iPHM 在线状态监测系统在电厂的应用

水 龙，刘红彦，秦少锋，郝兆鹏

（1.西安因联信息科技有限公司，陕西西安 710065；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；3.杭州安脉盛智能技术有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

随着我国经济发展进入新阶段，增速有所放缓，伴随着国家能源结构的调整，火电企业成本上升、利润下降，如何降本增效以提高市场竞争力，是火电企业面临的一道难题。而设备故障预警和状态监测已成为一种重要的保障措施，从而确保设备安全、平稳、可靠地运行[1-2]。

PHM（Prognostic and Health Management，设备故障预测与健康管理系统）是利用物联网与大数据技术，聚焦水泥、化工、造纸等行业的关键设备，通过对现场设备数据的实时采集、分析以达到实时监测、故障预测以及健康管理的目的。西安因联信息科技有限公司（以下简称西安因联）iPHM 系统采用SaaS（Software-as-a-Service，软件运营）服务模式，提供轻量级的应用，方便满足不同用户标准化或定制化需求，大幅度降低企业信息化门槛与风险，帮助企业快速实现数字化、信息化转型。

1 SaaS-iPHM 系统架构及硬件结构

西安因联iPHM 系统如图1 所示，通过传感器将设备运行、振动、环境等相关数据采集至工业大数据平台，依托智能分析算法，为使用者提供设备的状态监测、故障诊断与分析，设备能效分析、全生命周期管理等，服务于企业管理者、设备管理人员、诊断工程师以及运维保养人员。

图1 iPHM 设备故障预测与健康管理系统

1.1 数据采集端

现场部署的振动采集单元分为无线采集端元和有线采集单元。无线采集单元由西安因联自主研发的无线传感器（WS）及无线网关（WG）组成；有线采集单元由西安因联自主研发的有线传感器及有线监测站（VibSCAN）组成。

将传感器部署在现场设备相应的测点上，通过传感器将该测点的温度、加速度、速度、加速度包络等特征值采集，通过先进的数字信号处理算法，将其转换为可反映机组健康状况的特征参数。

1.2 网络传输端

设备振动数据通过传感器采集后，需要将数据进行上传，因需求和传感器的类型不同，分为无线传输和有线传输两类，无论是哪种传输方式，其与服务器之间的传输都有4 种方式：4G、Wi-Fi、光纤、网线。

1.2.1 无线传输

无线传感器将采集到的数据通过独创的网络传输协议上传网关，与目前应用较多的ZigBee 网络传输协议相比，本产品可以实现全网格型无线拓扑结构，每个网络节点既可以作为传输节点，同时可作为中继节点，保证同时存在多条传输路径，提高网络的可靠性。

采集iCMS 无线状态监测系统由西安因联自主研发、针对企业重要设备现场维护指导需求提出的解决方案，可实现在工业现场灵活部署及连续在线监测，尤其适用于设备分散的防爆工业现场。

无线状态监测的硬件设备由无线传感器及无线网关组成。无线传感器可同时采集振动及温度信号，并通过先进的数字信号处理算法，将其转换为可反映机组健康状况的特征参数。数据的传输采用无线方式，大大节省了布线及施工周期，降低了现场部署难度。

1.2.2 有线传输

有线监测用于工业现场设备在线监测，与有线传感器组成监测系统的核心部分。可支持多种类型的传感器接入，如：加速度振动传感器、加速度-振-温一体传感器、转速传感器等，并且支持所有通道数据同步采集，具备高采样率，高精度的特性，适用于工业现场环境，可以很好地满足企业针对关键设备的在线状态监测需求。

VibSCAN 是西安因联自主研发的高性价比的设备在线状态监测方案，可以替代现有的人工巡检模式，很好地满足企业对关键设备的在线状态监测需求。VibSCAN 可提供16 路振动通道、4 路工艺量参数以及2 通道的转速信号的采集，适用于电机、风机、泵、滚动轴承、齿轮箱等旋转设备的在线状态监测。

VibSCAN 成本低、性价比高，分布式监测网络结构，采用RS485 网络，抗干扰性强，传输距离可达到1200 m（不加中继器），采用基于ModBus 的通信协议，数据传输更可靠，采用的是方便部署和安装的B/S 架构。

1.3 设备健康管理平台

设备健康管理平台结合当下流行的物联网、大数据、微服务等技术，采用分层设计的理念为客户提供完备的设备在线监控应用，平台主要分为数据采集层、平台核心能力层、智能应用层三大部分。

设数据采集层能够采集底层传感器的数据，包含有线振动、无线振动、转速等，并能支持通过标准协议的方式接入设备的运行、工艺等多种类型的数据。

平台核心能力层针对采集到的数据进行持久化服务，数据清洗、过滤。

基于设备的多维度数据，应用层提供智能预警、智能诊断等应用服务，实现关键设备运行状态的自行监护及精密诊断。

Web 展示及配置通过良好的界面系统将所监测到的设备运行状态等数据呈现在人的面前，根据需求通过界面对测量方案、数据采集等进行修改配置，之后将数据存储在服务器上。数据采集单元的设置通过Web 服务与数据采集分析服务的交互完成[3]。

