某海上平臺(tái)設(shè)備故障智能預(yù)警系統(tǒng)集成及驗(yàn)證應(yīng)用

李 明，于成龍，朱澤錦，楊 森

（中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江）

序言

海上平臺(tái)機(jī)械設(shè)備種類(lèi)繁雜、數(shù)量多，部分動(dòng)設(shè)備24 小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載率高，加之海上平臺(tái)高熱、鹽霧及臺(tái)風(fēng)的影響，設(shè)備故障率相對(duì)較高。傳統(tǒng)的故障診斷主要靠海上人員巡檢過(guò)程中識(shí)別，受人工巡檢頻次及巡檢人員技術(shù)水平的限制，機(jī)械設(shè)備故障識(shí)別的主觀性強(qiáng)、無(wú)法設(shè)置統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)故障后，具體故障通過(guò)技術(shù)人員通過(guò)的“望、聞、問(wèn)、切”方式進(jìn)行，機(jī)械設(shè)備構(gòu)件復(fù)雜，對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)提出極高的要求。通過(guò)目前石油行業(yè)機(jī)械設(shè)備常用的振動(dòng)、噪聲、溫度等的監(jiān)測(cè)手段，實(shí)行24 小時(shí)設(shè)備監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高設(shè)備故障診斷率，減輕現(xiàn)場(chǎng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。綜合海上平臺(tái)面積、機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)、各種監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟度、費(fèi)用等各方面因素，采用光纖聲傳感、熱紅外成像、圖像傳感等技術(shù)，并集成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件原理及選取

1.1 光纖聲傳感子系統(tǒng)

1.1.1 光纖聲傳感子系統(tǒng)光路

該子系統(tǒng)主要是利用光纖聲傳感器感應(yīng)空氣中聲壓的變化。光纖聲傳感器主要有干涉型光纖聲、光纖激光聲兩種類(lèi)型傳感器。干涉型光纖聲傳感器成本上有一定優(yōu)勢(shì)。但光纖激光聲傳感器其尺寸比干涉型光纖聲傳感器探頭小，且更易于使用光通信中的波分復(fù)用等多路復(fù)用技術(shù)組成聲傳感器陣列。綜合考量，采用光纖激光聲傳感器。

DFB 光纖激光聲傳感器光路主要由諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源三個(gè)基本組成部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 DFB 光纖激光聲傳感器光路示意

常用于解調(diào)DFB 光纖激光聲傳感器信號(hào)的光纖干涉儀有非平衡馬赫-曾德、非平衡邁克爾遜等兩種光纖干涉儀。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜光纖干涉儀能做到干涉信號(hào)幾乎不受光偏振態(tài)的影響，更有利于后續(xù)的信號(hào)解調(diào)，光路示意見(jiàn)圖2。

圖2 非平衡邁克爾遜光纖干涉儀DFB 光纖激光聲傳感器光路示意

在信號(hào)解調(diào)中，常用的算法有NPS、NRL、PGC 三種，它們?cè)赑ZT 調(diào)制信號(hào)、干涉光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)稱(chēng)性、電路帶寬、數(shù)字信號(hào)采樣率、數(shù)字信號(hào)解調(diào)算法計(jì)算量、電路和光路結(jié)構(gòu)等方面有相似和不同的地方。PGC 算法對(duì)光電探測(cè)電路的帶寬和DSP 實(shí)時(shí)信號(hào)運(yùn)算量要求最高，但對(duì)電路和光路的路數(shù)要求最低；NRL 和NPS 算法對(duì)光電探測(cè)電路的帶寬和DSP 實(shí)時(shí)運(yùn)算量要求比PGC 算法低，NRL 算法對(duì)對(duì)電路和光路的路數(shù)要求比NPS算法低。所以，從DSP 運(yùn)算量和硬件（電路和光路）結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面綜合考慮，以PGC 和NRL 算法較為合適。綜合考量，采用NRL 算法。

常見(jiàn)的光纖通信多路復(fù)用技術(shù)有波分復(fù)用（WDM）、空分復(fù)用（SDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）等類(lèi)型[1]。在光纖激光器傳感器中，波分復(fù)用器通道間串?dāng)_非常小，較易將中心波長(zhǎng)不同的DFB 光纖激光聲傳感器通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)組成陣列。空分復(fù)用技術(shù)技術(shù)層面上具有可行性，但通道間串?dāng)_較大，而提高光開(kāi)關(guān)的性能，存在一定技術(shù)難度和成本問(wèn)題。時(shí)分復(fù)用技術(shù)需要將光纖激光器調(diào)制成脈沖輸出形式，頻分復(fù)用則需要將光纖激光器輸出功率按頻率進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)這些調(diào)制要么會(huì)破壞光的相位連續(xù)性而無(wú)法通過(guò)干涉技術(shù)解調(diào)出傳感信號(hào)，要么技術(shù)復(fù)雜且大幅增加陣列體積和成本而變得無(wú)實(shí)用價(jià)值，采用波分復(fù)用技術(shù)。

