基于工業物聯網架構的壓縮機遠程在線監測與故障診斷平臺

郭梁柱，吳 勇，李麗雙

（1.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦長寧頁巖氣作業區，四川瀘州 646000；2.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100；3.大連圣力來監測技術有限公司，遼寧大連 116031）

1 引言

頁巖氣是近年來國家重點發展的新能源，國家發改委和國土資源部都表示支持頁巖氣綜合開發利用。在國民經濟快速發展的背景下，頁巖氣逐漸商業化。頁巖氣開采實現商業化，就要加大頁巖氣開采量，增加油田機械設備的數量。撬裝式往復壓縮機在頁巖氣開采中屬于關鍵機組，設備易損部件多，運動形式復雜、維護管理難度大。在中國頁巖氣開采的成本高，撬裝式往復式壓縮機在頁巖氣開采過程中起著舉足輕重的作用，撬裝式往復式壓縮機的狀態直接影響頁巖氣開采，所以撬裝式往復式壓縮機設備故障診斷和狀態監測的重要性逐漸突顯出來。

某公司研發出來的一款基于工業物聯網架構的壓縮機遠程在線監測與故障診斷平臺可以及時準確地掌握壓縮機的運行狀態，提前發現故障征兆，實現預知維修，避免事故的發生，減少非計劃的停機影響生產，保證設備的安全運行。

2 平臺設計

工業物聯網是指通過具有感知或監控能力的各類采集傳感器或控制器，以互聯網技術按約定的協議，將工業生產的各類設備與網絡相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化生產、監測、監控管理等功能。在工業物聯網應用中有三項關鍵技術，分別是感知層、網絡傳輸層和應用層。工業物聯網的應用具有實時性、自動化、嵌入式（軟件）、安全性、和信息互通互聯性等特點。

2.1 平臺結構

工業物聯網架構分為3個層次感知層、網絡傳輸層和應用層。本平臺以工業物聯網架構為基礎設計。

平臺總體架構見圖1，平臺結構包括場站層、企業管理層、云平臺層。平臺主要設備：在線式數據采集系統（簡稱OMS9000CR）、場站級數據庫、狀態監測及故障分析系統（簡稱DMS）、數據庫及狀態監測及故障分析系統（簡稱DMS9000CR），平臺的總體架構可通過遠程網絡化監測和企業專業動設備管理制度，實現對所監測機組健康安全狀態的掌控。

場站層對應工業物聯網架構感知層，主要包括OMS9000CR和各類傳感器，OMS9000CR是平臺的遠程數據采集終端，主要功能是完成對監測機組的振動數據采集、數據處理，具備數據的傳輸功能。

圖1 壓縮機遠程在線監測與故障診斷平臺架構

企業管理層對應工業物聯網架構網絡傳輸層，主要功能是接收對本場站內OMS9000CR所采集的原始數據及PLC通訊過來的機組工況參數數據，并進行自動存儲及管理，將采集的機組原始振動數據及工況參數數據同步到成都壓縮機廠遠程在線監測與故障診斷云平臺。企業相關的管理人員可實時查詢機組的振動數據和工藝參數據，及時掌握機組的健康狀態。

云平臺層對應工業物聯網架構應用層，主要平臺應用層，包括數據庫、故障分析模塊等。通過互聯網實現對機組實時監測及故障分析，實現異地實時管理機組運行、定期評估機組健康狀態。

2.2 平臺輸入監測信號

撬裝式往復壓縮機是集往復壓縮機、驅動電機及緩沖罐等各功能元件于一體的可整體遷移的壓縮機系統。由于運輸尺寸、重量和占地面積的限制，要求撬裝式往復壓縮機在設計時管道設備布置盡量緊湊。撬裝式往復壓縮機是通過曲軸將回轉運動轉換成往復運動，既有旋轉運動引起的振動，也有往復運動振動特征，同時吸、排氣流呈間歇性和周期性變化，活塞在慣性力和氣體力的作用下產生振動。絕大多數故障都會在振動方面有所反應，對振動信號進行分析可以絕大多數故障。

撬裝式往復壓縮機從反應故障征兆參數可以分兩類：一類是壓縮機的動力參數變化上，如機械缺陷引起的振動，驅動電機的電流等；另一類故障征兆表現在熱力參數上，如壓縮機進排氣溫度、壓力等熱力參數。因此平臺通過安裝振動傳感器獲取壓縮機動力參數和PLC通訊獲取機組熱力參數。

2.2.1 動力參數

（1）鍵相信號

鍵相信號是對機組振動監測及故障分析診斷的參考基準信號，振動分析的功能（如角度域分析圖、二維包絡預警等）需要鍵相信號作為基準。利用渦流式開關型傳感器，實現脈沖鍵相信號。

（2）加速度振動信號

在機組氣缸缸頭、中體、曲軸箱和電機軸承位置安裝加速度傳感器，獲取原始的振動信號，用于故障分析診斷（監測界面見圖2）。該信號和機組原配置的儀表振動信號不同，機組配置的儀表振動信號只能用于機組振動報警及聯鎖和趨勢分析，而平臺所包含的加速度振動信號不僅可以用于振動報警和趨勢分析，還可以調用基于原始振動信號的分析模塊，用于故障分析診斷，判斷氣閥、十字頭等機械故障。

