劉超

中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司 海南 ?？?570100

1 背景

某油氣處理廠的設(shè)備除了透平是運(yùn)用實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)，但其它設(shè)備包括泵，往復(fù)壓縮機(jī)等都是處于無(wú)檢測(cè)狀態(tài)，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡檢通過(guò)聽(tīng) 感知等方式對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行判斷，處于一種最傳統(tǒng)的維修模式—事后維修。該終端現(xiàn)場(chǎng)有30臺(tái)左右的泵（包括離心泵和柱塞泵，大部分是離心泵），三臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)；該終端投產(chǎn)接近20年，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)老化維修量增大已經(jīng)是一個(gè)事實(shí)，如何保證生產(chǎn)安全進(jìn)行，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為了一種手段和保證。

但是在一個(gè)已投產(chǎn)的工廠進(jìn)行全面的自動(dòng)化改造是不現(xiàn)實(shí)的：改造中安裝布線成本太高，由于安裝布線需要停車(chē)動(dòng)火而造成的停產(chǎn)損失更是無(wú)法計(jì)算。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)儀表已不適合此類(lèi)改造項(xiàng)目，無(wú)線傳感器已開(kāi)始慢慢滲透入工業(yè)領(lǐng)域中，極大地減少了布線安裝成本及停車(chē)停產(chǎn)帶來(lái)的損失。

目前國(guó)際自動(dòng)化廠商包括H o n e y w e l l，Emerson，ABB，GE等都已推出基于ISA100或者Hart7協(xié)議的無(wú)線傳感器，但是由于高昂的協(xié)議許可證費(fèi)用，其無(wú)線產(chǎn)品價(jià)格是同類(lèi)有線產(chǎn)品的兩倍甚至更高。而國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感器產(chǎn)品多采用Zigbee、WiFi、Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但是基于Zigbee、WiFi協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在化工廠復(fù)雜的電磁環(huán)境中難以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。而基于工業(yè)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由嵌入式片上系統(tǒng)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠很好地解決化工廠金屬結(jié)構(gòu)多，屏蔽強(qiáng)的問(wèn)題，且無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)成熟，成本價(jià)格較低，具有很強(qiáng)的推廣性。

2 無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的基本介紹

2.1 無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)可以配備眾多類(lèi)型傳感器，探測(cè)包括溫度壓力振動(dòng)位移等多種物理量。幾點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通訊，形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息通訊和發(fā)布。

傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如無(wú)線局域網(wǎng)（WIFI）和移動(dòng)通信網(wǎng)（GPRS CDMA）一般都是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。這這種結(jié)構(gòu)中，無(wú)線終端之間不能通信，所有的通信必須通過(guò)特定的設(shè)備比如手機(jī)基站進(jìn)行。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是傳輸距離不已擴(kuò)展。一旦無(wú)線節(jié)點(diǎn)傳輸受阻，或者離開(kāi)了基站的覆蓋面，該節(jié)點(diǎn)將脫離網(wǎng)絡(luò)。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用了自組織自修復(fù)，多跳式傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖 2所示。在這種網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)能與臨近節(jié)點(diǎn)通信，具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力。這種網(wǎng)絡(luò)最大的好處是充分利用了無(wú)線節(jié)點(diǎn)的通信能力，以最低成本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的下列特點(diǎn)使它十分適合于需要長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要安裝大量節(jié)點(diǎn)大面積的監(jiān)測(cè)，電源供給不便，布線成本高的監(jiān)控系統(tǒng)中。

圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局

2.2 無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

自組織和自修復(fù)：由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)連接形成的，一旦某條鏈路由于環(huán)境變化受到阻礙，節(jié)點(diǎn)會(huì)設(shè)法找到一條新的路徑進(jìn)行傳輸，如圖 3所示[1]。

圖3 儀通微感無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組織和自修復(fù)特點(diǎn)

智能化電源管理：傳感器采用了最新低功耗設(shè)計(jì)，輔以智能化電源管理軟件和數(shù)據(jù)融合傳輸算法，最大限度減少能源損耗，讓電池壽命大大延長(zhǎng)。安裝在野外的傳感器和路由器節(jié)點(diǎn)將支持太陽(yáng)能供電，一勞永逸的解決了電源問(wèn)題。

簡(jiǎn)單方便的安裝：傳感器幾點(diǎn)體積小巧，方便安裝與組網(wǎng)。由于不存在布線的問(wèn)題，采用本系統(tǒng)可以擺脫地形的限制，利用路由節(jié)點(diǎn)可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并且可以根據(jù)需要快速安裝組網(wǎng)，和撤網(wǎng)收回，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)化，只需簡(jiǎn)單替換節(jié)點(diǎn)即可，成本低廉，可以大規(guī)模安裝：徹底解決布線施工困難。

