林渝鈞 劉 勇 趙勝生

（中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，因此在設(shè)計、制造、安裝、檢修、運行等環(huán)節(jié)稍有不當，都會導(dǎo)致設(shè)施在運行時產(chǎn)生各種故障，甚至造成設(shè)備損壞、油品泄漏、人員傷亡等重大事故，導(dǎo)致油氣正常運輸受到阻礙，產(chǎn)生龐大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。當前，我國許多輸油站關(guān)于現(xiàn)代化的實時監(jiān)測方面手段還不夠完備，雖然輸油泵狀態(tài)監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)部分得到應(yīng)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(fā)電機、泵軸損壞、軸承過熱、泵體高頻振動等系統(tǒng)故障的風(fēng)險，而手機APP 的應(yīng)用降低了這方面的風(fēng)險，能夠隨時隨地地對輸油泵狀態(tài)進行監(jiān)測，大大降低了人力成本。因此，開發(fā)移動端的輸油泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)對石油管道輸送行業(yè)有著重大的意義。

1 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[2]

設(shè)備故障診斷技術(shù)是20 世紀60 年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。21 世紀以來，我國對輸油泵狀態(tài)監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)的研究主要基于輸油泵機組故障診斷理論，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以保障主輸泵機組安全、平穩(wěn)、長周期運行為任務(wù)，并實現(xiàn)以下目標：

（1）通過研究輸油泵狀態(tài)監(jiān)測及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲與有效獲取技術(shù)，開發(fā)主輸泵實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于OPC通訊協(xié)議實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)自適應(yīng)監(jiān)測、高速傳輸、實時處理與有效存儲，同時滿足泵機組設(shè)備的事故記錄功能。

（2）通過研究早期故障實時診斷與預(yù)測技術(shù)，設(shè)計開發(fā)輸油泵智能診斷系統(tǒng)，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(fā)展趨勢，同時實現(xiàn)跨平臺遠程監(jiān)測功能。

（3）通過研究微弱故障預(yù)測技術(shù)，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(xiàn)微弱故障的實時在線診斷與劣變趨勢預(yù)測，實現(xiàn)主輸泵健康狀態(tài)預(yù)測，降低企業(yè)設(shè)備維護維修成本。

目前，我國大型設(shè)備監(jiān)測和診斷技術(shù)還處于起步階段。在石油化工、電力、冶金等行業(yè)，基本電力設(shè)備的常規(guī)維修和定期保養(yǎng)占主導(dǎo)地位，仍缺乏遠程控制和故障分析系統(tǒng)。但是，僅僅有常規(guī)維修和保養(yǎng)是難以實現(xiàn)預(yù)防目的的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 軟件主體功能設(shè)計

輸油泵機組在線監(jiān)測診斷與預(yù)測維護系統(tǒng)軟件采用三層架構(gòu)，即：表現(xiàn)層(用戶界面)、業(yè)務(wù)邏輯層(數(shù)據(jù)分析與處理)和數(shù)據(jù)訪問層(數(shù)據(jù)采集及存儲)。軟件系統(tǒng)按照模塊化進行設(shè)計，主要功能包括信號在線監(jiān)測、智能診斷、預(yù)測維護、歷史趨勢、設(shè)備信息、參數(shù)設(shè)置及手機APP。軟件框架如圖1。

2.2 軟件功能詳細設(shè)計

軟件界面是簡化PC 輸油泵機組監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互部分，主要功能模塊包括在線監(jiān)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(dǎo)航欄，繼承關(guān)系上是子窗體和主窗體的關(guān)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(dǎo)航，其次是全貌圖，即系統(tǒng)的主體界面。數(shù)據(jù)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(jù)具體的設(shè)備類型選擇相應(yīng)的信號分析方法。實現(xiàn)高級信號分析和自動故障診斷的效果。

