王群

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315000）

近年，預(yù)測性維護(hù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了示范應(yīng)用，其重要性逐漸深入人心。以設(shè)備狀態(tài)為依據(jù)，預(yù)測性維護(hù)對裝備進(jìn)行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，預(yù)測裝備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，并依據(jù)趨勢預(yù)先制定維護(hù)計(jì)劃，確定設(shè)備修理的時(shí)間、內(nèi)容、方式和必需的技術(shù)、物資支持。預(yù)測性維護(hù)是集狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動(dòng)于一體的一種新興的維護(hù)方式。

由于對使用的場地的要求和高昂的建設(shè)費(fèi)用，傳統(tǒng)的有線預(yù)測性維護(hù)體系具有很大的局限性。無線狀態(tài)監(jiān)測是使用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線傳輸?shù)臓顟B(tài)檢測技術(shù)，因其部署方便、成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，逐漸被工業(yè)界認(rèn)可。

1 無線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)簡介

無線監(jiān)測系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)監(jiān)測單元（傳感器）和智能無線監(jiān)測站（信號中轉(zhuǎn)裝置）完成對現(xiàn)場的監(jiān)測，通過無線WIFI、4G等無線數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用服務(wù)器中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的設(shè)備故障診斷。系統(tǒng)可劃分為3個(gè)層面：產(chǎn)品應(yīng)用感知層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層和診斷分析應(yīng)用層。

1.1 產(chǎn)品應(yīng)用感知層

智能無線監(jiān)測系統(tǒng)的感知層就是利用無線傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)泵運(yùn)行過程中的振動(dòng)、溫度等信號。對機(jī)泵群的智能監(jiān)測，就是對設(shè)備關(guān)鍵部位進(jìn)行選擇性監(jiān)測，如軸承座位置、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端位置。

1.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸存儲過程可簡要概括如下：無線傳感器采集機(jī)泵振動(dòng)的物理量信號后，通過高集成智能電路，完成物理量信號到模擬量信號再到數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換，然后基于Zigbee無線通訊協(xié)議，將信號傳輸?shù)綗o線通訊站中，無線通訊站接收到數(shù)據(jù)后，利用企業(yè)WIFI或4G網(wǎng)絡(luò)等傳送至安裝在現(xiàn)場或中控室的應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)，該服務(wù)器可以備份1～2年裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)，現(xiàn)場人員通過安裝在服務(wù)器內(nèi)的在線監(jiān)測系統(tǒng)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、分析判斷故障。

1.3 診斷分析應(yīng)用層

遠(yuǎn)程診斷是智慧裝備運(yùn)營的核心價(jià)值體現(xiàn)，該層面核心的組成部分是數(shù)據(jù)管理、分析綜合應(yīng)用平臺和遠(yuǎn)程診斷專家。相關(guān)診斷軟件提供了專家需要的數(shù)據(jù)分析、指標(biāo)分析等模塊，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的故障判定和現(xiàn)場維修指導(dǎo)。

圖1 鎮(zhèn)海煉化在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 無線泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)回路圖、DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測回路圖

2 鎮(zhèn)海煉化預(yù)測性維護(hù)方案設(shè)計(jì)

鎮(zhèn)海煉化無線泵群狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目分為煉油和化工兩個(gè)領(lǐng)域，共為1786臺設(shè)備提供泵群狀態(tài)監(jiān)測。鎮(zhèn)海煉化無線泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是通過在設(shè)備布置傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集振動(dòng)、溫度等信號。系統(tǒng)采用了4G網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域新型數(shù)據(jù)傳輸方式，建立起全無線泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，進(jìn)行處理和分析。該系統(tǒng)開發(fā)了多功能通訊站，將泵群數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合使用。延伸數(shù)據(jù)使用范圍，調(diào)動(dòng)外部專業(yè)力量做好機(jī)泵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷分析工作。同時(shí)，系統(tǒng)建立了機(jī)泵故障案例庫和泵群大數(shù)據(jù)庫，并對故障案例和大數(shù)據(jù)整理分析，進(jìn)而優(yōu)化采集策略和報(bào)警策略，最終實(shí)現(xiàn)智能診斷。統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

該泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在通訊站處數(shù)據(jù)分兩路傳輸（如圖2），一路通過RS-485接口MODBUS-RTU通訊協(xié)議引入DCS系統(tǒng)，與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合實(shí)時(shí)監(jiān)測回路；另一路通過鎮(zhèn)海煉化自建的4G網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)椒?wù)器，由服務(wù)器中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲、分析，即無線泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)回路。

2.1 無線泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)回路

泵群系統(tǒng)服務(wù)器通過多功能通訊站下達(dá)數(shù)據(jù)采集指令給無線傳感器。

無線傳感器按規(guī)定策略采集機(jī)泵設(shè)備的振動(dòng)、溫度等分析數(shù)據(jù)，通過自帶的zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上傳至多功能通訊站。

通訊站完成對數(shù)據(jù)的收集，再利用鎮(zhèn)海煉化公司自建的4G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至公司泵群系統(tǒng)服務(wù)器。

分析數(shù)據(jù)再由泵群系統(tǒng)服務(wù)器遠(yuǎn)傳到云服務(wù)器。

通過數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)分析，形成更加優(yōu)化的采集策略、報(bào)警策略和故障診斷策略，并在泵群系統(tǒng)服務(wù)器上更新。

多次循環(huán)往復(fù)，從而形成智能生態(tài)泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

這一路數(shù)據(jù)由管理人員和專業(yè)技術(shù)人員使用。該系統(tǒng)自帶報(bào)警功能，參數(shù)超過門限會自動(dòng)提醒管理人員處理。診斷工程師可以依據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成裝備狀態(tài)評估和故障診斷，為裝備檢修提供決策依據(jù)和檢修指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維修。

2.2 2DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測回路

多功能通訊站下達(dá)數(shù)據(jù)采集指令給無線傳感器。

無線傳感器采集機(jī)泵的振動(dòng)總值和溫度數(shù)值，振動(dòng)總值和溫度數(shù)值通過自帶的zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上傳至多功能通訊站。

振動(dòng)總值和溫度數(shù)值通過多功能通訊站接入DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)對機(jī)泵的工藝參數(shù)、密封參數(shù)和振動(dòng)溫度參數(shù)進(jìn)行整合集中監(jiān)控。

數(shù)據(jù)再利用原有的回路，由DCS系統(tǒng)上傳至PI，方便管理人員在辦公室查看分析數(shù)據(jù)。

當(dāng)所有的機(jī)泵均已列入泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后，EM系統(tǒng)每月的機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測月報(bào)將統(tǒng)一到PI系統(tǒng)自動(dòng)提取生成。并在EM系統(tǒng)與公司設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)集成。

這一路數(shù)據(jù)在DCS系統(tǒng)供裝置操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。參數(shù)超過門限值，發(fā)出聲光報(bào)警提醒盯表人員。在DCS系統(tǒng)對機(jī)泵的電氣參數(shù)、工藝參數(shù)、密封參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化整合顯示，方便操作人員監(jiān)盤。將優(yōu)化后的頁面引入PI系統(tǒng)，方便管理人員和技術(shù)人員瀏覽。當(dāng)所有的機(jī)泵設(shè)備均列入泵群狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后，可開啟EM系統(tǒng)自動(dòng)提取機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測月報(bào)的功能。

3 實(shí)施效果

自2019年7月無線泵群系統(tǒng)運(yùn)行至今，已監(jiān)測到機(jī)泵運(yùn)行異常525臺次，其中233次已通過現(xiàn)場調(diào)整、檢修等驗(yàn)證，其它異常機(jī)泵繼續(xù)監(jiān)控運(yùn)行中。通過實(shí)施預(yù)測性維護(hù)方案，公司的機(jī)泵機(jī)械密封壽命提高了27.6%，機(jī)泵軸承密封壽命提高了19.2%，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備非工作日搶修率下降了37.8%，維護(hù)方案取得了優(yōu)異的效果。以下通過兩個(gè)案例具體說明鎮(zhèn)海煉化預(yù)測性維護(hù)方案的實(shí)施效果。

