无线状态监测系统在循环水泵上的应用

李虹宇，毕天宝，高 健

（1.吉化集团吉林市锦江油化厂，吉林吉林 132022；2.北京佳讯飞鸿电气股份有限公司，北京 100095）

0 引言

吉化北方公司锦江油化厂30万t/a轻汽油醚化装置在全套化工生产装置中占据重要地位，特为包括轻汽油进料高速泵、导热油泵、循环水泵及鼓风机等多套重要设备机组加装无线状态监测系统，机组及部件性能直接影响醚化装置的正常运行，对装置的安全长期平稳运行至关重要。

近年来，无线传感器网络技术不断发展，在工业中的应用日渐成熟，特别是在流程化企业改造项目中，由于采用无线数据传输方式，省去了线缆铺设、接线、走桥架等施工部署工作，大大降低了应用在线监测系统的门槛。无线状态监测诊断系统通过简便、可靠的工业级无线通信技术，提供有效的状态监测及故障诊断技术，特别是循环水泵机组轴承故障的提前成功预判，为醚化装置各机组安全、长周期、高效运行提供有力保障。

1 无线传感器网络技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者或监测系统进一步处理、应用。

在流程企业工业应用中，目前主要用到基于IEEE802.11协议的WIFI无线网络和基于IEEE802.15.4协议的工业无线网络，由于WIFI网络的高耗电量，虽然具有传输速率高的特点，但是不能满足企业对电池使用寿命的要求，增加了企业的后期维护成本，而基于IEEE802.15.4协议的无线技术具有低功耗、低成本、低速率的短程无线通信技术的特点，其中应用较广的是ZigBee技术，但该技术受无线网络的自适应和网络冗余能力限制，以及在工业环境中泵群监测中电池的使用寿命的影响，Zig-Bee技术的推广受到了制约。此次在醚化装置中采用最新技术的Smart Mesh IP协议，该协议基于 6LoWPAN和 IEEE 802.15.4e标准，是无线网格型多跳的自我管理式的低功率互联网协议（IP）网络，具有网络安装容易、网络兼容性高、系统维护成本低、网络冗余度高、单元电池供电使用寿命长等特点。

2 状态监测技术

（1）频谱分析法。离心泵的每个零部件在不同的工况下，会反映出特有的特征频率。频谱分析根据特征频率将离心泵的特征频率加以区分，定位出发生故障的部位并加以分析诊断。

（2）时域分析法。时域分析通常包括波形分析、轴心轨迹分析和轴心位置分析等方法。时域分析法通过时域的参数指标，如均值、方差、偏斜度、分布密度、峰值、峭度、波形指标、裕度指标、脉冲指标等，对离心泵机组进行总体振级大小的定量分析，时域分析是一种最基本的分析方法，主要用于对故障的初步判定，这种方法简便，直观，便于理解。

（3）包络解调分析法。离心泵发生故障时会产生周期性的冲击振动，振动的时间取决于冲击力、质量、物理的减振特性和其他参数。因为冲击力使泵轴承结构产生共鸣，会产生与轴承共振频率有关的正弦波。包络解调分析法可有效识别某些冲击振动，定位出冲击振动的振源。包络解调法对离心泵轴承早期的诊断尤为有效。

3 无线状态监测技术的应用

3.1 系统组成

吉化北方公司锦江油化厂所辖醚化装置机泵的日常设备维护，主要是巡检人员利用红外测温仪对机泵进行温度采集，定期巡检间隔2 h，随着车间精细化管理理念不断提升，传统的设备维护方法无法完全的满足企业的要求。无线状态监测系统的应用，为企业提供了有力的技术支持，提高了机组的预防性维修水平。

无线状态监测系统硬件包括无线智能传感器、无线智能网关及无线中继器，软件及前段应用包括CMS网络配置管理软件、机器健康云平台及手机APP。主要采集每台机泵的电机及泵轴承箱壳体的振动速度有效值、加速度包络幅值、温度值以及自身的电池电压值。根据企业要求和机组现场的实际环境进行部署。无线智能传感器的安装主要以胶粘底座的方式以及强力磁座吸附的方式固定，无线智能网关利用定制抱卡固定在装置的管廊平台上，利用自带防爆软管将传输信号用网线连接至信号线槽内，铺设接入综合楼办公室内的无线网关并连接至内网。

系统部署完成后，通过采集的振动加速度包络频谱判断循环水泵的润滑情况及轴承运行状况。循环水泵承担着全厂循环水冷却任务，一旦停机不仅会造成循环水系统停运，而且会影响到全厂装置的安全、连续生产。该机组由电机直联驱动的单级强自吸泵，开2备1，循环水泵参数：型号400SSK1600/75-500，电机功率500 kW，电机转速1485 r/min，轴承型号NU226+6226 NU222。

3.2 应用实例

（1）循环水泵电机润滑不良故障。如图1所示，电机驱动端包络幅值稍高，包络幅值呈明显上传趋势，频谱中以地平噪声为主，无异常频率，经补充润滑脂后包络幅值下降明显，及时排除润滑不良，保证了机组连续平稳运行。

（2）循环水泵电机轴承松动故障。如图2所示，机组定期切换运行时，电机端及泵端与之前相比较均有不同程度的速度幅值升高。电机两端图谱中均以转频及其倍频为主，电机非驱动端包络图谱中，仍以转频及其倍频为主，且存在轴承外圈故障频率，补充润滑脂后幅值没有明显趋势变化，说明轴承存在松动的情况，电机驱动端包络图谱中也存在明显的转频及其倍频，说明轴承松动情况较为明显。

该自无线状态监测系统运行后的第三份报告已有相关提示。电机在拆修过程中，确认存在轴承内圈松动跑套、轴径存在明显划痕等情况，如图3所示。经修复轴径、更换轴承等工作之后开机运行，机组恢复正常。

图1 循环水泵P4413电机驱动端水平包络峰值趋势图

图2 循环水泵P4411电机驱动端速度、加速度包络频谱图

图3 循环水泵电机驱动端轴径划痕

4 结语

在吉化北方公司锦江油化厂11台重要机泵上简便、安全、快速部署的无线状态监测系统，使重要机泵的振动、温度数据能够可视化、可追溯，客观、完整的保存了历史数据，尤其是能采集全面完整的振动数据波形，通过定期运行报告对机泵状态进行监测和预判，丰富了车间重要机泵的监测手段的同时，通过微信、APP等移动互联网技术的应用，方便设备技术管理人随时随地查看机泵告警及状态，提高了车间设备管理及预防性维修水平。