水 龍，劉紅彥，秦少鋒，郝兆鵬

（1.西安因聯(lián)信息科技有限公司，陜西西安 710065；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司，天津 300452；3.杭州安脈盛智能技術有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新階段，增速有所放緩，伴隨著國家能源結構的調整，火電企業(yè)成本上升、利潤下降，如何降本增效以提高市場競爭力，是火電企業(yè)面臨的一道難題。而設備故障預警和狀態(tài)監(jiān)測已成為一種重要的保障措施，從而確保設備安全、平穩(wěn)、可靠地運行[1-2]。

PHM（Prognostic and Health Management，設備故障預測與健康管理系統(tǒng)）是利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術，聚焦水泥、化工、造紙等行業(yè)的關鍵設備，通過對現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的實時采集、分析以達到實時監(jiān)測、故障預測以及健康管理的目的。西安因聯(lián)信息科技有限公司（以下簡稱西安因聯(lián)）iPHM 系統(tǒng)采用SaaS（Software-as-a-Service，軟件運營）服務模式，提供輕量級的應用，方便滿足不同用戶標準化或定制化需求，大幅度降低企業(yè)信息化門檻與風險，幫助企業(yè)快速實現(xiàn)數(shù)字化、信息化轉型。

1 SaaS-iPHM 系統(tǒng)架構及硬件結構

西安因聯(lián)iPHM 系統(tǒng)如圖1 所示，通過傳感器將設備運行、振動、環(huán)境等相關數(shù)據(jù)采集至工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，依托智能分析算法，為使用者提供設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與分析，設備能效分析、全生命周期管理等，服務于企業(yè)管理者、設備管理人員、診斷工程師以及運維保養(yǎng)人員。

圖1 iPHM 設備故障預測與健康管理系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)采集端

現(xiàn)場部署的振動采集單元分為無線采集端元和有線采集單元。無線采集單元由西安因聯(lián)自主研發(fā)的無線傳感器（WS）及無線網(wǎng)關（WG）組成；有線采集單元由西安因聯(lián)自主研發(fā)的有線傳感器及有線監(jiān)測站（VibSCAN）組成。

將傳感器部署在現(xiàn)場設備相應的測點上，通過傳感器將該測點的溫度、加速度、速度、加速度包絡等特征值采集，通過先進的數(shù)字信號處理算法，將其轉換為可反映機組健康狀況的特征參數(shù)。

1.2 網(wǎng)絡傳輸端

設備振動數(shù)據(jù)通過傳感器采集后，需要將數(shù)據(jù)進行上傳，因需求和傳感器的類型不同，分為無線傳輸和有線傳輸兩類，無論是哪種傳輸方式，其與服務器之間的傳輸都有4 種方式：4G、Wi-Fi、光纖、網(wǎng)線。

1.2.1 無線傳輸

無線傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過獨創(chuàng)的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議上傳網(wǎng)關，與目前應用較多的ZigBee 網(wǎng)絡傳輸協(xié)議相比，本產(chǎn)品可以實現(xiàn)全網(wǎng)格型無線拓撲結構，每個網(wǎng)絡節(jié)點既可以作為傳輸節(jié)點，同時可作為中繼節(jié)點，保證同時存在多條傳輸路徑，提高網(wǎng)絡的可靠性。

采集iCMS 無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由西安因聯(lián)自主研發(fā)、針對企業(yè)重要設備現(xiàn)場維護指導需求提出的解決方案，可實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場靈活部署及連續(xù)在線監(jiān)測，尤其適用于設備分散的防爆工業(yè)現(xiàn)場。

無線狀態(tài)監(jiān)測的硬件設備由無線傳感器及無線網(wǎng)關組成。無線傳感器可同時采集振動及溫度信號，并通過先進的數(shù)字信號處理算法，將其轉換為可反映機組健康狀況的特征參數(shù)。數(shù)據(jù)的傳輸采用無線方式，大大節(jié)省了布線及施工周期，降低了現(xiàn)場部署難度。

1.2.2 有線傳輸

有線監(jiān)測用于工業(yè)現(xiàn)場設備在線監(jiān)測，與有線傳感器組成監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分?？芍С侄喾N類型的傳感器接入，如：加速度振動傳感器、加速度-振-溫一體傳感器、轉速傳感器等，并且支持所有通道數(shù)據(jù)同步采集，具備高采樣率，高精度的特性，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，可以很好地滿足企業(yè)針對關鍵設備的在線狀態(tài)監(jiān)測需求。