3.1 泵設(shè)備軟腳案例

該案例選自鎮(zhèn)海煉化乙烯裂解的GA-216BX。由圖3所示，泵端測點(diǎn)速度振動(dòng)值自4月29日開始出現(xiàn)明顯上升。泵端速度頻譜中100Hz的電氣頻率能量為主導(dǎo)，且振動(dòng)值上升的主要原因也是100HZ上升導(dǎo)致，但泵端的100HZ特征是由電機(jī)傳遞過來，為電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙不均特征，電機(jī)狀態(tài)存在異常，加上泵端本身也存在一定的軟腳，最終導(dǎo)致泵端振動(dòng)值較大。監(jiān)測系統(tǒng)判定現(xiàn)場泵端存在軟腳現(xiàn)象。

圖3 劣化階段速度RMS指標(biāo)趨勢、頻譜圖

經(jīng)現(xiàn)場檢查，因?yàn)殡姍C(jī)底腳不平導(dǎo)致電機(jī)殼體存在變形，電機(jī)狀態(tài)不佳進(jìn)一步引起泵端振動(dòng)提升，泵端確實(shí)存在軟腳現(xiàn)象?，F(xiàn)場處理后泵端測點(diǎn)速度振動(dòng)值出現(xiàn)明顯回落，速度頻譜中100Hz的電氣頻率幅值下降明顯，現(xiàn)場檢修效果明顯。

3.2 風(fēng)機(jī)軸承故障案例

該案例來自乙烯裂解的GB-112風(fēng)機(jī)。如圖4所示，2019年7月11日到8月10日期間，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承發(fā)生早期點(diǎn)蝕，加速度RMS指標(biāo)有小幅波動(dòng)。8月10日到8月12日期間，該軸承發(fā)生第一次快速劣化，此時(shí)軸承發(fā)生了剝落，加速度RMS指標(biāo)快速上升。8月12日之后，軸承又經(jīng)歷了第二次緩慢劣化，加速度RMS指標(biāo)也隨之緩慢上升。隨著風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承的劣化，加速度波形呈現(xiàn)出沖擊逐漸清晰化，沖擊能量逐漸變大，同時(shí)其頻譜結(jié)構(gòu)和能量也發(fā)生變化。由于預(yù)測性維護(hù)方案較早地檢測出軸承故障，避免了故障的進(jìn)一步劣化。

8月22日凌晨1:41時(shí)，風(fēng)機(jī)自由端采樣值低頻加速度、高頻加速度和速度RMS指標(biāo)突發(fā)性上升，頻譜呈現(xiàn)軸承外圈損傷，系統(tǒng)報(bào)警。02:02時(shí)，自由端4H采樣值高頻和超高頻顯示幅值回落顯著。系統(tǒng)判斷風(fēng)機(jī)自由端軸承外圈損傷劣化，且振動(dòng)較大使傳感器松動(dòng)，后端損傷較為嚴(yán)重?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該機(jī)組軸承座被震碎，保持架發(fā)生斷裂（如圖5所示）。雖然突發(fā)性故障劣化過程較快，預(yù)測性維護(hù)體系不能完全避免設(shè)備故障的發(fā)生，但改體系仍然可以快速發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)反應(yīng)，避免事故的發(fā)生。

圖4 劣化階段加速度RMS指標(biāo)趨勢、頻譜圖

圖5 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承的點(diǎn)蝕、剝落、保持架斷裂、軸承座碎裂

無論在第一個(gè)案例中預(yù)測性維護(hù)表現(xiàn)出的對于故障的靈敏性，還是在第二個(gè)案例中智能檢測在部件長期劣化和突發(fā)性劣化的表現(xiàn)的對比，預(yù)測性維護(hù)的智能監(jiān)測方案較傳統(tǒng)維護(hù)方式都有很大的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

本文基于針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的預(yù)測性維護(hù)體系進(jìn)行了梳理，并詳細(xì)地闡述了基于4G無線傳輸和三層業(yè)務(wù)架構(gòu)的鎮(zhèn)海煉化預(yù)測性維護(hù)方案，最后選取2個(gè)實(shí)際生產(chǎn)中的故障案例及預(yù)防性維護(hù)實(shí)施效果證明鎮(zhèn)海煉化預(yù)測性維護(hù)方案的優(yōu)越性和有效性。

目前，利用基于振動(dòng)信號的預(yù)測性維護(hù)能夠有效地監(jiān)測泵群設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。未來，預(yù)測性維護(hù)可以使用包括振動(dòng)數(shù)據(jù)、工藝工況數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集，以及機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析手段，更準(zhǔn)確地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，進(jìn)一步提高預(yù)測性維護(hù)的效果。