可靠的數(shù)據(jù)傳輸：傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信能力，可以讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)環(huán)境變化傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時(shí)反應(yīng)進(jìn)行重新編程和重新部署。

2.3 無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由各種傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線基站和監(jiān)控服務(wù)器構(gòu)成，如圖 4所示[2]。

無(wú)線基站是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的橋梁。所有環(huán)境數(shù)據(jù)都將匯聚到無(wú)線基站中，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星信道經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控服務(wù)器中。

傳感器節(jié)點(diǎn)將大量部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，定時(shí)或按需采各種狀態(tài)參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)路由協(xié)議通過(guò)相鄰床感情節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)，最終匯聚到無(wú)線基站中[3]。

路由節(jié)點(diǎn)主要用于增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域和無(wú)線基站可能相隔較遠(yuǎn)，傳感器信號(hào)無(wú)法直接到達(dá)基站。通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積可以大大增加，同時(shí)減少障礙物對(duì)信號(hào)阻隔的影響[4]。

監(jiān)控服務(wù)器收到基站發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析出來(lái)記錄。后臺(tái)管理軟件采用可視化程序和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，提供一個(gè)集中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)平臺(tái)。監(jiān)管人員和普通用戶(hù)根據(jù)權(quán)限可以訪問(wèn)各種實(shí)時(shí)環(huán)境信息。

3 兼容無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感器

基于無(wú)線Mech傳感器能對(duì)大型機(jī)組、壓縮機(jī)、機(jī)泵等動(dòng)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。以國(guó)內(nèi)支持無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)設(shè)備的參數(shù)如表 1、 表2、表3所示。

表 1 無(wú)線Mech震動(dòng)傳感器主要性能參數(shù)

表2 無(wú)線Mech溫度傳感器主要性能參數(shù)

表3 無(wú)線Mech溫度傳感器通用參數(shù)

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成部分

4 基于無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)搭建的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

某油氣處理終端，與2010年搭建基于Mesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，并將無(wú)線的震動(dòng)探頭安裝在油泵、機(jī)組上。安裝情況如圖5所示。

圖5 動(dòng)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在機(jī)泵上的應(yīng)用

2021 年 1 月 21 日動(dòng)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)泵 P-2008/1 泵體 3H 振動(dòng)速度為 3.2mm/s.加速度 57m/ s2，出現(xiàn) 2 級(jí)報(bào)警，并呈逐步上升趨勢(shì)。通過(guò)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)泵各個(gè)測(cè)點(diǎn)的多個(gè)信號(hào)類(lèi)型總值較大，振動(dòng)趨勢(shì)顯示劣化速度較快。該終端的運(yùn)維人員，根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警情況，制定專(zhuān)項(xiàng)維修方案，在 1 月 25 日對(duì)油泵進(jìn)行停運(yùn)檢修。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的檢查發(fā)現(xiàn)，油泵在軸承內(nèi)圈上有兩處較大的剝落，另有十余處的小剝落，軸承處于壽命的中后期，與系統(tǒng)預(yù)測(cè)一致。

基于Mesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安裝的震動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，成功及時(shí)準(zhǔn)確的采集到了機(jī)泵設(shè)備的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的異常狀況給出報(bào)警提示和檢修建議，達(dá)到了依據(jù)狀態(tài)進(jìn)行檢修的效果，幫助企業(yè)降低了故障率、減少了故障停機(jī)時(shí)間。到目前為止，系統(tǒng)累計(jì)報(bào)警 4546 次。其中 1 級(jí)報(bào)警 1482 次、2 級(jí)報(bào)警 2944 次，3 級(jí)報(bào)警 74 次，4級(jí)報(bào)警 46 次?；贛esh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建的無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，讓設(shè)備的異常狀態(tài)及時(shí)得到呈現(xiàn)，極大的幫助了設(shè)備管理和設(shè)備檢修人員。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備工況的監(jiān)測(cè)和故障診斷的目的就是要檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常。本文通過(guò)對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的基本特點(diǎn)和功能介紹，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用實(shí)例分析，可以了解到，基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)年限較長(zhǎng)的化工處理廠的系統(tǒng)性升級(jí)改造，無(wú)線監(jiān)控探測(cè)設(shè)備的測(cè)量特性也能夠滿足化工生產(chǎn)處理廠的動(dòng)設(shè)備的狀況監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)應(yīng)用的情況下，既可以實(shí)時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，又可以預(yù)報(bào)故障趨勢(shì)，這對(duì)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低設(shè)備的維修費(fèi)用有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。