李 奕

（神華新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404）

往復(fù)式壓縮機(jī)是指通過(guò)氣缸內(nèi)柱塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使缸體容積周期變化并實(shí)現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機(jī)。某裝置超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)最高工作壓力為260MPa,該機(jī)組是裝置生產(chǎn)的核心設(shè)備,機(jī)組設(shè)備運(yùn)行正常與否關(guān)系到裝置的長(zhǎng)周期生產(chǎn)能力,所以機(jī)組需要應(yīng)用一種性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng),方可及時(shí)準(zhǔn)確地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

我廠采用德國(guó)博格諾斯公司開(kāi)發(fā)的Prognost-SILVER（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Prognost）系統(tǒng),作為狀態(tài)監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用在超高壓乙烯壓縮機(jī)組上,可以實(shí)時(shí)掌握機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài),通過(guò)實(shí)時(shí)記錄和分析壓縮機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù),為機(jī)組運(yùn)行提供有效的保護(hù)。

1 Prognost系統(tǒng)特點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件較多,包括氣缸、柱塞、曲柄機(jī)構(gòu)等,因柱塞活動(dòng)時(shí)的往復(fù)慣性力不易控制,所以具有受力不均衡、振動(dòng)較大等特點(diǎn)。因此,對(duì)曲柄機(jī)構(gòu)（包括曲軸、十字頭、連桿）的振動(dòng)、十字頭滑塊座溫度；氣缸振動(dòng)、壓力；柱塞跳動(dòng)、溫度等參數(shù)要求實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控,通過(guò)可視化軟件來(lái)查看機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況,才能掌握壓縮機(jī)運(yùn)行的規(guī)律。

Prognost系統(tǒng)是一種專(zhuān)注于往復(fù)式壓縮機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不只專(zhuān)注于機(jī)組本身信號(hào)的采集,還能對(duì)所采集的信號(hào)的特征進(jìn)行分析,從而為設(shè)備管理人員判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及故障提供決策,確保往復(fù)式壓縮機(jī)安全可靠運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的振動(dòng)、位移、壓力、溫度等信號(hào),通過(guò)硬接線傳輸?shù)絇rognost-SILver核心單元,Prognost-SILver核心單元通過(guò)卡件對(duì)來(lái)自傳感器的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行處理,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字的數(shù)據(jù),并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果診斷出異常信息,超出系統(tǒng)設(shè)定的限值,則診斷設(shè)備處于不安全狀態(tài),發(fā)送給安全控制器,再?gòu)陌踩刂破鱾魉屯C(jī)信號(hào)到安全儀表系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的保護(hù)。通過(guò)Prognost服務(wù)器單元,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)安全報(bào)警、聯(lián)鎖等參數(shù)設(shè)置及組態(tài)。通過(guò)置于控制室的Prognost監(jiān)控操作站,可以通過(guò)可視化軟件實(shí)時(shí)查看各運(yùn)行參數(shù),便于操作人員對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

因?yàn)槭诸^振動(dòng)、氣缸振動(dòng)對(duì)于監(jiān)測(cè)往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)極其重要,這是往復(fù)式壓縮機(jī)特有的振動(dòng)特性決定的。針對(duì)振動(dòng)信號(hào),Prognost系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)了分段振動(dòng)分析,即將曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的360°角細(xì)分成36個(gè)10°曲柄轉(zhuǎn)角,對(duì)每一個(gè)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的平均沖擊寬度進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)為了防止誤報(bào)警、誤聯(lián)鎖,采用了精確的分析評(píng)估振動(dòng)的信號(hào),用RMS（均方根）來(lái)處理36個(gè)振動(dòng)的信號(hào),作為振動(dòng)信號(hào)的有效值,來(lái)判斷壓縮機(jī)運(yùn)行的狀態(tài),這種振動(dòng)信號(hào)處理分析方式不僅考慮到了振幅,還考慮到了沖擊能量的變化。

