iPHM 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用

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(shù)有限公司，天津 300452；3.杭州安脈盛智能技術(shù)有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新階段，增速有所放緩，伴隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，火電企業(yè)成本上升、利潤(rùn)下降，如何降本增效以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是火電企業(yè)面臨的一道難題。而設(shè)備故障預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)測(cè)已成為一種重要的保障措施，從而確保設(shè)備安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行[1-2]。

PHM（Prognostic and Health Management，設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)）是利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，聚焦水泥、化工、造紙等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)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(jiǎn)稱西安因聯(lián)）iPHM 系統(tǒng)采用SaaS（Software-as-a-Service，軟件運(yùn)營(yíng)）服務(wù)模式，提供輕量級(jí)的應(yīng)用，方便滿足不同用戶標(biāo)準(zhǔn)化或定制化需求，大幅度降低企業(yè)信息化門檻與風(fēng)險(xiǎn)，幫助企業(yè)快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型。

1 SaaS-iPHM 系統(tǒng)架構(gòu)及硬件結(jié)構(gòu)

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

圖1 iPHM 設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)采集端

現(xiàn)場(chǎng)部署的振動(dòng)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(guān)（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(cè)站（VibSCAN）組成。

將傳感器部署在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)上，通過傳感器將該測(cè)點(diǎn)的溫度、加速度、速度、加速度包絡(luò)等特征值采集，通過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法，將其轉(zhuǎn)換為可反映機(jī)組健康狀況的特征參數(shù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸端

設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)通過傳感器采集后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)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(dú)創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議上傳網(wǎng)關(guān)，與目前應(yīng)用較多的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議相比，本產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)格型無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以作為傳輸節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可作為中繼節(jié)點(diǎn)，保證同時(shí)存在多條傳輸路徑，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

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

無線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備由無線傳感器及無線網(wǎng)關(guān)組成。無線傳感器可同時(shí)采集振動(dòng)及溫度信號(hào)，并通過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法，將其轉(zhuǎn)換為可反映機(jī)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(chǎng)部署難度。

1.2.2 有線傳輸

有線監(jiān)測(cè)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，與有線傳感器組成監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感器、加速度-振-溫一體傳感器、轉(zhuǎn)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(chǎng)環(huán)境，可以很好地滿足企業(yè)針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求。

VibSCAN 是西安因聯(lián)自主研發(fā)的高性價(jià)比的設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)關(guān)鍵設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求。VibSCAN 可提供16 路振動(dòng)通道、4 路工藝量參數(shù)以及2 通道的轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，適用于電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、滾動(dòng)軸承、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

VibSCAN 成本低、性價(jià)比高，分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用RS485 網(wǎng)絡(luò)，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離可達(dá)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(gòu)。

1.3 設(shè)備健康管理平臺(tái)

設(shè)備健康管理平臺(tái)結(jié)合當(dāng)下流行的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)等技術(shù)，采用分層設(shè)計(jì)的理念為客戶提供完備的設(shè)備在線監(jiān)控應(yīng)用，平臺(tái)主要分為數(shù)據(jù)采集層、平臺(tái)核心能力層、智能應(yīng)用層三大部分。

設(shè)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(dòng)、無線振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等，并能支持通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的方式接入設(shè)備的運(yùn)行、工藝等多種類型的數(shù)據(jù)。

平臺(tái)核心能力層針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化服務(wù)，數(shù)據(jù)清洗、過濾。

基于設(shè)備的多維度數(shù)據(jù)，應(yīng)用層提供智能預(yù)警、智能診斷等應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自行監(jiān)護(hù)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(cè)到的設(shè)備運(yùn)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(duì)測(cè)量方案、數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行修改配置，之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器上。數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)置通過Web 服務(wù)與數(shù)據(jù)采集分析服務(wù)的交互完成[3]。

2 SaaS-iPHM 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)站進(jìn)入系統(tǒng)，可查看設(shè)備信息。系統(tǒng)主要包含設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備&測(cè)點(diǎn)異常告警、遠(yuǎn)程智能診斷、能效分析、設(shè)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(zhuǎn)，或通過網(wǎng)址直接登錄診斷分析系統(tǒng)，通過趨勢(shì)圖來展示設(shè)備監(jiān)測(cè)期間不同測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)和特征值信息。用戶可通過區(qū)域縮放、雙游標(biāo)、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(gè)綜合的業(yè)務(wù)與運(yùn)維管理平臺(tái)，主要服務(wù)于系統(tǒng)運(yùn)維和管理人員，方便系統(tǒng)運(yùn)維和管理人員對(duì)系統(tǒng)信息、用戶、權(quán)限信息、設(shè)備信息等相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)一的配置和管理。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在目前的檢維修模式下，機(jī)組的振動(dòng)、溫度等重要參數(shù)，均通過人工定時(shí)、定點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且可能因客觀或主觀因素導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不及時(shí)，還有可能錯(cuò)過因某種原因?qū)е略O(shè)備振動(dòng)大時(shí)沒有采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，從而失去了第一手資料，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)失去了準(zhǔn)確的判斷，最終將伴隨著過度檢修、未及時(shí)檢修等問題[4]。

