李進(jìn)，熊振龍，李磊，李虎，任彥帥

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津300450）

0 引言

海洋石油平臺(tái)擁有眾多的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠運(yùn)行是保障海洋石油安全生產(chǎn)的重要因素之一。海洋石油平臺(tái)動(dòng)設(shè)備以機(jī)泵數(shù)量居多，多以注水泵、外輸泵等關(guān)鍵設(shè)備為代表。目前，海洋石油為提高設(shè)備設(shè)施完整性管理水平和智能油田建設(shè)，逐步推動(dòng)關(guān)鍵機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，保障設(shè)備可靠性、降低設(shè)備運(yùn)行維修成本。 隨著無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和海洋石油無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，采用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于海洋關(guān)鍵機(jī)泵，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修。

1 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 傳感器測(cè)點(diǎn)布置

海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵如外輸泵、注水泵多為電機(jī)-多級(jí)離心泵機(jī)組。 根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海上離心泵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝推薦作法》（SY/T7499-2020），設(shè)計(jì)多級(jí)離心泵傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

無(wú)線(xiàn)傳感器采用三軸向振動(dòng)加速度-溫度復(fù)合傳感器，圖1 所示能夠采集每個(gè)方向的振動(dòng)參數(shù)， 同時(shí)匹配溫度直接敏感地抓取軸承狀態(tài)變化。其中無(wú)線(xiàn)傳感器Z 軸為主軸，測(cè)量范圍達(dá)10 kHz，能夠滿(mǎn)足離心泵常見(jiàn)故障的特征頻率。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

由于海洋石油部分平臺(tái)已建設(shè)有線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 已安裝在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)服務(wù)器;另外海洋石油已建立企業(yè)級(jí)云服務(wù)器，可為專(zhuān)業(yè)信息系統(tǒng)提供技術(shù)服務(wù)。 鑒于以上情況，設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，滿(mǎn)足以上兩種情形的運(yùn)行和部署。

圖2 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和傳感器的連接和數(shù)據(jù)傳輸采用基于ZigBee 技術(shù)的通信采集。 由于ZigBee 具有多跳的特性， 能夠提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時(shí)又具有低功耗、短時(shí)延的優(yōu)良特性，效率得到明顯提高[1]。 而基于ZigBee 技術(shù)的傳輸形式適合海洋石油特殊環(huán)境，如交通不便、鋼結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)影響等等。 但是海洋石油擁有較低的網(wǎng)絡(luò)帶寬，本文中的研究針對(duì)低帶寬環(huán)境下的數(shù)據(jù)壓縮和優(yōu)化傳輸技術(shù)。

常規(guī)的有線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化主要是減少數(shù)據(jù)量、縮減存儲(chǔ)空間；而無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化更主要的目的是降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷并保障數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。 無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的速率的上限是無(wú)線(xiàn)信道容量，因此優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)部署并進(jìn)一步使任意兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信道容量滿(mǎn)足傳輸速率需求是提高無(wú)線(xiàn)傳輸可靠性、實(shí)時(shí)性的主要方式。

根據(jù)機(jī)組關(guān)鍵性的特點(diǎn)和海洋石油設(shè)備設(shè)施完整性管理的指導(dǎo)思想以及海洋石油網(wǎng)絡(luò)低帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，針對(duì)關(guān)鍵機(jī)組無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集傳輸策略采用常規(guī)2 小時(shí)采集一次，數(shù)據(jù)異常時(shí)加密采集， 保證設(shè)備異常數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整。而保障以上采集數(shù)據(jù)的策略的基礎(chǔ)依賴(lài)基于邊緣計(jì)算的智能化模型算法。

1.2 邊緣計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整抓取和智能化能力，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置基于邊緣計(jì)算的智能預(yù)警診斷模型。 文獻(xiàn)[3]提出MCECS-MEC 模型能有效降低過(guò)載、熱區(qū)、空洞效應(yīng)等對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，提高海上邊緣計(jì)算云邊智能協(xié)同服務(wù)效率和質(zhì)量。文獻(xiàn)[4]提出通過(guò)中心頻率帶通濾波器， 利用數(shù)字化濾波器傳遞函數(shù)，對(duì)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)定一種在邊緣計(jì)算端實(shí)現(xiàn)的方式，提高機(jī)械設(shè)備不平衡故障的判斷準(zhǔn)確率。

針對(duì)海洋石油無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾器的濾波，過(guò)濾噪聲信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。 在數(shù)據(jù)采集后，傳感器節(jié)點(diǎn)邊緣計(jì)算芯片會(huì)加載自動(dòng)學(xué)習(xí)已訓(xùn)練完畢的邊緣啟停機(jī)分析算法， 并實(shí)時(shí)分析機(jī)組當(dāng)前的啟停狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)量發(fā)送至云端進(jìn)行可視化及提醒。泵機(jī)啟停機(jī)算法以三軸振動(dòng)加速度每一軸的原始值為輸入量，以與之特征相匹配的多種泵機(jī)歷史啟停信息為訓(xùn)練數(shù)據(jù)， 使用模型進(jìn)行迭代訓(xùn)練，形成區(qū)分啟停的算法，快速判斷啟停狀態(tài)。

在啟停機(jī)分析算法判定泵機(jī)處在運(yùn)行狀態(tài)后，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法加長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法聯(lián)立建模的方式開(kāi)展智能預(yù)警診斷，在異常檢測(cè)算法中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸出上建立分支，當(dāng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取出特征后，讓特征進(jìn)入一個(gè)誤差逆向傳播前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異常原因的分類(lèi)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

海洋石油平臺(tái)某注水泵機(jī)組安裝無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用企業(yè)云服務(wù)器部署系統(tǒng)。 該機(jī)組電機(jī)驅(qū)動(dòng)端于2021年8月8日振動(dòng)加速度值超出報(bào)警值，達(dá)到110.10 m/s2，如圖3 所示，系統(tǒng)提示報(bào)警；時(shí)域波形沖擊幅值較高，包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)明顯的軸承缺陷頻率及其諧波，見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度趨勢(shì)圖

圖4 注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度時(shí)域波形圖

圖5 注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)譜

平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)收到報(bào)警信息，第一時(shí)間更換了電機(jī)驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端軸承。 于2021年10月16日更換完成。 重新啟機(jī)運(yùn)行后，機(jī)組整體振動(dòng)幅值均在正常范圍內(nèi)，頻譜中無(wú)異常頻率；電機(jī)兩端振動(dòng)幅值均在正常范圍內(nèi)， 特別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度幅值較之前有明顯下降 （由原來(lái)的120 mm/s2左右下降為20 mm/s2左右），目前幅值在正常范圍內(nèi)，趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，見(jiàn)圖6 所示，機(jī)組狀態(tài)為運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖6 維修后注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端變化趨勢(shì)

3 總結(jié)

針對(duì)海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵， 建立基于ZigBee和振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)某注水泵。 經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，海洋石油機(jī)泵無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分析和診斷評(píng)估，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)管理人員開(kāi)展檢修管理。