林渝鈞 劉 勇 趙勝生

（中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249)

0 引言[1]

輸油泵機(jī)組具有功率大、揚(yáng)程高、流量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等環(huán)節(jié)稍有不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致設(shè)施在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生各種故障，甚至造成設(shè)備損壞、油品泄漏、人員傷亡等重大事故，導(dǎo)致油氣正常運(yùn)輸受到阻礙，產(chǎn)生龐大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。當(dāng)前，我國(guó)許多輸油站關(guān)于現(xiàn)代化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面手段還不夠完備，雖然輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析系統(tǒng)部分得到應(yīng)用，不過(guò)由于其不具有便攜性，一旦無(wú)人實(shí)時(shí)觀測(cè)，就會(huì)存在引發(fā)電機(jī)、泵軸損壞、軸承過(guò)熱、泵體高頻振動(dòng)等系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，而手機(jī)APP 的應(yīng)用降低了這方面的風(fēng)險(xiǎn)，能夠隨時(shí)隨地地對(duì)輸油泵狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大大降低了人力成本。因此，開(kāi)發(fā)移動(dòng)端的輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)對(duì)石油管道輸送行業(yè)有著重大的意義。

1 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[2]

設(shè)備故障診斷技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)對(duì)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析系統(tǒng)的研究主要基于輸油泵機(jī)組故障診斷理論，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以保障主輸泵機(jī)組安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行為任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）通過(guò)研究輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與有效獲取技術(shù)，開(kāi)發(fā)主輸泵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用基于OPC通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)自適應(yīng)監(jiān)測(cè)、高速傳輸、實(shí)時(shí)處理與有效存儲(chǔ)，同時(shí)滿(mǎn)足泵機(jī)組設(shè)備的事故記錄功能。

（2）通過(guò)研究早期故障實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)輸油泵智能診斷系統(tǒng)，準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障信息，并得出故障所在部位、故障原因以及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。

（3）通過(guò)研究微弱故障預(yù)測(cè)技術(shù)，建立微弱故障的全方位故障知識(shí)圖譜，開(kāi)展微弱故障漸變趨勢(shì)研究，最終實(shí)現(xiàn)微弱故障的實(shí)時(shí)在線診斷與劣變趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)主輸泵健康狀態(tài)預(yù)測(cè)，降低企業(yè)設(shè)備維護(hù)維修成本。

目前，我國(guó)大型設(shè)備監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)還處于起步階段。在石油化工、電力、冶金等行業(yè)，基本電力設(shè)備的常規(guī)維修和定期保養(yǎng)占主導(dǎo)地位，仍缺乏遠(yuǎn)程控制和故障分析系統(tǒng)。但是，僅僅有常規(guī)維修和保養(yǎng)是難以實(shí)現(xiàn)預(yù)防目的的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 軟件主體功能設(shè)計(jì)

輸油泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)診斷與預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)軟件采用三層架構(gòu)，即：表現(xiàn)層(用戶(hù)界面)、業(yè)務(wù)邏輯層(數(shù)據(jù)分析與處理)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層(數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ))。軟件系統(tǒng)按照模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能包括信號(hào)在線監(jiān)測(cè)、智能診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、歷史趨勢(shì)、設(shè)備信息、參數(shù)設(shè)置及手機(jī)APP。軟件框架如圖1。

2.2 軟件功能詳細(xì)設(shè)計(jì)

軟件界面是簡(jiǎn)化PC 輸油泵機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互部分，主要功能模塊包括在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、歷史趨勢(shì)、報(bào)告查詢(xún)和用戶(hù)管理五個(gè)模塊。[3-4]

圖1 軟件框架圖

界面分為主窗口菜單欄，工具欄，和導(dǎo)航欄，繼承關(guān)系上是子窗體和主窗體的關(guān)系。所有的功能均包含在菜單欄中，菜單欄中首要功能是測(cè)點(diǎn)導(dǎo)航，其次是全貌圖，即系統(tǒng)的主體界面。數(shù)據(jù)分析功能是菜單欄的第三大部分，其中包括了前面診斷方法中提及的所有功能，操作時(shí)可根據(jù)具體的設(shè)備類(lèi)型選擇相應(yīng)的信號(hào)分析方法。實(shí)現(xiàn)高級(jí)信號(hào)分析和自動(dòng)故障診斷的效果。

