液货船潜液泵监测及预警系统设计

莫易敏，徐东辉，周廷美，廖 军

（武汉理工大学 机电工程学院，武汉 430070）

潜液泵是一种能够安装在液货舱底部的离心泵，用于将液货舱内的液货向外部输送，它主要应用在FPSO（浮式生产储油卸油装置）、成品油船、化学品船等液货船上[1]。潜液泵工作在原油、LNG（液化天然气）、化学品等易燃易爆危险品中，其运行可靠性及工作状态的优良决定着液货外输的效率及安全性能。因此，有必要建立一套潜液泵的监测预警系统，保证潜液泵单元运行的可靠性、安全性。本文将分析潜液泵各主要部件的失效模式，提出一套完整的潜液泵在线监测及故障预警系统的设计方案，实现对潜液泵运行状态的实时监测以及故障预警。

1 潜液泵失效模式与影响分析

失效模式与影响分析FMEA是一种用来确定系统内各部件潜在失效模式及失效后果的归纳分析方法。通过分析系统内各组成部分潜在的失效模式、原因、后果及现象，发现系统主要的故障模式，为设计、维修、安全等工作提供重要参考信息[2]。

潜液泵组成部件复杂，工作环境特殊，在工作中存在许多潜在的故障风险，一旦出现故障，整个液货卸载系统都将受到较大影响。因此，本文采用FMEA法，系统地分析潜液泵内各组成部件可能出现的失效模式，分析故障产生的原因和失效后果，然后按照各种故障发生的致命度进行排序，得出表1所示的FMEA分析结果。此分析结果为潜液泵监测与预警系统的重要设计依据。

表1 潜液泵失效模式与影响分析Tab.1 Failure mode and effects analysis of immersed pump

2 监测方案

根据FMEA分析结果中主要的失效模式及各部件发生失效时的现象，对潜液泵单元的监测可以通过对如下3部分的监测实现，分别为潜液泵密封监测、轴承磨损监测、潜液泵效率监测。

2.1 潜液泵密封监测

针对密封的监测，在顶板上设置密封泄漏监测腔，通过检查一定时间内监测腔内液位变化来监测轴封和机械密封的工作状态。由于不涉及到潜液泵的工作状态，可以采用巡检的方式进行监测。

2.2 轴承磨损监测

潜液泵的轴承发生大程度磨损后，液压马达回油清洁度将会降低，因此可通过回油滤器上的滤器阻塞报警进行监测，当回油滤器阻塞开关报警时，说明潜液泵驱动轴系有较大程度的磨损。

2.3 潜液泵效率监测

潜液泵故障主要集中在泵头组件上，但是泵头浸没在原油中，不允许设置任何带电设备。根据FMEA分析结果，当液压马达柱塞发生磨损、泵头叶轮出现气蚀及摩擦环发生磨损时，都将导致潜液泵工作效率降低。所以采用效率监测这种间接的方法对以上各故障进行监测。

潜液泵的效率计算公式为

式中：P出为输出功率，即货油通过潜液泵增加的功率，计算公式为

式中：ρ为货油密度，kg/m3；Q为货油出口流量，m3/h；H为等效位移，m。H的计算公式为

式中：ΔZ为出口压力传感器相对货油液位高度，m；PM为出口压力表测得压力，kPa；Vd为货油出口流速，计算公式为

式中：d为货油出口管径，m。

式（1）中P入为输入功率，即为液压油流经潜液泵内的液压马达所消耗的功率，计算公式为

式中：Py为调速阀出口压力，105Pa；Pb为回油油路背压，105Pa；Qy为液压油回油流量，m3/h。

由式（1）～（5）得到潜液泵的效率计算公式为

根据式（6）中的未知量确定需要监测的数据，绘制出监测点位示意图，如图1所示，图中TP1监测货油流量 Q，m3/h；TP2监测货油出口压力 PM，kPa；TP3 监测调速阀出口压力 Py，105Pa；TP4 监测液压油回油流量Qy，m3/h；h代表货油出口测压点距货油液位高度ΔZ，m。

图1 监测点位示意图Fig.1 Monitoring sites schematic

3 系统设计

潜液泵监测及预警系统主要包括硬件平台和软件平台。硬件平台主要功能是设置各类传感器以及通过液货船中控系统对危险部位进行监测，利用PLC对监测信号进行处理及通讯，工控机为系统数据的存储以及系统软件的运行提供平台；软件部分主要功能是通过软件的各个功能模块进行监测数据的采集、处理、分析以及存储，实现实时监测和故障预警的功能[3]。系统总体设计框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图Fig.2 Overall design of the system

3.1 硬件选型

综合考虑液货船上中控室和电控室环境、潜液泵工作环境、液货危险等级等因素，对监测及预警系统进行硬件设计，主要包括工控机、PLC及传感器的选型。

3.1.1 工控机配置

中控室内油气环境安全，温度变化范围为-30℃～40℃，相对湿度为95%RH，大气压力正常，结合功能要求，本系统选用研华IPC-610F型号工控机。基本配置为酷睿2代处理器，320 G SATA硬盘，内存4 GB，Windows XP 系统，2 个支持 RS232、RS422、RS485的串口，具有防尘过滤网的86CFM风扇。

