状态监测系统在往复压缩机的应用与设计

李 贺

(北京杰利阳能源设备制造有限公司，北京 101500)

1 引言

往复压缩机结构复杂，维护成本高昂，机组体积沉重安装于固定基础，并且没有滑轨，在后期的大修情况非常不便，压缩机在整个场站生产工艺环节中又至关重要，例如炼油厂、天然气增压站、二氧化碳尾气回收。作为场站的关键设备，通过引入状态监测系统，预防重大事故发生，降低故障率延长设备大修周期，保障压缩机组平稳运行，可以取得较好的经济效益。

状态监测系统选用Dynamix1444系列状态监测系统(以下简称状态监测系统)，监测系统由动态监测模块、驱动器、数据线、传感器、结合上位机及历史监测软件组成，形成一套可视化的报警数据分析的监控系统，状态监测模块可以通过工业以太网与上位机通讯，包括2个工业以太网口，能够实现设备级环网功能，有效确保监测数据的传送。同时可以与Logix控制器结合的应用方式，对设备状态监测更全面，应用也更加灵活。

往复压缩机型号：DRESSER-RAND-7HOS4

增压方式：四级增压

增压范围：入口压力0.04 MPa，出口压力4.6 MPa

驱动功率：800 kW，同步转速：750 r/min

气体介质：二氧化碳

2 与往期压缩机状态监测对比

压缩机监测点通常是在轴瓦温度、曲轴振动、排气温度方面，监测点比较局限，出现故障能够表现出部分问题。在出现严重故障时产生报警，此时说明压缩机设备处于需要维护的状态。实际应用中基本可以降低危险事态扩大，能够降低事故范围，保障整个工艺系统安全运行，但远远不能保障压缩机本体自身的可靠运行。加入状态监测系统，对易损部件多方位监控，防止计划外停机，也避免造成意外损失，可以提供一个有效措施。

状态监测系统监测点分别是活塞杆偏摆、活塞杆沉降、压缩缸压力、压缩缸体振动、曲轴箱振动、主电机轴承振动。状态监测系统的硬件结构是传感器+状态监测模块+Logix控制器。状态监测模块为Logix控制器集成而设计，可以通过任何Allen-Bradley Control Logix控制器进行配置，作为1444系列状态监测系统在更大的设施控制以及信息管理方面有很好的协同能力。监测与采集数据的同时，可以对监测平台的数据进行逻辑控制，设置高低限值，超出设定的报警数值自动采取报警或停机处理。

3 状态监控系统

3.1 状态监测模块

状态监测模块包括主模块与扩展模块，主模块配备了扩展接口用以连接扩展模块，配置扩展模块的功能与信息设置是由主模块来完成的，它们之间的数据交互由底板总线进行传输。最小的状态监测系统可以由一个主模块+不大于3个扩展模块既可以组建完成。同时主模块配备了有交换机功能的两个RJ45接口，通过以太网通讯，把数据传送给Logix控制器。

主模块的测量输入信号为两类：一类是静态输入，例如：曲轴位置、活塞气缸连杆位置等，本项目活塞杆沉降、活塞杆偏摆与联轴器相位的监测配置了电涡流传感器；另一类是动态输入，例如：压缩缸的振动、压力等，压缩缸体振动、曲轴箱振动与主电机振动的监测配置了加速度传感器，动力气缸压力的监测配置了压力变送器。

扩展模块为状态监测系统提供辅助功能，兼顾场景需求以及系统功能的完善。在各种不同应用需求，配置相应用途的功能，扩展模块提供了在旋转设备的转速信号调节器功能、继电器输出功能以及模拟量输出方面的功能应用。

主模块选型：1444-DYN04-01RA

扩展模块选型：1444-TSCX02-02RB

3.2 网络结构(图1)

图1 状态监测系统网络结构图

压缩机动态监测系统采用的是工业以太网RJ45接口的规格，通讯协议是Ethernet TCP，也是市场主流的一个通讯标准，在后期的维护便捷性，不论是维护或是设备改造可以增加监控的设备，并且具备升级的空间。数据通讯网络拓扑：

(1)线型网络拓扑结构，就是模块到模块的以太网连接，模块首尾相连从而省去了交换机，组网结构简单，但当发生一处断线故障，故障后面的模块将无法通讯。

(2)星型网络拓扑结构，模块点对点与交换机连接，这种拓扑结构增加了网络的可靠性，但还需要增加一台多端口的交换机。

(3)DLR网络拓扑结构，为了解决通讯的稳定性和数据传输的可靠性，也是1444系列特有的网络结构。模块首尾相连组成一个环形网络拓扑结构，这样当出现一个通讯断路点，在很短的时间快速恢复网络通讯。从性能和安装方面来看都是最佳的方案。

3.3 传感器原理及选型

3.3.1 电涡流传感器

通过振荡器向传感器施加高频电流，传感器前端产生高频磁场，在目标上设备形成高频磁通产生涡电流，进而建立磁场影响传感器的阻抗，在驱动器建立了电压与阻抗的线性关系，把检测到的有效电压传送给状态测量模块。在软件内组态来实现不同的使用场景，实现探头的通用性互用性，提高使用效率，增加了维护的便捷性。