（1）在線監(jiān)測(cè)界面。在線監(jiān)測(cè)界面主要可實(shí)現(xiàn)以下功能：①信號(hào)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：輸油泵的振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過(guò)安裝在機(jī)組轉(zhuǎn)軸測(cè)點(diǎn)上的壓電式加速度傳感器、熱電阻式溫度傳感器及鍵相傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)由信號(hào)線傳輸至二次監(jiān)測(cè)保護(hù)表。二次監(jiān)測(cè)保護(hù)儀表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采樣和調(diào)理濾波等處理，然后通過(guò)網(wǎng)線傳輸至現(xiàn)場(chǎng)的1#光纖交換機(jī)。光纖交換機(jī)主要是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并以光纖的形式將數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸?shù)轿挥谡緢?chǎng)控制室里的2#光纖交換機(jī)。2#光纖交換機(jī)將光信號(hào)還原為電信號(hào)后通過(guò)網(wǎng)線傳輸至工作站，并對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油泵的實(shí)時(shí)監(jiān)控；②信號(hào)趨勢(shì)顯示：點(diǎn)擊輸油泵圖片上的各測(cè)點(diǎn)即可查看相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)趨勢(shì)情況。

（2）歷史趨勢(shì)。歷史趨勢(shì)模塊用于管理過(guò)去收集的設(shè)備狀態(tài)信息。通過(guò)該模塊可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備各個(gè)測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)管理，獲得設(shè)備歷史異常數(shù)據(jù)和歷史正常數(shù)據(jù)，便于技術(shù)人員判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。該模塊按時(shí)間維度分為日趨勢(shì)、月趨勢(shì)和年趨勢(shì)查看。

（3）故障診斷。故障診斷接口通過(guò)傳感器采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行設(shè)施的系統(tǒng)故障特征提取和故障形式辨認(rèn)，依照數(shù)據(jù)剖析設(shè)施狀態(tài)，提早預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，減低和消去潛在的計(jì)劃外停機(jī)。預(yù)測(cè)維修能有效地預(yù)測(cè)設(shè)施的系統(tǒng)故障概率和應(yīng)用壽命。通過(guò)整合系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行資源信息維護(hù)、可維護(hù)性分析和預(yù)測(cè)維護(hù)策略。

（4）報(bào)告查詢(xún)。報(bào)告查詢(xún)結(jié)果以綜合診斷報(bào)告的形式呈現(xiàn)。內(nèi)容包括設(shè)備信息、測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、故障診斷、狀態(tài)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)報(bào)告及檢修建議。

（5）用戶(hù)管理。用戶(hù)管理功能是將用戶(hù)的數(shù)據(jù)保存在軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)由后臺(tái)向手機(jī)APP 發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)，維修人員可通過(guò)個(gè)人賬戶(hù)登錄APP，查看設(shè)備的故障診斷報(bào)告和故障解決方案。

上站維修時(shí)，需要先使用手機(jī)APP 進(jìn)行故障的輸入后，方可維修，該故障原因和處理方法可人工上傳至故障報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄故障的解決方案和診斷的準(zhǔn)確率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)[5]

對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行故障診斷的方法很多，如包絡(luò)解調(diào)分析、時(shí)域分析、小波分析等。

（1）包絡(luò)解調(diào)分析，輸油泵機(jī)組的失效會(huì)引起周期性的沖擊振動(dòng)，而沖擊力、物理減震和質(zhì)量對(duì)振動(dòng)時(shí)間有決定性的影響。包絡(luò)解調(diào)分析法能夠識(shí)別振動(dòng)源的位置，從而可以進(jìn)行精確的診斷。

（2）時(shí)域分析。時(shí)域分析法通常用利用波形指數(shù)、偏斜度、平均值、峰度、分布密度、脈沖指數(shù)和峰值等一系列時(shí)域參數(shù)來(lái)估計(jì)輸油泵的振動(dòng)水平。

（3）小波分析。在進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，一般采用比較靈活的小波分析法對(duì)監(jiān)測(cè)的信息進(jìn)行整理，小波分析法能夠有效的分析非平穩(wěn)信號(hào)和突變信號(hào)，保障輸油泵機(jī)組監(jiān)測(cè)工作能夠高效可靠的進(jìn)行。

3.2 云開(kāi)發(fā)技術(shù)

通過(guò)微信小程序的云數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)參數(shù)，然后結(jié)合云函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的處理將它顯示到前端，應(yīng)用云開(kāi)發(fā)有效解決了小程序以前必須使用https 協(xié)議開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。