2 Prognost系統(tǒng)組成

Prognost該系統(tǒng)主要由以下部分組成：（1）現(xiàn)場(chǎng)傳感器；（2）Prognost-SILver核心單元；（3）Prognost安全控制器；（4）Prognost服務(wù)器單元；（5）Prognost監(jiān)控操作站。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)傳感器

2.1.1 振動(dòng)探頭

通過(guò)加速度振動(dòng)探頭來(lái)對(duì)壓縮機(jī)十字頭振動(dòng)、氣缸振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在加速度計(jì)感受振動(dòng)時(shí),由彈簧壓緊在壓電元件上的重金屬質(zhì)量塊隨之振動(dòng),其方向與振動(dòng)加速度方向相反,產(chǎn)生一慣性力,其大小由F=ma決定。慣性力作用在壓電元件產(chǎn)生電荷,電荷量正比于慣性力,亦即與被測(cè)加速度成正比,經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出至Prognost系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)組十字頭振動(dòng)、氣缸振動(dòng)值的監(jiān)測(cè)。

2.1.2 位移探頭

通過(guò)電渦流探頭測(cè)量柱塞軸的跳動(dòng)量,探頭采用趨近電渦流原理,探頭由通有高頻信號(hào)的線圈構(gòu)成,被測(cè)軸金屬表面與探頭位置發(fā)生變化時(shí),形成的電渦流大小發(fā)生改變,使探頭內(nèi)高頻信號(hào)能量損失大小變化,這個(gè)變化信號(hào)通過(guò)前置器轉(zhuǎn)換成與位置變化相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送到系統(tǒng)中,來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)柱塞軸跳動(dòng)量的目的。

2.1.3 壓力傳感器與溫度探頭及其他探頭

通過(guò)壓力傳感器測(cè)量氣缸壓力,將測(cè)得的壓力變化轉(zhuǎn)換成4-20mA信號(hào)送入至系統(tǒng)中。通過(guò)熱電阻探頭測(cè)量氣缸溫度、十字頭滑塊溫度、電機(jī)溫度等。將測(cè)得的溫度信號(hào)通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA信號(hào)送至系統(tǒng)中。此外,還包括測(cè)量氣缸螺桿拉伸載荷的應(yīng)力環(huán)以及測(cè)量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速探頭,在此不一一贅述。

2.2 Prognost-SILver核心單元

Prognost-SILver核心單元是機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的中樞,能夠監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行狀況并提供保護(hù)。Prognost-SILver通過(guò)卡件對(duì)接收自傳感器的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字的數(shù)據(jù)。

以壓縮機(jī)十字頭振動(dòng)探頭為例,通過(guò)安裝在曲軸十字頭上的加速度振動(dòng)探頭來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)。來(lái)自振動(dòng)探頭的模擬信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)絇rognost-SILver的信號(hào)輸入端口。輸入端口將收集到的電壓信號(hào)再傳輸?shù)叫盘?hào)采集卡件（AI1）,系統(tǒng)最多可以配置17塊信號(hào)采集卡件,每塊卡件可以處理4個(gè)指定信號(hào)類(lèi)型的通道,總共可以處理68個(gè)本安全型輸入信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)。AI1卡件收到振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)并將其數(shù)字化。然后將數(shù)字信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)控制卡（DC1）,數(shù)據(jù)控制卡（DC1）負(fù)責(zé)接收17塊信號(hào)采集卡件送來(lái)的數(shù)字信號(hào),通過(guò)數(shù)據(jù)控制卡（DC1）的數(shù)據(jù)同步交換后,將數(shù)據(jù)送至設(shè)備保護(hù)卡（MP1）。設(shè)備保護(hù)卡（MP1）是一個(gè)帶保護(hù)算法的安全相關(guān)卡件。所有相連設(shè)備的安全分析都在設(shè)備保護(hù)卡（MP1）卡件中實(shí)現(xiàn),MP1卡件通過(guò)安全分析,如果判斷信號(hào)異常,則會(huì)發(fā)送狀態(tài)報(bào)告（報(bào)警/停機(jī)/不安全）的結(jié)果,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的FB1卡件傳送至安全控制器。

