何振岐 焦永峰 遠戰(zhàn)紅 黃佳富

（中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司 廣東惠州）

傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)需要在施工時大量布線，而且需要有合適的位置安裝數(shù)據(jù)采集單元（DAQ）及其接線盒，由此產(chǎn)生了大量的線纜采購及施工的成本。應用無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)無需布線，安裝簡單、施工成本低廉，能及時、可靠地采集到狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機泵群有效的狀態(tài)監(jiān)測。

一、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用，具有很強的抗干擾能力，超低能耗，實時通信。

圖1 無線HART的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

1.Wireless HART通信協(xié)議

無線HART是專門為過程測量和控制應用而設(shè)計的第一個開放的無線通信標準，作為HART7規(guī)范的一部分于2007年9月正式發(fā)布。無線HART協(xié)議是一種安全的基于TDMA（Time Division Multiple Access時分多址）的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine）頻段，采用直接序列擴頻技術(shù)（DSSS）和信道跳頻技術(shù)。

2.無線HART網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，每個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)包括3個主要部分。

（1）無線現(xiàn)場設(shè)備。具有內(nèi)置Wireless HART的設(shè)備，與工廠過程連接。如圖1中所示的無線傳感器。

（2）無線HART網(wǎng)關(guān)。使得這些現(xiàn)場設(shè)備能夠與連接現(xiàn)有工廠通信網(wǎng)絡(luò)的主機應用程序通信。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理器。負責配置網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度設(shè)備之間的通信、管理郵件路徑以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

同時，網(wǎng)絡(luò)中的每臺設(shè)備都可以作為其他設(shè)備消息的路由器。換句話說，1臺設(shè)備不必與網(wǎng)關(guān)直接通信，而只需將其消息轉(zhuǎn)發(fā)給下1臺最近的設(shè)備。這擴大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且提供冗余的通信路徑，以增加可靠性；同時，也可以根據(jù)實際情況增加中繼器（Router），以提高Wireless HART網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)延遲、效率和可靠性來確定冗余路徑。為了確保冗余路徑保持開放和通暢，信息不斷交替使用冗余路徑。因此，像因特網(wǎng)一樣，如果消息無法通過一條路徑到達其目的地，它會自動重新路由到已知良好的冗余路徑，而不會丟失數(shù)據(jù)。

二、SKF加速度包絡(luò)技術(shù)

加速度包絡(luò)技術(shù)亦稱包絡(luò)解調(diào)技術(shù)，是對低頻（通常為1kHz以內(nèi)））的沖擊所激起的高頻共振波形進行包絡(luò)解調(diào)和低通濾波即解調(diào)，獲得一個相對于原來低頻沖擊的而又被放大并且被擴展了的共振解調(diào)波。SKF加速度包絡(luò)技術(shù)原理（圖2）：當軸承某一元件出現(xiàn)局部損傷時，在受傷運行過程中要撞擊與之相互作用的其他元件表面，產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含軸承外圈、加速度傳感器甚至附加的電諧振器等的固有頻率，而激起這個測振系統(tǒng)的高頻固有振動。根據(jù)礦井機械的實際情況，選擇某一高頻固有振動作為研究對象，通過中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器，把該固有振動分離出來。然后，通過包絡(luò)解調(diào)，去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號，對這一信號進行分析，可診斷出軸承故障。由于這一技術(shù)采用了具有高頻響應特性的壓電加速度傳感器，放大（調(diào)制）、分離（帶通濾波）了故障特征信號，極大地提高了信噪比，因此能比較準確地診斷出滾動軸承的故障。

三、應用

1．無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案

圖2 加速度包絡(luò)分析原理

中海油惠州煉油運行三部負責的芳烴裝置區(qū)共計100多臺機泵，這些機泵日常的設(shè)備維護主要是采用運行維保人員持手持式點檢儀定期巡視。但是在人員編制精簡、對設(shè)備高運行率要求等諸多現(xiàn)代化設(shè)備管理指標下，這些傳統(tǒng)的設(shè)備維護方法無法很好地滿足企業(yè)的要求。無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了關(guān)鍵機泵狀態(tài)監(jiān)測故障診斷的高效、準確，縮短了設(shè)備的檢修時間、提高備件計劃命中率、降低設(shè)備維修費用和保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