1.1.2 光纖聲傳感子系統(tǒng)電路

電路由4 個(gè)信號(hào)處理模塊和1 個(gè)信號(hào)發(fā)生模塊以及電源模塊構(gòu)成，如圖3 所示。每個(gè)信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)2 個(gè)陣元信號(hào)的接收、處理和輸出，模塊中采用NRL 解調(diào)算法，需每個(gè)陣元的2 路干涉光強(qiáng)信號(hào)。1個(gè)信號(hào)處理模塊由4 路光電探測(cè)電路、4 路ADC 電路、2 路DAC 電路和1 片DSP 構(gòu)成，在1 片DSP 中完成2 個(gè)陣元的信號(hào)解調(diào)運(yùn)算。信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生4kHz正弦波信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)PZT。電源模塊將輸入的±5V 直流電源濾波后供給樣機(jī)電路中的模擬電路部分，同時(shí)將+5V 直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換為3.3V、2.5V、1.5V、1.2V 和1.05V 等直流電源給數(shù)字電路（DSP 電路等）供電。

圖3 電路總體構(gòu)成示意

1.2 熱紅外成像傳感系統(tǒng)

紅外檢測(cè)技術(shù)原理是通過(guò)被測(cè)設(shè)備發(fā)射紅外輻射信號(hào)獲得該設(shè)備表面熱狀態(tài)信息。紅外熱成像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)，經(jīng)過(guò)光譜濾波、空間濾波，使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上[2]。對(duì)被測(cè)物的紅外熱像進(jìn)行掃描并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖[3-4]，見(jiàn)圖4。

圖4 熱紅外成像原理（據(jù)文獻(xiàn)7）

熱紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用，可以超越視覺(jué)障礙更加清晰的觀察物體表面溫度實(shí)際分布[5]，比傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)定位更精準(zhǔn)、穿透力更強(qiáng)[6]，具有非接觸式檢測(cè)保障安全、直觀性強(qiáng)、精確度高、測(cè)溫范圍寬、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[7]。紅外熱像儀以其隱蔽性好、具有穿透煙、霧、雨、雪等限制以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全天候觀察等優(yōu)點(diǎn)，在偵查、導(dǎo)航、氣象、醫(yī)學(xué)熱診斷、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。

1.3 圖像傳感系統(tǒng)

圖像傳感系統(tǒng)為利用攝像頭獲取被測(cè)設(shè)備圖像后，在利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行特征識(shí)別。圖像識(shí)別技術(shù)的過(guò)程包括：信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類(lèi)器設(shè)計(jì)和分類(lèi)決策[9]。圖像識(shí)別相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品目前已得到非常廣泛的應(yīng)用，如身份驗(yàn)證領(lǐng)域的人臉識(shí)別，安全管理上的人員勞保穿戴不規(guī)范、違章作業(yè)，停車(chē)場(chǎng)車(chē)牌識(shí)別等。在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)上，可以很好的識(shí)別機(jī)體外殼破損、接頭漏油漏液、部件松動(dòng)等跑冒滴漏問(wèn)題。

2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)及集成

光纖聲傳感、熱紅外成像、圖像傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊利用與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、特征庫(kù)的比對(duì)，通過(guò)智能學(xué)習(xí)/人工介入（必要時(shí)）等實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警（具體見(jiàn)圖5），由服務(wù)器完成對(duì)采集到數(shù)據(jù)的分析存儲(chǔ)，歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢、顯示等任務(wù)，最終在人機(jī)交互界面顯示。

圖5 設(shè)備故障智能預(yù)警系統(tǒng)原理

3 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)驗(yàn)證

故障智能預(yù)警設(shè)備集成并完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后，安裝在某海上平臺(tái)機(jī)泵艙，根據(jù)噪聲、溫度等異常，識(shí)別出海水泵聯(lián)軸節(jié)減振膠圈磨損故障、海水泵軸承磨損松動(dòng)、燃油輸送泵不對(duì)中、閉排泵氣蝕等故障。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員拆開(kāi)設(shè)備維修，確認(rèn)的故障與故障智能預(yù)警系統(tǒng)識(shí)別的故障一致，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 設(shè)備狀態(tài)正常情況光纖聲陣列譜圖

圖7 軸承內(nèi)圈發(fā)生故障狀態(tài)光纖聲陣列譜圖

4 結(jié)論

故障智能預(yù)警系統(tǒng)集成光纖聲傳感、熱紅外成像傳感、圖像傳感等技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證過(guò)程中準(zhǔn)確識(shí)別出海水泵聯(lián)軸節(jié)減振膠圈磨損故障、海水泵軸承磨損松動(dòng)、燃油輸送泵不對(duì)中、閉排泵氣蝕等故障。該預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某海上平臺(tái)重要設(shè)備的時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高設(shè)備故障診斷率，大大減輕現(xiàn)場(chǎng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。