2 SaaS-iPHM 在线状态监测系统软件

SaaS-iPHM 系统软件包含SaaS-iPHM 主界面、iDTP 诊断分析系统、IoT 配置管理系统三部分。

2.1 SaaS-iPHM 主界面

系统主要以浏览器为载体，通过在线监测网站进入系统，可查看设备信息。系统主要包含设备状态监测、设备&测点异常告警、远程智能诊断、能效分析、设备健康与全生命周期管理。

2.2 iDTP 诊断分析系统

诊断分析（iDTP）是因联的一款专业在线分析工具，可以从主界面中诊断分析模块直接跳转，或通过网址直接登录诊断分析系统，通过趋势图来展示设备监测期间不同测点相应的振动信号和特征值信息。用户可通过区域缩放、双游标、放大、缩小、单位换算等功能查看波形频谱图、瀑布图、倒谱图，辅助完成故障诊断。

2.3 IoT 配置管理系统

IoT 配置管理系统是一个综合的业务与运维管理平台，主要服务于系统运维和管理人员，方便系统运维和管理人员对系统信息、用户、权限信息、设备信息等相关信息进行统一的配置和管理。

3 系统现场应用

在目前的检维修模式下，机组的振动、温度等重要参数，均通过人工定时、定点现场测量，不但费时费力，而且可能因客观或主观因素导致测量数据不准确、不及时，还有可能错过因某种原因导致设备振动大时没有采集到相关数据，从而失去了第一手资料，对设备的状态失去了准确的判断，最终将伴随着过度检修、未及时检修等问题[4]。

3.1 电厂泵群在线状态监测系统

根据电厂机泵群状态监测的需求，对全厂10 种27 台单机组的辅机关键旋转设备安装了121 个振-温一体传感器，根据现场设备结构、工况、故障率等信息，进行了差异化的部署，现场施工主要为传感器及网关的安装。传感器通过螺柱连接底座，底座通过强力胶粘结在设备相应的测点位置，根据现场实际情况，全场共布置了8 台网关，而网管部署的场所必须要有良好的通信环境。

根据传感器本身的特性和现场对于设备监测的要求，设备振动采集时间间隔为每30 min 一次特征值，温度每5 min 采集一次，每天3 组波形频谱图上传，传感器电池能达到两年左右的使用寿命。

自系统上线后，设备管理及维修人员均可通过微信小程序实时查看设备状态，接收设备报警信息，第一时间了解设备动态，为设备安全运行提供良好的环境，解决了点巡检模式下所不能解决的问题，优化了设备管理模式，提升了管理效率[5]。

3.2 典型案例分析

3.2.1 密封风机驱动端轴承故障

某电厂2#机组风机8 月14 日振动趋势开始上升，如图2所示，在加速度包络频谱中能看到轴承故障频率及其谐频，并伴有工频的边带，如图3 所示，8 月15 日联系现场相关人员，对风机驱动端轴承补加适量润滑脂，以保证轴承良好的润滑环境，延长使用寿命，9 月10 日该风机停机检修，9 月13 日更换风机轴承。

图2 风机驱动端加速度包络趋势

图3 风机驱动端加速度包络频谱

机组拆解后，发现风机驱动端轴承损坏严重（图4）。从检修前故障判断到检修时跟踪再到检修后状态评估的全过程，诊断结果的正确性得到了全面的验证。而此次设备的维修形式以系统对设备的报警为开始，经过诊断工程师对设备进行详细故障诊断分析，最后以客户对设备进行停机检修为结尾，颠覆了传统的检维修模式。

图4 风机驱动端损坏的轴承

经过此次全新完整的检维修模式，不仅验证了系统的可靠性、分析的准确性、检修的及时性，避免了一次重大设备事故的发生，同时也得到了客户认可。检修后设备振动值恢复正常，完全满足设备正常的运转要求，机组检修前后状态对比见表1。

表1 机组检修前后状态

3.2.2 循环泵电机驱动端轴承故障

8 月12 日某电厂2#机组循环泵电机驱动端加速度包络小幅度上升，8 月14 日开始突然上升，幅值翻了5 倍左右，频谱中能看到轴承故障频率及其谐频，8 月15 日联系现场相关人员，对电机驱动端轴承补加适量润滑脂，以改善设备状态，机组可继续运转，8 月24 日该机组停机检修，8 月26 日更换完电机驱动端轴承，如图5、图6 所示。

图5 电机驱动端加速度包络趋势

图6 电机驱动端加速度包络频谱

电机驱动端拆开后发现轴承外圈有剥落，如图7 所示。从第一次加速度包络上升判断轴承处于早期故障，建议添加润滑脂改善轴承运行环境，机组可继续运转，现场添加润滑脂后，加速度包络上升值虽然降低，但是现场还是安排了更换电机驱动端轴承，拆解的结果全面验证了诊断的正确性，再次验证了该系统对设备维修模式的可靠性。

图7 电机驱动端轴承剥落

4 结语

通过在某电厂2#机组上应用，验证系统的预警及分析可靠精准，从轴承早期故障的发现到轴承故障的晚期，都能及时发现、及时提醒。现场人员根据诊断的情况结合现场设备情况及管理需求做出合理的检维修安排，既能预防突发事故的发生，也能提前发现故障，做到了预防性维修，避免过度维修，为电厂的安全运行提供保障，同时优化备品配件的采购及储备数量，减少浪费，为企业带来巨大的经济效益。