該機泵無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由CMWA 8800無線狀態(tài)監(jiān)測單元、無線HART管理器網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)配置管理軟件、SKF@ptitude Analyst分析軟件組成。

系統(tǒng)覆蓋的機泵范圍包括600裝置區(qū)的15臺機泵和400裝置區(qū)的26臺機泵，共63個無線傳感器，用來采集每個電機及泵的振動速度有效值（RMS），加速度包絡(luò)值（gE）和溫度值。

根據(jù)上述要求和機泵群現(xiàn)場的實際環(huán)境，搭建了無線HART網(wǎng)絡(luò)。在400和600區(qū)的適當位置安裝中繼器（Router），以提高無線網(wǎng)路的覆蓋范圍和冗余；在電氣房頂安裝無線HART網(wǎng)關(guān)，以鏈接現(xiàn)場的無線傳感器和內(nèi)部局域網(wǎng)。所有的無線傳感器通過自動組網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)的上傳和下載。

2．無線監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

（1）監(jiān)測參數(shù)的設(shè)置與人機界面的實現(xiàn)。根據(jù)惠州煉油的運行要求，系統(tǒng)需要每個傳感器采集振動速度值、加速度包絡(luò)值、溫度值、電池電量及每個軸承（確定品牌、型號）的缺陷特征值，同時，每個傳感器的特征參數(shù)值可以在人機界面實時顯示，并以不同的顏色顯示狀態(tài)。

（2）機泵監(jiān)測分析

該系統(tǒng)于2013年開始運行，從測點無線傳感器電池剩余電量趨勢圖中可以看出，傳感器電量消耗比較平穩(wěn)，6個月消耗了5%的電量，基本上能夠滿足傳感器電池壽命5年的技術(shù)要求。在此期間，對采集的數(shù)據(jù)進行了初步的頻譜分析，頻譜分析發(fā)現(xiàn)P404B泵3H測點的加速度包絡(luò)頻譜圖中有SKF 6220軸承（泵內(nèi)測）的外圈缺陷頻率及其諧波（圖3），P404B泵4H測點的加速度包絡(luò)頻譜圖中有SKF軸承7220（泵外側(cè)）外圈缺陷頻率及其諧波（圖4）。

四、結(jié)論

該無線系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行半年多，實際效果表明，該系統(tǒng)達到了立項技術(shù)要求，并且為運行三部的設(shè)備管理提供了強大的支持。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點：①實現(xiàn)設(shè)備點檢的自動化與實時化，這一點對于經(jīng)常有惡劣天氣的地區(qū)尤為重要；②功能強大。除了能夠?qū)崿F(xiàn)一般點檢系統(tǒng)采集的振動有效值和溫度值以外，該無線系統(tǒng)還能夠定期采集振動頻譜圖，加速度包絡(luò)譜圖以及傳感器的電池耗電等參數(shù)；③安裝簡單，系統(tǒng)可靠性高。相對于有線系統(tǒng)來說，無線系統(tǒng)在安裝時不用接線，安裝簡單，占用空間較少，不影響設(shè)備的正常運行；同時，整個系統(tǒng)的節(jié)點少，因此，整體可靠性較高。

圖3 P404B泵測點3H加速包絡(luò)頻譜圖

圖4 P404B泵測點4H加速度包絡(luò)頻譜圖

但是，相對于有線系統(tǒng)的多通道實時數(shù)據(jù)采集的特點，無線系統(tǒng)在應用上也有其局限性：①由于無線傳感器利用電池供電，不可能做到在線系統(tǒng)那樣高速實時采樣，只能采取定期數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆绞?；②該無線系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4的無線協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速度（最高可達250kbps）受到了限制，因此對于頻譜的線數(shù)和采集頻率有一定的要求。

綜上所述，SKF無線監(jiān)測系統(tǒng)非常適于石油石化企業(yè)大型泵群的在線點檢和狀態(tài)監(jiān)測，在實際生產(chǎn)中起到了非常重要的作用；但由于無線系統(tǒng)自身的特點，此類系統(tǒng)不適合于大型關(guān)鍵機組的實時在線監(jiān)測和保護。