編程接口的能力被用來開發跨平臺的應用。

4 系統測試

主界面是用戶訪問小程序功能的平臺，輸油泵在線監測小程序的界面如圖2 所示，包括實時監測、歷史趨勢、診斷報告和用戶管理四個模塊?！皩崟r監測”和“歷史趨勢”兩個功能在主界面的上半部分，方便用戶對輸油泵機組的監測和對其歷史趨勢的分析，“診斷報告”和“用戶管理”功能在主界面下半部分，主要用于用戶對輸油泵機組信息的記錄和用戶信息的管理。

圖2 主界面部分

（1）實時監測。點擊主界面“實時監測”進入輸油泵機組工作狀態的界面。界面直接顯示出驅動電機和對應輸油泵的實時數據信息，并且判斷在此數據下工作的輸油泵機組的設備狀態是否安全。綠字數據即是正常工作狀態，紅字數據即是異常工作狀態。實時監測功能讓用戶直接了解到輸油泵機組的工作狀態并可以給出準確的異常設備的信息。

（2）歷史趨勢。“歷史趨勢”提供輸油泵機組工作狀態趨勢圖。用戶可選擇任意一臺設備的任何一段時間，通過顯示數據調出歷史趨勢圖，進而可了解設備在改時間段內工作狀態。

在輸油泵運行期間，每個部件將根據不同的工作條件顯示不同的特征頻率。頻譜分析是設備診斷中常用的方法，常用頻譜有幅值譜功率譜。頻譜分析就是將各種頻率信號分解開，以便識別振源。某油庫輸油泵機組前端發生異樣振動，瞬時振動位移達到120 m，系統判定故障為軸承錯位。從時域和頻譜分析數據庫中存儲的數據以及波形圖和時域參數可以看出，泵前端的振動頻率明顯高于其他部分，波形圖混亂。然而，僅觀察時域參數和波形圖仍無法精準確定系統故障緣由，需要進行進一步的分析。由功率圖出現了2 倍頻，三倍頻可知，故障為種子對中不良。將種子進行對中維修后檢測輸油泵振動恢復正常。[6]

（3）診斷報告。用戶在對輸油泵機組設備進行診斷檢測時，診斷結果通過診斷報告的形式呈現。點擊診斷報告出現界面，用戶在此可查詢設備的診斷報告。診斷報告記錄各設備的基本信息、狀態信息、故障診斷以及狀態評價和預計報告，在報告最后用戶可給出相應的檢修建議。[7]

（4）用戶管理。系統將用戶第一次錄入的信息進行保存，之后用戶可通過用戶管理功能對賬號密碼等信息進行修改。該功能主要用來保障用戶信息的安全性。

5 結束語

本文采用微信開發者工具和SQL 云數據庫，用Java 語言進行開發，設計并實現了信息系統的故障查詢小程序應用。測試表明，該故障查詢小程序在解決信息系統故障方面具有很強的實用性和實際應用價值。