2.2.2 熱力參數

機組熱力參數信號包括進排氣溫度、壓力，壓縮機軸瓦溫度、電機軸瓦溫度、電機電流電壓、電機相線溫度等。

通過DMS9000和PLC通訊，獲取機組各類熱力參數，平臺提供了和PLC相同界面的PID圖，工況參數、系統狀態等監測界面（圖3）。

圖2 機組振動監測界面

圖3 工藝參數監測界面

3 平臺特點

3.1 基于相位的角度域分析

基于相位的角度域振動分析是專門針對往復壓縮機振動特有的分析方法，它將往復壓縮機0～360°每轉自身的振動特征考慮其中（圖4）。監測系統將轉子一個旋轉周期的信號分為360°曲柄角，以鍵相信號為基準定義為0°。角度域分析可以檢測所有運動部件和氣閥故障，通過缸頭或十字頭振動的角度域分析，可以反映氣閥出的工作狀態，從而早期發現故障。

圖4 角度域分析

圖5 二維包絡預警

平臺提供基于相位分析的二維包絡預警分析模塊（圖5）。傳統的加速度振動報警方法是以振動的劣度大小為依據，報警門限一般是以最大沖擊信號的峰值作為報警門限，以避免誤報警。對于往復壓縮機運行特點，這種報警方法無法反應一個周期各角度的振動報警的情況，無法早期檢測故障。

二維包絡預警模塊的報警門限是根據每一度曲軸轉角設定相應的報警值，形成包絡形式的報警線。一個旋轉周期各角度位置的振動及發展情況，并據此設定包絡形式的報警門限（安全、報警、警告）。氣缸和曲軸振動可以在一個旋轉周期顯示，所有振動信息都對應0～360°的相位，實現對往復機可靠的監測，及早發現故障定位故障源。

3.2 結合工藝參數的多參數分析

平臺提供了工藝數據分析模塊，DMS通過MODBUS標準接口，實現了和PLC直接的通訊，信息交換。當壓縮機工況發生改變，平臺將同步獲取這些工藝參數數據，可以顯示DCS工藝參數數據的趨勢。平臺可以將溫度、壓力等多個工藝參數直觀動態反應在同一界面上，便于反應機組的生產運行狀（圖6）。

通過監測壓縮機的進排氣溫度、進排氣壓力、主軸承溫度等工藝參數信息，可以有效地監測機組運行狀態及生產過程，為查找有關部件的故障提供有用的信息，但對故障點缺乏準確性和預見性。

3.3 工況參數趨勢和振動趨勢相結合的關聯性分析

對于機組的工作狀態監控是生產過程控制、生產過程故障監測、機組機械狀態及故障診斷的全方位監控，這就需要將監測系統反映的機組振動狀態和機組生產過程參數相結合。

以往的監測系統只監測機組的振動信號，而沒有機組運行的工藝參數信息，一旦機組出現因工況變化而引起振動異常時，只通過監測振動信息無法準確判斷，這就需要到儀表控制室查看DCS工藝參數來確定。針對這一點，平臺將機組振動信號分析和工藝參數信號分析相結合，振動信號的分析可以實現對故障點的準確判斷和預見性，而工藝參數又為故障診斷提供有用的相關信息，這一點不同于DCS里儀表振動信號和工藝參數信號的趨勢分析。

平臺實現了機組當前的振動、溫度、壓力等工藝參數直觀動態反應在同一界面上，監測機組的生產和健康狀態，實現了對機組生產和本身健康狀態實時監測（圖7）。

4 應用案例

某公司201H7的DTY500壓縮機的狀態監測已經納入到本平臺，實現對該機組狀態的長期監測。

圖6 多參數趨勢分析

圖7 振動信號和工藝參數多參數監測界面及趨勢分析

某公司地理位置處于山地，場地受限，寬闊平坦場地十分有限，使用傳統的天然氣集輸設備安裝施工很不方便，因此采用撬裝式往復壓縮機。DTY500是某公司生產的一種撬裝式往復壓縮機，機組型號4CFA，二級壓縮4缸4列，進氣壓力0.8～3.0 MPa，排氣壓力4～7 MPa，進氣溫度40 ℃，排氣溫度≤150 ℃。

機組2019年9月份以來，機組G3GT（缸頭振動）和G3SZ（十字頭振動）加速度振動趨勢出現異常波動（圖8），G3SZ振動有明顯的上升趨勢，通過時域波形分析顯示振動波形出現嚴重的偏置的現象（圖9），對于設備管理人員和操作人員需要考慮機組是不是存在異常狀態，機組是否能正常運行。

利用平臺進行遠程的在線監測分析：通過對比歷史振動數據和工藝參數數據趨勢，以及振動趨勢變化和工藝參數變化的關聯性，并同時對比時域波形變化，角度域中振動峰值變化和角度的變化，對往復壓縮機進行綜合性的分析，排除工況變化和機組本身故障引起的異常振動，而是加速度傳感器及安裝的問題引起的異常振動信號，10月22日現場調整傳感器和安裝，異常的振動信號消失，恢復正常狀態（圖10）。

該機組狀態監測系統納入到本平臺投入使用后，實現了遠程對機組狀態監測，大大提高了對機組狀態的掌握，取得了顯著效果。

圖8 機組G3GT（缸頭振動）和G3SZ（十字頭振動）趨勢

圖9 調整加速度傳感器之前振動信號

5 結語

壓縮機遠程在線監測與故障診斷平臺對壓縮機組長年進行狀態監測，滿足遠程專家對現場機組的運行狀態進行實時監測、故障分析及診斷的需求，針對往復壓縮機的特點，將基于相位的角度域分析和專業化多參數分析方法融入到平臺里。通過結合實際案例實現了故障診斷和預判，證明了在線狀態監測與故障診斷系統的必要性和充分性。壓縮機遠程在線監測與故障診斷平臺為頁巖氣安全生產提供了有力的技術支持，取得了良好的使用效果。

圖10 調整加速度傳感器之前振動信號