微信應(yīng)用程序的JavaScript 可以在NWJS 中運(yùn)行，合并瀏覽器和Node.js，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。此外，Node.js 訪問(wèn)系統(tǒng)本地應(yīng)用編程接口的能力被用來(lái)開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的應(yīng)用。

4 系統(tǒng)測(cè)試

主界面是用戶(hù)訪問(wèn)小程序功能的平臺(tái)，輸油泵在線監(jiān)測(cè)小程序的界面如圖2 所示，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史趨勢(shì)、診斷報(bào)告和用戶(hù)管理四個(gè)模塊?！皩?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”和“歷史趨勢(shì)”兩個(gè)功能在主界面的上半部分，方便用戶(hù)對(duì)輸油泵機(jī)組的監(jiān)測(cè)和對(duì)其歷史趨勢(shì)的分析，“診斷報(bào)告”和“用戶(hù)管理”功能在主界面下半部分，主要用于用戶(hù)對(duì)輸油泵機(jī)組信息的記錄和用戶(hù)信息的管理。

圖2 主界面部分

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。點(diǎn)擊主界面“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”進(jìn)入輸油泵機(jī)組工作狀態(tài)的界面。界面直接顯示出驅(qū)動(dòng)電機(jī)和對(duì)應(yīng)輸油泵的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并且判斷在此數(shù)據(jù)下工作的輸油泵機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)是否安全。綠字?jǐn)?shù)據(jù)即是正常工作狀態(tài)，紅字?jǐn)?shù)據(jù)即是異常工作狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能讓用戶(hù)直接了解到輸油泵機(jī)組的工作狀態(tài)并可以給出準(zhǔn)確的異常設(shè)備的信息。

（2）歷史趨勢(shì)。“歷史趨勢(shì)”提供輸油泵機(jī)組工作狀態(tài)趨勢(shì)圖。用戶(hù)可選擇任意一臺(tái)設(shè)備的任何一段時(shí)間，通過(guò)顯示數(shù)據(jù)調(diào)出歷史趨勢(shì)圖，進(jìn)而可了解設(shè)備在改時(shí)間段內(nèi)工作狀態(tài)。

在輸油泵運(yùn)行期間，每個(gè)部件將根據(jù)不同的工作條件顯示不同的特征頻率。頻譜分析是設(shè)備診斷中常用的方法，常用頻譜有幅值譜功率譜。頻譜分析就是將各種頻率信號(hào)分解開(kāi)，以便識(shí)別振源。某油庫(kù)輸油泵機(jī)組前端發(fā)生異樣振動(dòng)，瞬時(shí)振動(dòng)位移達(dá)到120 m，系統(tǒng)判定故障為軸承錯(cuò)位。從時(shí)域和頻譜分析數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以及波形圖和時(shí)域參數(shù)可以看出，泵前端的振動(dòng)頻率明顯高于其他部分，波形圖混亂。然而，僅觀察時(shí)域參數(shù)和波形圖仍無(wú)法精準(zhǔn)確定系統(tǒng)故障緣由，需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。由功率圖出現(xiàn)了2 倍頻，三倍頻可知，故障為種子對(duì)中不良。將種子進(jìn)行對(duì)中維修后檢測(cè)輸油泵振動(dòng)恢復(fù)正常。[6]

（3）診斷報(bào)告。用戶(hù)在對(duì)輸油泵機(jī)組設(shè)備進(jìn)行診斷檢測(cè)時(shí)，診斷結(jié)果通過(guò)診斷報(bào)告的形式呈現(xiàn)。點(diǎn)擊診斷報(bào)告出現(xiàn)界面，用戶(hù)在此可查詢(xún)?cè)O(shè)備的診斷報(bào)告。診斷報(bào)告記錄各設(shè)備的基本信息、狀態(tài)信息、故障診斷以及狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)計(jì)報(bào)告，在報(bào)告最后用戶(hù)可給出相應(yīng)的檢修建議。[7]

（4）用戶(hù)管理。系統(tǒng)將用戶(hù)第一次錄入的信息進(jìn)行保存，之后用戶(hù)可通過(guò)用戶(hù)管理功能對(duì)賬號(hào)密碼等信息進(jìn)行修改。該功能主要用來(lái)保障用戶(hù)信息的安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用微信開(kāi)發(fā)者工具和SQL 云數(shù)據(jù)庫(kù)，用Java 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的故障查詢(xún)小程序應(yīng)用。測(cè)試表明，該故障查詢(xún)小程序在解決信息系統(tǒng)故障方面具有很強(qiáng)的實(shí)用性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。