三種狀態(tài)報(bào)告：Prognost-SILver的運(yùn)行中,如果判斷信號(hào)異常,會(huì)根據(jù)情況生成三種不同類(lèi)型的狀態(tài)報(bào)告：（1）警告（ALERT）。（2）緊急停機(jī)（SHUTDOWN）。（3）不安全（UNSAFE）。

（1）警告（ALERT）

表明被監(jiān)控設(shè)備即將發(fā)生的故障。如果相關(guān)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的報(bào)警（ALERT）極限值,系統(tǒng)就會(huì)提示即將發(fā)生故障。故障的狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器。一旦再次檢測(cè)到正常運(yùn)行數(shù)值,Prognost-SILver中的ALERT（警告）狀態(tài)就會(huì)撤銷(xiāo)。

（2）停機(jī)（SHUTDOWN）

表明這個(gè)故障意味著被監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)該SHUTDOWN（緊急停機(jī)）。如果相關(guān)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的SHUTDOWN（緊急停機(jī)）極限值,就會(huì)提示馬上即將發(fā)生故障。這一故障狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器并且給出停機(jī)指令,將設(shè)備停機(jī)。一旦傳感器再次檢測(cè)到正常運(yùn)行數(shù)值,SHUTDOWN（緊急停機(jī)）狀態(tài)就會(huì)撤銷(xiāo)。故障狀態(tài)的撤銷(xiāo)僅僅發(fā)生在Prognost-SILver中。安全控制器仍然停留在故障狀態(tài)中,它的撤銷(xiāo)必須手動(dòng)確認(rèn)。

（3）不安全（UNSAFE）

當(dāng)出現(xiàn)影響到Prognost-SILver自身或測(cè)量回路的故障的時(shí)候,系統(tǒng)發(fā)送不安全（UNSAFE）狀態(tài)至安全控制器,這說(shuō)明某一個(gè)傳感器存在故障,會(huì)對(duì)其所監(jiān)測(cè)的設(shè)備生成UNSAFE（不安全）狀態(tài),而其他設(shè)備的狀態(tài)將保持在SAFE（安全）狀態(tài)。如果出現(xiàn)UNSAFE狀態(tài)24小時(shí),而未及時(shí)處理對(duì)應(yīng)的故障,Prognost-SILver系統(tǒng)將發(fā)出停機(jī)信號(hào)去機(jī)組。

2.3 安全控制器

系統(tǒng)采用西門(mén)子分布式I/O系統(tǒng)ET 200S作為安全控制器,安全控制器通過(guò)DC1卡件接收來(lái)自Prognost-SILver的安全狀態(tài)報(bào)告,然后這3種狀態(tài)報(bào)告（報(bào)警/停機(jī)/不安全）被分配到不同的繼電器輸出至安全儀表系統(tǒng)。

2.4 Prognost服務(wù)器單元

通過(guò)服務(wù)器單元,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)Prognost-SILver的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、歸檔、下載和上傳。通過(guò)服務(wù)器單元的程序,可以對(duì)Prognost-SILver的各項(xiàng)安全限值進(jìn)行組態(tài)。

2.5 Prognost監(jiān)控操作站

Prognost監(jiān)控操作站安裝有可視化的監(jiān)控軟件（VISU）,用戶通過(guò)VISU可以實(shí)時(shí)查看壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài),各傳感器的實(shí)時(shí)值,歷史及實(shí)時(shí)趨勢(shì)、各項(xiàng)報(bào)警、日志。并能夠通過(guò)VISU查看Prognost-SILver核心單元、Prognost服務(wù)器單元的運(yùn)行狀態(tài)。

3 應(yīng)用實(shí)例

某聚乙烯裝置超高壓壓縮機(jī)2B段氣缸振動(dòng)值VE12717在一段時(shí)間內(nèi)顯示偏高,在18m/s2左右,而其他段氣缸振動(dòng)通常在10m/s2左右。針對(duì)振動(dòng)信號(hào),Prognost系統(tǒng)可以進(jìn)行分段分析,監(jiān)測(cè)任一時(shí)間內(nèi),每個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的平均沖擊寬度情況。通過(guò)VISU查看2B段氣缸振動(dòng)VE12717與正常工作的2A段氣缸振動(dòng)VE12716的趨勢(shì),在同一時(shí)間段內(nèi)的振動(dòng)分段值（RMS value via 36 segment of degrees）,并進(jìn)行對(duì)比。