（1）在線監(jiān)測界面。在線監(jiān)測界面主要可實現(xiàn)以下功能：①信號采集與實時監(jiān)測：輸油泵的振動信號、溫度信號及轉(zhuǎn)速信號是通過安裝在機組轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)由信號線傳輸至二次監(jiān)測保護表。二次監(jiān)測保護儀表對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化采樣和調(diào)理濾波等處理，然后通過網(wǎng)線傳輸至現(xiàn)場的1#光纖交換機。光纖交換機主要是把電信號轉(zhuǎn)化為光信號，并以光纖的形式將數(shù)據(jù)長距離傳輸?shù)轿挥谡緢隹刂剖依锏?#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(wǎng)線傳輸至工作站，并對信號進一步處理，實現(xiàn)對輸油泵的實時監(jiān)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(yīng)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(shè)備狀態(tài)信息。通過該模塊可以實現(xiàn)設(shè)備各個測點歷史數(shù)據(jù)的查詢管理，獲得設(shè)備歷史異常數(shù)據(jù)和歷史正常數(shù)據(jù)，便于技術(shù)人員判斷設(shè)備運行狀態(tài)。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(shè)備運行數(shù)據(jù)，運行設(shè)施的系統(tǒng)故障特征提取和故障形式辨認，依照數(shù)據(jù)剖析設(shè)施狀態(tài)，提早預(yù)測系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，減低和消去潛在的計劃外停機。預(yù)測維修能有效地預(yù)測設(shè)施的系統(tǒng)故障概率和應(yīng)用壽命。通過整合系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以進行資源信息維護、可維護性分析和預(yù)測維護策略。

（4）報告查詢。報告查詢結(jié)果以綜合診斷報告的形式呈現(xiàn)。內(nèi)容包括設(shè)備信息、測點狀態(tài)、故障診斷、狀態(tài)評價、預(yù)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(shù)據(jù)保存在軟件的數(shù)據(jù)庫中，當監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，會由后臺向手機APP 發(fā)送故障報警信號，維修人員可通過個人賬戶登錄APP，查看設(shè)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(shù)據(jù)庫，記錄故障的解決方案和診斷的準確率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[5]

對輸油泵機組進行故障診斷的方法很多，如包絡(luò)解調(diào)分析、時域分析、小波分析等。

（1）包絡(luò)解調(diào)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(zhì)量對振動時間有決定性的影響。包絡(luò)解調(diào)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(shù)、偏斜度、平均值、峰度、分布密度、脈沖指數(shù)和峰值等一系列時域參數(shù)來估計輸油泵的振動水平。

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

3.2 云開發(fā)技術(shù)

通過微信小程序的云數(shù)據(jù)庫存儲測點參數(shù)，然后結(jié)合云函數(shù)進行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的處理將它顯示到前端，應(yīng)用云開發(fā)有效解決了小程序以前必須使用https 協(xié)議開發(fā)的問題。

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

4 系統(tǒng)測試

主界面是用戶訪問小程序功能的平臺，輸油泵在線監(jiān)測小程序的界面如圖2 所示，包括實時監(jiān)測、歷史趨勢、診斷報告和用戶管理四個模塊?！皩崟r監(jiān)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(jiān)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(jiān)測。點擊主界面“實時監(jiān)測”進入輸油泵機組工作狀態(tài)的界面。界面直接顯示出驅(qū)動電機和對應(yīng)輸油泵的實時數(shù)據(jù)信息，并且判斷在此數(shù)據(jù)下工作的輸油泵機組的設(shè)備狀態(tài)是否安全。綠字數(shù)據(jù)即是正常工作狀態(tài)，紅字數(shù)據(jù)即是異常工作狀態(tài)。實時監(jiān)測功能讓用戶直接了解到輸油泵機組的工作狀態(tài)并可以給出準確的異常設(shè)備的信息。

（2）歷史趨勢?！皻v史趨勢”提供輸油泵機組工作狀態(tài)趨勢圖。用戶可選擇任意一臺設(shè)備的任何一段時間，通過顯示數(shù)據(jù)調(diào)出歷史趨勢圖，進而可了解設(shè)備在改時間段內(nèi)工作狀態(tài)。

在輸油泵運行期間，每個部件將根據(jù)不同的工作條件顯示不同的特征頻率。頻譜分析是設(shè)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(fā)生異樣振動，瞬時振動位移達到120 m，系統(tǒng)判定故障為軸承錯位。從時域和頻譜分析數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)以及波形圖和時域參數(shù)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(shù)和波形圖仍無法精準確定系統(tǒng)故障緣由，需要進行進一步的分析。由功率圖出現(xiàn)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(fù)正常。[6]

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

（4）用戶管理。系統(tǒng)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(jié)束語

本文采用微信開發(fā)者工具和SQL 云數(shù)據(jù)庫，用Java 語言進行開發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了信息系統(tǒng)的故障查詢小程序應(yīng)用。測試表明，該故障查詢小程序在解決信息系統(tǒng)故障方面具有很強的實用性和實際應(yīng)用價值。