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(nèi)的液貨向外部輸送，它主要應(yīng)用在FPSO（浮式生產(chǎn)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(tài)的優(yōu)良決定著液貨外輸?shù)男始鞍踩阅堋Ｒ虼?，有必要建立一套潛液泵的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，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(jiān)測及故障預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)對潛液泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測以及故障預(yù)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)各組成部分潛在的失效模式、原因、后果及現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要的故障模式，為設(shè)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(fù)雜，工作環(huán)境特殊，在工作中存在許多潛在的故障風險，一旦出現(xiàn)故障，整個液貨卸載系統(tǒng)都將受到較大影響。因此，本文采用FMEA法，系統(tǒng)地分析潛液泵內(nèi)各組成部件可能出現(xiàn)的失效模式，分析故障產(chǎn)生的原因和失效后果，然后按照各種故障發(fā)生的致命度進行排序，得出表1所示的FMEA分析結(jié)果。此分析結(jié)果為潛液泵監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的重要設(shè)計依據(jù)。

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(jiān)測方案

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

2.1 潛液泵密封監(jiān)測

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

2.2 軸承磨損監(jiān)測

潛液泵的軸承發(fā)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(jiān)測，當回油濾器阻塞開關(guān)報警時，說明潛液泵驅(qū)動軸系有較大程度的磨損。

2.3 潛液泵效率監(jiān)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(shè)置任何帶電設(shè)備。根據(jù)FMEA分析結(jié)果，當液壓馬達柱塞發(fā)生磨損、泵頭葉輪出現(xiàn)氣蝕及摩擦環(huán)發(fā)生磨損時，都將導(dǎo)致潛液泵工作效率降低。所以采用效率監(jiān)測這種間接的方法對以上各故障進行監(jiān)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(jīng)潛液泵內(nèi)的液壓馬達所消耗的功率，計算公式為

式中：Py為調(diào)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(jù)式（6）中的未知量確定需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)，繪制出監(jiān)測點位示意圖，如圖1所示，圖中TP1監(jiān)測貨油流量 Q，m3/h；TP2監(jiān)測貨油出口壓力 PM，kPa；TP3 監(jiān)測調(diào)速閥出口壓力 Py，105Pa；TP4 監(jiān)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(jiān)測點位示意圖Fig.1 Monitoring sites schematic

3 系統(tǒng)設(shè)計

潛液泵監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)主要包括硬件平臺和軟件平臺。硬件平臺主要功能是設(shè)置各類傳感器以及通過液貨船中控系統(tǒng)對危險部位進行監(jiān)測，利用PLC對監(jiān)測信號進行處理及通訊，工控機為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲以及系統(tǒng)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(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、分析以及存儲，實現(xiàn)實時監(jiān)測和故障預(yù)警的功能[3]。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)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(huán)境、潛液泵工作環(huán)境、液貨危險等級等因素，對監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)進行硬件設(shè)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(nèi)油氣環(huán)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(jié)合功能要求，本系統(tǒng)選用研華IPC-610F型號工控機?；九渲脼榭犷?代處理器，320 G SATA硬盤，內(nèi)存4 GB，Windows XP 系統(tǒng)，2 個支持 RS232、RS422、RS485的串口，具有防塵過濾網(wǎng)的86CFM風扇。

3.1.2 PLC選型

PLC為系統(tǒng)的核心部件，安裝在電控室內(nèi)，工作環(huán)境與中控室相同。從I/O點數(shù)、存儲器容量、處理速度以及經(jīng)濟性等方面考慮，本系統(tǒng)選用西門子公司S7-300 PLC，CPU模塊選用315CPU，根據(jù)監(jiān)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(xiàn)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(jiān)測方案中部分監(jiān)測參數(shù)從液貨船中控系統(tǒng)獲取，其余參數(shù)則需要設(shè)置相應(yīng)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(nèi)部為0類危險區(qū)，對貨油管路設(shè)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(jié)果如表2所示。

表2 傳感器信息Tab.2 Sensors information

3.2 軟件實現(xiàn)

軟件是硬件之間的橋梁，工作人員依托軟件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對潛液泵運行狀態(tài)的監(jiān)測，同時能夠根據(jù)預(yù)警信息進行故障判斷。從系統(tǒng)功能及軟件產(chǎn)品的安全性和擴展性出發(fā)，本系統(tǒng)采用軟件設(shè)計中常用的客戶機和服務(wù)器 （C/S）這種結(jié)構(gòu)，以Visual Studio 2010作為開發(fā)環(huán)境，采用C#語言，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選擇Microsoft SQL Server 2005[5]。由圖2系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖中軟件平臺部分可知，軟件平臺主要由數(shù)據(jù)采集、故障識別以及數(shù)據(jù)存儲3大模塊構(gòu)成。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是從傳感器及中控系統(tǒng)獲取各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，即工控機和PLC分別與中控系統(tǒng)之間的通訊功能。中控系統(tǒng)與工控機之間的通訊為液貨系統(tǒng)自帶功能不需要設(shè)計，這里設(shè)計PLC和工控機兩者間的通訊。

從數(shù)據(jù)傳輸量、傳輸速率以及開發(fā)難易程度的角度出發(fā)，PLC和工控機之間選擇MPI通訊協(xié)議，要實現(xiàn)這種通訊可以借助西門子公司PRODAVE 6.0提供的動態(tài)鏈接庫（DLL）內(nèi)的相應(yīng)函數(shù)。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(diào)用DLL中的load_tool（）函數(shù)（建立連接）、new_ss（）函數(shù)（激活連接）、m_field_read 函數(shù)（數(shù)據(jù)讀?。?、unload_tool（）函數(shù)（斷開連接）等函數(shù)，以此來實現(xiàn)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(tài)進行判斷。通過相關(guān)算法對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析，例如潛液泵工作效率的計算；根據(jù)監(jiān)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(tài)[6]；若出現(xiàn)故障，及時預(yù)警，提醒工作人員進行維護和檢修；如未出現(xiàn)故障直接進入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊主要功能是對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及故障狀態(tài)信息進行物理保存，以此作為歷史信息查詢的數(shù)據(jù)依據(jù)。首先根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和部件信息繪制實體-聯(lián)系圖（E-R圖），以此來確定各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，然后分析數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表，通過以上步驟即可完成數(shù)據(jù)庫的建立。另外，選擇性的保留部分數(shù)據(jù)，對于不重要的運行數(shù)據(jù)設(shè)置失效性，保存周期為30 d。

4 功能驗證

在各硬件連接設(shè)置完成的基礎(chǔ)上，將編制好的軟件安裝到工控機，進行整個監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能驗證。在某次試驗中，人工將回油濾器的開關(guān)進行堵塞，測試系統(tǒng)是否進行故障預(yù)警，以及故障預(yù)警的準確性。試驗發(fā)現(xiàn)，回油濾器開關(guān)堵塞后，監(jiān)測模塊能夠進行軸承磨損的故障預(yù)警，預(yù)警準確。對于密封監(jiān)測和效率監(jiān)測進行類似驗證，試驗結(jié)果顯示整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和準確性都滿足要求。

5 結(jié)語

液貨船在海洋運輸業(yè)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(jiān)測是十分必要的。潛液泵以及與其相關(guān)技術(shù)多被國外壟斷，我國還沒有掌握核心技術(shù)，進行自主研發(fā)的意義重大。本文提出的潛液泵監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案已經(jīng)在某船用機械廠的潛液泵系統(tǒng)技術(shù)研究項目中通過試驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實時監(jiān)測和故障預(yù)警功能，為潛液泵監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計提供了實際參考。

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