3.1 電廠泵群在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)電廠機(jī)泵群狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)全廠10 種27 臺(tái)單機(jī)組的輔機(jī)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備安裝了121 個(gè)振-溫一體傳感器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工況、故障率等信息，進(jìn)行了差異化的部署，現(xiàn)場(chǎng)施工主要為傳感器及網(wǎng)關(guān)的安裝。傳感器通過螺柱連接底座，底座通過強(qiáng)力膠粘結(jié)在設(shè)備相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，全場(chǎng)共布置了8 臺(tái)網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)管部署的場(chǎng)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(chǎng)對(duì)于設(shè)備監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)備振動(dòng)采集時(shí)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(dá)到兩年左右的使用壽命。

自系統(tǒng)上線后，設(shè)備管理及維修人員均可通過微信小程序?qū)崟r(shí)查看設(shè)備狀態(tài)，接收設(shè)備報(bào)警信息，第一時(shí)間了解設(shè)備動(dòng)態(tài)，為設(shè)備安全運(yùn)行提供良好的環(huán)境，解決了點(diǎn)巡檢模式下所不能解決的問題，優(yōu)化了設(shè)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(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承故障

某電廠2#機(jī)組風(fēng)機(jī)8 月14 日振動(dòng)趨勢(shì)開始上升，如圖2所示，在加速度包絡(luò)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(chǎng)相關(guān)人員，對(duì)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承補(bǔ)加適量潤(rùn)滑脂，以保證軸承良好的潤(rùn)滑環(huán)境，延長(zhǎng)使用壽命，9 月10 日該風(fēng)機(jī)停機(jī)檢修，9 月13 日更換風(fēng)機(jī)軸承。

圖2 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)趨勢(shì)

圖3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜

機(jī)組拆解后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承損壞嚴(yán)重（圖4）。從檢修前故障判斷到檢修時(shí)跟蹤再到檢修后狀態(tài)評(píng)估的全過程，診斷結(jié)果的正確性得到了全面的驗(yàn)證。而此次設(shè)備的維修形式以系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的報(bào)警為開始，經(jīng)過診斷工程師對(duì)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)故障診斷分析，最后以客戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢修為結(jié)尾，顛覆了傳統(tǒng)的檢維修模式。

圖4 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端損壞的軸承

經(jīng)過此次全新完整的檢維修模式，不僅驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、分析的準(zhǔn)確性、檢修的及時(shí)性，避免了一次重大設(shè)備事故的發(fā)生，同時(shí)也得到了客戶認(rèn)可。檢修后設(shè)備振動(dòng)值恢復(fù)正常，完全滿足設(shè)備正常的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，機(jī)組檢修前后狀態(tài)對(duì)比見表1。

表1 機(jī)組檢修前后狀態(tài)

3.2.2 循環(huán)泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承故障

8 月12 日某電廠2#機(jī)組循環(huán)泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)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(chǎng)相關(guān)人員，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承補(bǔ)加適量潤(rùn)滑脂，以改善設(shè)備狀態(tài)，機(jī)組可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，8 月24 日該機(jī)組停機(jī)檢修，8 月26 日更換完電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承，如圖5、圖6 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)趨勢(shì)

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(luò)上升判斷軸承處于早期故障，建議添加潤(rùn)滑脂改善軸承運(yùn)行環(huán)境，機(jī)組可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)添加潤(rùn)滑脂后，加速度包絡(luò)上升值雖然降低，但是現(xiàn)場(chǎng)還是安排了更換電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承，拆解的結(jié)果全面驗(yàn)證了診斷的正確性，再次驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備維修模式的可靠性。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承剝落

4 結(jié)語

通過在某電廠2#機(jī)組上應(yīng)用，驗(yàn)證系統(tǒng)的預(yù)警及分析可靠精準(zhǔn)，從軸承早期故障的發(fā)現(xiàn)到軸承故障的晚期，都能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)提醒?，F(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)診斷的情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況及管理需求做出合理的檢維修安排，既能預(yù)防突發(fā)事故的發(fā)生，也能提前發(fā)現(xiàn)故障，做到了預(yù)防性維修，避免過度維修，為電廠的安全運(yùn)行提供保障，同時(shí)優(yōu)化備品配件的采購(gòu)及儲(chǔ)備數(shù)量，減少浪費(fèi)，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。