VibSCAN 是西安因聯(lián)自主研發(fā)的高性價比的設備在線狀態(tài)監(jiān)測方案，可以替代現(xiàn)有的人工巡檢模式，很好地滿足企業(yè)對關鍵設備的在線狀態(tài)監(jiān)測需求。VibSCAN 可提供16 路振動通道、4 路工藝量參數(shù)以及2 通道的轉速信號的采集，適用于電機、風機、泵、滾動軸承、齒輪箱等旋轉設備的在線狀態(tài)監(jiān)測。

VibSCAN 成本低、性價比高，分布式監(jiān)測網(wǎng)絡結構，采用RS485 網(wǎng)絡，抗干擾性強，傳輸距離可達到1200 m（不加中繼器），采用基于ModBus 的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸更可靠，采用的是方便部署和安裝的B/S 架構。

1.3 設備健康管理平臺

設備健康管理平臺結合當下流行的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、微服務等技術，采用分層設計的理念為客戶提供完備的設備在線監(jiān)控應用，平臺主要分為數(shù)據(jù)采集層、平臺核心能力層、智能應用層三大部分。

設數(shù)據(jù)采集層能夠采集底層傳感器的數(shù)據(jù)，包含有線振動、無線振動、轉速等，并能支持通過標準協(xié)議的方式接入設備的運行、工藝等多種類型的數(shù)據(jù)。

平臺核心能力層針對采集到的數(shù)據(jù)進行持久化服務，數(shù)據(jù)清洗、過濾。

基于設備的多維度數(shù)據(jù)，應用層提供智能預警、智能診斷等應用服務，實現(xiàn)關鍵設備運行狀態(tài)的自行監(jiān)護及精密診斷。

Web 展示及配置通過良好的界面系統(tǒng)將所監(jiān)測到的設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在人的面前，根據(jù)需求通過界面對測量方案、數(shù)據(jù)采集等進行修改配置，之后將數(shù)據(jù)存儲在服務器上。數(shù)據(jù)采集單元的設置通過Web 服務與數(shù)據(jù)采集分析服務的交互完成[3]。

2 SaaS-iPHM 在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件

SaaS-iPHM 系統(tǒng)軟件包含SaaS-iPHM 主界面、iDTP 診斷分析系統(tǒng)、IoT 配置管理系統(tǒng)三部分。

2.1 SaaS-iPHM 主界面

系統(tǒng)主要以瀏覽器為載體，通過在線監(jiān)測網(wǎng)站進入系統(tǒng)，可查看設備信息。系統(tǒng)主要包含設備狀態(tài)監(jiān)測、設備&測點異常告警、遠程智能診斷、能效分析、設備健康與全生命周期管理。

2.2 iDTP 診斷分析系統(tǒng)

診斷分析（iDTP）是因聯(lián)的一款專業(yè)在線分析工具，可以從主界面中診斷分析模塊直接跳轉，或通過網(wǎng)址直接登錄診斷分析系統(tǒng)，通過趨勢圖來展示設備監(jiān)測期間不同測點相應的振動信號和特征值信息。用戶可通過區(qū)域縮放、雙游標、放大、縮小、單位換算等功能查看波形頻譜圖、瀑布圖、倒譜圖，輔助完成故障診斷。

2.3 IoT 配置管理系統(tǒng)

IoT 配置管理系統(tǒng)是一個綜合的業(yè)務與運維管理平臺，主要服務于系統(tǒng)運維和管理人員，方便系統(tǒng)運維和管理人員對系統(tǒng)信息、用戶、權限信息、設備信息等相關信息進行統(tǒng)一的配置和管理。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場應用

在目前的檢維修模式下，機組的振動、溫度等重要參數(shù)，均通過人工定時、定點現(xiàn)場測量，不但費時費力，而且可能因客觀或主觀因素導致測量數(shù)據(jù)不準確、不及時，還有可能錯過因某種原因導致設備振動大時沒有采集到相關數(shù)據(jù)，從而失去了第一手資料，對設備的狀態(tài)失去了準確的判斷，最終將伴隨著過度檢修、未及時檢修等問題[4]。

3.1 電廠泵群在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)電廠機泵群狀態(tài)監(jiān)測的需求，對全廠10 種27 臺單機組的輔機關鍵旋轉設備安裝了121 個振-溫一體傳感器，根據(jù)現(xiàn)場設備結構、工況、故障率等信息，進行了差異化的部署，現(xiàn)場施工主要為傳感器及網(wǎng)關的安裝。傳感器通過螺柱連接底座，底座通過強力膠粘結在設備相應的測點位置，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，全場共布置了8 臺網(wǎng)關，而網(wǎng)管部署的場所必須要有良好的通信環(huán)境。