偏摆、沉降传感器选型：1442-PS-1104M0510N

相位传感器选型：1442-PS-0807M0010N

3.3.2 加速度传感器

在工业机械监测方面广泛使用加速度传感器，进行设备振动状态测量，特别是由于冲击引起的高频振动，相比速度传感器更适合冲击类的机械故障测量。在现场应用选型选择范围时考虑安装环境、危险区域、安装位置空间。加速度传感器又分为低频、中频、高频3种频率类型，对不同的应用场景匹配适当类型，可以为监测数据提供更高的精确性。

加速度传感器选型：1443-ACC-IS-T

3.3.3 压力传感器

压力传感器采用变送器的形式，在动力缸取一个压力点，通过引压管链接至变送器表头，在变送器经过转换，以4～20 mA信号传送至Logix控制器，传送数据的可靠性高，监测数据的精度可控。

压力变送器选型：罗斯蒙特3051系列变送器

3.4 软件系统

3.4.1 状态监测软件(图2)

图2 状态监测系统传感器布置图

Emonitor状态监测软件结合机组结构并与状态监测模块配套使用，分别监测4个缸体沉降、偏摆、十字头、主机轴承以及相位的状态。保障设备平稳安全运行，利用软件的历史分析功能帮助客户优化运行方案。后期对设备维护提供数据依据，提前预知设备状态做好相应计划检修安排。结合系统历史数据库存储设备运行数据，跟踪学习并结合软件逻辑分析输出可视图形，经过专业人员标定技术点，配置软件组态，提前预断并发出警示。结合上位机输出故障信息，把压缩机组状态展示给现场工作人员。

3.4.2 上位机软件

上位机系统是中控室对现场设备的监视与控制，实时的采集往复压缩机状态数据，包括压缩机系统的液位、气缸压力、排气温度、振动、偏摆、沉降等数据，通过可视画面将数据参数展示给工作人员，减少工作人员现场巡视，并优化现场设备的管理方式。上位机系统操作界面为多画面显示：设备控制、动态监测、参数显示、参数设置、报警画面和历史数据。例如：压缩机组需要停机时，通过“设备控制”发出停止运行指令，实现对机组的多维度的控制与管理。

3.4.3 触摸屏软件

触摸屏是压缩机组本地控制与现场监控的站点，是人员与机组设备交互的界面，在设备调试检修期间，方便现场工作人员查看机组数据，诊断设备异常运行状态。触摸屏组态的功能属性包括：输出控制、数据显示、报警提示、用户管理。压缩机组系统的运行与停止具备智能化自动控制，但在设备检修时，个别部件的运行是由触摸屏现场操作来完成。

3.5 Logix控制器

作为状态监测系统的中枢设备Logix控制器，它是上位机与状态监测系统数据传输的媒介，为整个设备状态的监测提供高效、稳定的性能支持。同时Logix控制器本地机架可以配置需求不同的输入输出模块，协同状态监测系统更灵活的功能配置提供选择。控制器型号配置为controllogix1756-L71，CPU运行稳定且内存储容量大，可以作为大型设备的控制平台。

4 安装与调试

4.1 状态模块盘面布置

状态监测模块在控制柜内的安装，考虑模块发热，结合控制柜空间，布置安装时上下留出余量空间，模块立式水平方放置，向通过自身上下散热孔来降低温度，减少温度积累保护动态模块，同时可以提高了模块运行的可靠性。

4.2 信号传输防干扰优化

避免附近大型整流设备以及高电压强磁场干扰，传感器探头信号传输线缆敷设做好屏蔽层防护，屏蔽层单端接地要有良好的接触及牢固性。同时独立穿管措施可以有效降低电磁干扰，避免与强电高压电缆等共同敷设，以免信号失真影响到有效数据传送。

4.3 配置IP地址

配置模块IP地址，使用工业以太网通讯，配置IP地址有两种方式：一种为硬件调节，状态模块留有三位十进制拨码开关，设定数值范围是000-255，不能与其它相同网段的设备重复，每个模块要有独立的IP地址，符合IPV4结构，例如：192.168.1.XXX；另一种为动态配置状态模块IP地址，通过软件自动搜索找到模块的MAC地址，与状态模块一一对应，为对应的MAC地址配置IP地址，状态监测系统与上位机通讯是以IP地址为通讯基础的一种寻址方式。

4.4 传感器位置调整

电涡流传感器，安装探头时距离1～1.5 mm，实际距离查看信号回路电压。调整传感器探头与目标被测设备距离，驱动器回路电压会产生线性电压，0～10 V为正常电压信号，在正常电压区间内说明电涡流传感器安装位置适当。

5 结论

目前，大型往复式压缩机应用状态监测系统选择比较广泛，每个品牌型号有各自特点，为多样化监控系统提供选择。而罗克韦尔状态监测系统的优点在数据处理方面，特别是振动数据相关的幅值、频率、相位方面的应用。提高了往复压缩机运行的稳定性，在出现轻微不可察觉情况提前预警，降低意外情况停机频率，为机组长期运行提供保障。随着数字化技术，计算机技术、智能化技术的发展，可以实时对往复压缩机状态监测、数据分析，也将会是未来的发展趋势。