石化装置大型泵群状态监测中无线网络技术的应用

何振岐 焦永峰 远战红 黄佳富

（中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司 广东惠州）

传统的在线监测系统需要在施工时大量布线，而且需要有合适的位置安装数据采集单元（DAQ）及其接线盒，由此产生了大量的线缆采购及施工的成本。应用无线网络的监测系统无需布线，安装简单、施工成本低廉，能及时、可靠地采集到状态数据，实现对机泵群有效的状态监测。

一、工业无线网络技术

工业无线网络技术是一种面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境中使用，具有很强的抗干扰能力，超低能耗，实时通信。

图1 无线HART的Mesh网络拓朴图

1.Wireless HART通信协议

无线HART是专门为过程测量和控制应用而设计的第一个开放的无线通信标准，作为HART7规范的一部分于2007年9月正式发布。无线HART协议是一种安全的基于TDMA（Time Division Multiple Access时分多址）的无线网格网络技术，工作于2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine）频段，采用直接序列扩频技术（DSSS）和信道跳频技术。

2.无线HART网络拓扑结构

如图1所示，每个WirelessHART网络包括3个主要部分。

（1）无线现场设备。具有内置Wireless HART的设备，与工厂过程连接。如图1中所示的无线传感器。

（2）无线HART网关。使得这些现场设备能够与连接现有工厂通信网络的主机应用程序通信。

（3）网络管理器。负责配置网络、调度设备之间的通信、管理邮件路径以及监测网络的状态。

同时，网络中的每台设备都可以作为其他设备消息的路由器。换句话说，1台设备不必与网关直接通信，而只需将其消息转发给下1台最近的设备。这扩大了网络的覆盖范围，并且提供冗余的通信路径，以增加可靠性；同时，也可以根据实际情况增加中继器（Router），以提高Wireless HART网络的覆盖范围。

网络管理器根据延迟、效率和可靠性来确定冗余路径。为了确保冗余路径保持开放和通畅，信息不断交替使用冗余路径。因此，像因特网一样，如果消息无法通过一条路径到达其目的地，它会自动重新路由到已知良好的冗余路径，而不会丢失数据。

二、SKF加速度包络技术

加速度包络技术亦称包络解调技术，是对低频（通常为1kHz以内））的冲击所激起的高频共振波形进行包络解调和低通滤波即解调，获得一个相对于原来低频冲击的而又被放大并且被扩展了的共振解调波。SKF加速度包络技术原理（图2）：当轴承某一元件出现局部损伤时，在受伤运行过程中要撞击与之相互作用的其他元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、加速度传感器甚至附加的电谐振器等的固有频率，而激起这个测振系统的高频固有振动。根据矿井机械的实际情况，选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器，把该固有振动分离出来。然后，通过包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一信号进行分析，可诊断出轴承故障。由于这一技术采用了具有高频响应特性的压电加速度传感器，放大（调制）、分离（带通滤波）了故障特征信号，极大地提高了信噪比，因此能比较准确地诊断出滚动轴承的故障。

三、应用

1．无线状态监测系统技术方案

图2 加速度包络分析原理

中海油惠州炼油运行三部负责的芳烃装置区共计100多台机泵，这些机泵日常的设备维护主要是采用运行维保人员持手持式点检仪定期巡视。但是在人员编制精简、对设备高运行率要求等诸多现代化设备管理指标下，这些传统的设备维护方法无法很好地满足企业的要求。无线状态监测系统实现了关键机泵状态监测故障诊断的高效、准确，缩短了设备的检修时间、提高备件计划命中率、降低设备维修费用和保障设备的安全稳定运行。

该机泵无线状态监测系统主要由CMWA 8800无线状态监测单元、无线HART管理器网关、网络配置管理软件、SKF@ptitude Analyst分析软件组成。

系统覆盖的机泵范围包括600装置区的15台机泵和400装置区的26台机泵，共63个无线传感器，用来采集每个电机及泵的振动速度有效值（RMS），加速度包络值（gE）和温度值。

根据上述要求和机泵群现场的实际环境，搭建了无线HART网络。在400和600区的适当位置安装中继器（Router），以提高无线网路的覆盖范围和冗余；在电气房顶安装无线HART网关，以链接现场的无线传感器和内部局域网。所有的无线传感器通过自动组网，完成数据的上传和下载。

2．无线监测系统的功能实现

（1）监测参数的设置与人机界面的实现。根据惠州炼油的运行要求，系统需要每个传感器采集振动速度值、加速度包络值、温度值、电池电量及每个轴承（确定品牌、型号）的缺陷特征值，同时，每个传感器的特征参数值可以在人机界面实时显示，并以不同的颜色显示状态。

（2）机泵监测分析

该系统于2013年开始运行，从测点无线传感器电池剩余电量趋势图中可以看出，传感器电量消耗比较平稳，6个月消耗了5%的电量，基本上能够满足传感器电池寿命5年的技术要求。在此期间，对采集的数据进行了初步的频谱分析，频谱分析发现P404B泵3H测点的加速度包络频谱图中有SKF 6220轴承（泵内测）的外圈缺陷频率及其谐波（图3），P404B泵4H测点的加速度包络频谱图中有SKF轴承7220（泵外侧）外圈缺陷频率及其谐波（图4）。

四、结论

该无线系统已经稳定运行半年多，实际效果表明，该系统达到了立项技术要求，并且为运行三部的设备管理提供了强大的支持。该系统的主要优点：①实现设备点检的自动化与实时化，这一点对于经常有恶劣天气的地区尤为重要；②功能强大。除了能够实现一般点检系统采集的振动有效值和温度值以外，该无线系统还能够定期采集振动频谱图，加速度包络谱图以及传感器的电池耗电等参数；③安装简单，系统可靠性高。相对于有线系统来说，无线系统在安装时不用接线，安装简单，占用空间较少，不影响设备的正常运行；同时，整个系统的节点少，因此，整体可靠性较高。

图3 P404B泵测点3H加速包络频谱图

图4 P404B泵测点4H加速度包络频谱图

但是，相对于有线系统的多通道实时数据采集的特点，无线系统在应用上也有其局限性：①由于无线传感器利用电池供电，不可能做到在线系统那样高速实时采样，只能采取定期数据采集传输的方式；②该无线系统采用IEEE 802.15.4的无线协议，数据传输速度（最高可达250kbps）受到了限制，因此对于频谱的线数和采集频率有一定的要求。

综上所述，SKF无线监测系统非常适于石油石化企业大型泵群的在线点检和状态监测，在实际生产中起到了非常重要的作用；但由于无线系统自身的特点，此类系统不适合于大型关键机组的实时在线监测和保护。