根據(jù)傳感器本身的特性和現(xiàn)場對于設備監(jiān)測的要求，設備振動采集時間間隔為每30 min 一次特征值，溫度每5 min 采集一次，每天3 組波形頻譜圖上傳，傳感器電池能達到兩年左右的使用壽命。

自系統(tǒng)上線后，設備管理及維修人員均可通過微信小程序實時查看設備狀態(tài)，接收設備報警信息，第一時間了解設備動態(tài)，為設備安全運行提供良好的環(huán)境，解決了點巡檢模式下所不能解決的問題，優(yōu)化了設備管理模式，提升了管理效率[5]。

3.2 典型案例分析

3.2.1 密封風機驅動端軸承故障

某電廠2#機組風機8 月14 日振動趨勢開始上升，如圖2所示，在加速度包絡頻譜中能看到軸承故障頻率及其諧頻，并伴有工頻的邊帶，如圖3 所示，8 月15 日聯(lián)系現(xiàn)場相關人員，對風機驅動端軸承補加適量潤滑脂，以保證軸承良好的潤滑環(huán)境，延長使用壽命，9 月10 日該風機停機檢修，9 月13 日更換風機軸承。

圖2 風機驅動端加速度包絡趨勢

圖3 風機驅動端加速度包絡頻譜

機組拆解后，發(fā)現(xiàn)風機驅動端軸承損壞嚴重（圖4）。從檢修前故障判斷到檢修時跟蹤再到檢修后狀態(tài)評估的全過程，診斷結果的正確性得到了全面的驗證。而此次設備的維修形式以系統(tǒng)對設備的報警為開始，經(jīng)過診斷工程師對設備進行詳細故障診斷分析，最后以客戶對設備進行停機檢修為結尾，顛覆了傳統(tǒng)的檢維修模式。

圖4 風機驅動端損壞的軸承

經(jīng)過此次全新完整的檢維修模式，不僅驗證了系統(tǒng)的可靠性、分析的準確性、檢修的及時性，避免了一次重大設備事故的發(fā)生，同時也得到了客戶認可。檢修后設備振動值恢復正常，完全滿足設備正常的運轉要求，機組檢修前后狀態(tài)對比見表1。

表1 機組檢修前后狀態(tài)

3.2.2 循環(huán)泵電機驅動端軸承故障

8 月12 日某電廠2#機組循環(huán)泵電機驅動端加速度包絡小幅度上升，8 月14 日開始突然上升，幅值翻了5 倍左右，頻譜中能看到軸承故障頻率及其諧頻，8 月15 日聯(lián)系現(xiàn)場相關人員，對電機驅動端軸承補加適量潤滑脂，以改善設備狀態(tài)，機組可繼續(xù)運轉，8 月24 日該機組停機檢修，8 月26 日更換完電機驅動端軸承，如圖5、圖6 所示。

圖5 電機驅動端加速度包絡趨勢

圖6 電機驅動端加速度包絡頻譜

電機驅動端拆開后發(fā)現(xiàn)軸承外圈有剝落，如圖7 所示。從第一次加速度包絡上升判斷軸承處于早期故障，建議添加潤滑脂改善軸承運行環(huán)境，機組可繼續(xù)運轉，現(xiàn)場添加潤滑脂后，加速度包絡上升值雖然降低，但是現(xiàn)場還是安排了更換電機驅動端軸承，拆解的結果全面驗證了診斷的正確性，再次驗證了該系統(tǒng)對設備維修模式的可靠性。

圖7 電機驅動端軸承剝落

4 結語

通過在某電廠2#機組上應用，驗證系統(tǒng)的預警及分析可靠精準，從軸承早期故障的發(fā)現(xiàn)到軸承故障的晚期，都能及時發(fā)現(xiàn)、及時提醒?，F(xiàn)場人員根據(jù)診斷的情況結合現(xiàn)場設備情況及管理需求做出合理的檢維修安排，既能預防突發(fā)事故的發(fā)生，也能提前發(fā)現(xiàn)故障，做到了預防性維修，避免過度維修，為電廠的安全運行提供保障，同時優(yōu)化備品配件的采購及儲備數(shù)量，減少浪費，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。