3.1.2 PLC选型

PLC为系统的核心部件，安装在电控室内，工作环境与中控室相同。从I/O点数、存储器容量、处理速度以及经济性等方面考虑，本系统选用西门子公司S7-300 PLC，CPU模块选用315CPU，根据监测和控制需要，扩展2个DI模块和DO模块、1个AI模块和AO模块，同时配备RS485通讯模块，实现工控机和PLC两者的通讯。因为工控机位于船首中控室，而PLC位于船尾电控室，两者距离约为250 m，远超过RS232通讯方式中对距离小于15 m的要求，所以此处选择抗干扰能力强并且适于长距离通讯的RS485方式。

3.1.3 传感器选型

监测方案中部分监测参数从液货船中控系统获取，其余参数则需要设置相应的传感器获取，涉及到压力、流量等类型的传感器。另一方面，货油管路内部为0类危险区，对货油管路设置传感器，要求防暴等级必须为“Eexia IIC T6”，防护等级大于“IP66”[4]。综合考虑以上因素，对传感器进行选型，选型结果如表2所示。

表2 传感器信息Tab.2 Sensors information

3.2 软件实现

软件是硬件之间的桥梁，工作人员依托软件平台能够实现对潜液泵运行状态的监测，同时能够根据预警信息进行故障判断。从系统功能及软件产品的安全性和扩展性出发，本系统采用软件设计中常用的客户机和服务器 （C/S）这种结构，以Visual Studio 2010作为开发环境，采用C#语言，系统数据库选择Microsoft SQL Server 2005[5]。由图2系统总体设计框架图中软件平台部分可知，软件平台主要由数据采集、故障识别以及数据存储3大模块构成。

3.2.1 数据采集模块

数据采集模块主要功能是从传感器及中控系统获取各项监测数据，即工控机和PLC分别与中控系统之间的通讯功能。中控系统与工控机之间的通讯为液货系统自带功能不需要设计，这里设计PLC和工控机两者间的通讯。

从数据传输量、传输速率以及开发难易程度的角度出发，PLC和工控机之间选择MPI通讯协议，要实现这种通讯可以借助西门子公司PRODAVE 6.0提供的动态链接库（DLL）内的相应函数。具体方法为首先需要在VS平台中借助DllImport将W95-S7.DLL引入，然后通过调用DLL中的load_tool（）函数（建立连接）、new_ss（）函数（激活连接）、m_field_read 函数（数据读取）、unload_tool（）函数（断开连接）等函数，以此来实现通讯功能。

3.2.2 故障识别模块

故障识别模块主要功能是对潜液泵的工作状态进行判断。通过相关算法对采集到的监测数据进行处理和分析，例如潜液泵工作效率的计算；根据监测值与正常工况下的限值进行比较来识别是否为故障状态[6]；若出现故障，及时预警，提醒工作人员进行维护和检修；如未出现故障直接进入数据存储模块。故障识别模块的软件流程如图3所示。

图3 故障识别模块运行流程图Fig.3 Flow chart of fault identification module

3.2.3 数据存储模块

数据存储模块主要功能是对采集到的监测数据以及故障状态信息进行物理保存，以此作为历史信息查询的数据依据。首先根据监测数据和部件信息绘制实体-联系图（E-R图），以此来确定各数据之间的关系，然后分析数据类型，最后在Microsoft SQL Server 2005中利用语句建表这种快速、易于后期修改的方式建立数据表，通过以上步骤即可完成数据库的建立。另外，选择性的保留部分数据，对于不重要的运行数据设置失效性，保存周期为30 d。

4 功能验证

在各硬件连接设置完成的基础上，将编制好的软件安装到工控机，进行整个监测预警系统的功能验证。在某次试验中，人工将回油滤器的开关进行堵塞，测试系统是否进行故障预警，以及故障预警的准确性。试验发现，回油滤器开关堵塞后，监测模块能够进行轴承磨损的故障预警，预警准确。对于密封监测和效率监测进行类似验证，试验结果显示整个系统工作的稳定性和准确性都满足要求。

5 结语

液货船在海洋运输业中占有越来越重要的地位，潜液泵作为液货船中最为重要的工作单元之一，对其进行实时在线监测是十分必要的。潜液泵以及与其相关技术多被国外垄断，我国还没有掌握核心技术，进行自主研发的意义重大。本文提出的潜液泵监测及预警系统设计方案已经在某船用机械厂的潜液泵系统技术研究项目中通过试验验证，能够实现在线实时监测和故障预警功能，为潜液泵监测及预警系统的设计提供了实际参考。

[1]LI Qiang，LI Jian-zhong.The constructiong and implementation of the expert system of whole set oil-immersed pump lectotype[J].Mechanical Engineer，2008（6）：101-103.

[2]郑晶晶，张钦礼，王新民，等.充填管道系统失效模式与影响分析（FMEA）及失效影响模糊评估[J].中国安全科学学报，2009，19（6）：166-171.

[3]李明洋，胡连营，刘洪刚，等.太阳能-土壤源复合热泵监控系统的设计[J].自动化与仪表，2015，30（2）：42-45，62.

[4]韩政，朱永胜.爆炸性气体环境用电气设备的选择[J].电气开关，2003（2）：28-32.

[5]杨慧杰.基于C#的雨水情监控系统的设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（7）：65-68，76.

[6]方彦军，董政呈.基于ARM-Linux的火电机组在线性能监测系统[J].自动化与仪表，2014，29（8）：1-4，8.