在往復(fù)壓縮機(jī)中,曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,帶動(dòng)柱塞在氣缸里作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí),柱塞運(yùn)動(dòng)至距離曲軸中心最遠(yuǎn)的位置稱(chēng)為上止點(diǎn),活塞運(yùn)動(dòng)至距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置,稱(chēng)為下止點(diǎn)。在Prognost系統(tǒng)中,上止點(diǎn)為第1分段,下止點(diǎn)為第19分段。

從VISU可以查看到,2B段VE12717的振動(dòng)分段值的第1至第11段值在25m/s2以上,比正常的VE12716偏高；第15至第36段大部分在10m/s2以下。而2A段VE12716的振動(dòng)分段值除第4段至第6段、第23段偏高外,其余段的振動(dòng)值基本在9m/s2以下。

也就是說(shuō),曲軸旋轉(zhuǎn)一圈,2B段VE12717在第1至第11段接收到的能量較大,在第15至第36段接收到的能量較小,即2B段氣缸開(kāi)始吸氣的過(guò)程中振動(dòng)探頭接收的能量較大,在壓縮、排氣過(guò)程中探頭接收的能量較小。

從圖1可以直觀看出,吸氣過(guò)程中波形較大,說(shuō)明振動(dòng)探頭接收能量較大。壓縮、排氣過(guò)程中波形較小,說(shuō)明振動(dòng)探頭接收能量較小。

圖1 非正常狀態(tài)下的VE12717復(fù)合趨勢(shì)圖

查看2B段其他壓力、溫度參數(shù)無(wú)異常,檢查VE12717儀表探頭、回路正常。所以初步分析判斷為設(shè)備原因,即氣缸工作不正常導(dǎo)致VE12717振動(dòng)值偏大。

利用停工檢修,拆檢氣缸進(jìn)行檢查無(wú)異常,對(duì)氣缸組合氣閥進(jìn)行更換。更換后,開(kāi)機(jī)運(yùn)行后查看2B段VE12717各分段值明顯降低,有效值在10m/s2左右。說(shuō)明之前對(duì)機(jī)組2B段氣缸振動(dòng)偏高的原因分析判斷是正確的。

從圖2可以看出,更換組合氣閥后,從上止點(diǎn)至下止點(diǎn)氣缸振動(dòng)接收到的沖擊能量明顯減小。

圖2 正常狀態(tài)下的VE12717復(fù)合趨勢(shì)圖

可以看到,針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)氣缸柱塞往復(fù)做功這一特性,Prognost系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),尤其是通過(guò)振動(dòng)信號(hào)值的分段分析的功能,并與其他監(jiān)測(cè)參數(shù)的趨勢(shì)綜合判斷,可以了解到壓縮機(jī)各部件的運(yùn)行狀態(tài),設(shè)備操作、管理人員可以通過(guò)可視化軟件直觀地查看各參數(shù),并進(jìn)行分析判斷。對(duì)機(jī)組運(yùn)行起到了故障判斷、監(jiān)測(cè)預(yù)防的作用。

從某裝置超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的這幾年使用情況來(lái)看,Prognost系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、分析、查詢功能多樣,維護(hù)量低等特點(diǎn)。顯著降低了儀表誤指示引起的壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn),有效提高了壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前,利用信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的各種機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)很成熟,這些系統(tǒng)與Prognost系統(tǒng)相比,在數(shù)據(jù)采集、信息處理、監(jiān)控分析方面的功能各有所長(zhǎng)。而Prognost系統(tǒng)專(zhuān)注于往復(fù)式壓縮機(jī),為往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新的選擇,對(duì)提高往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性,保證化工裝置長(zhǎng)周期平穩(wěn)生產(chǎn)具有一定的積極意義。