石油机械设备状态的故障监测诊断系统构建研究_贾凯雄.pdf
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1、设备管理与维修2023 5(下)0引言现在的石油开采工作中离不开先进的石油机械设备,由于开采工作通常为野外作业,而且需要不断进行迁移,导致石油机械设备容易出现磨损、变形乃至腐蚀现象,从而影响设备的性能,增大石油安全生产事故的发生概率1。因此,石油机械设备状态监测工作具有重要现实意义,需要采用先进的技术手段来提高监测效率。本研究提出了一套故障监测诊断系统方案,专门用于石油机械设备的状态监测。1系统整体架构从需求角度分析,石油机械设备状态的故障监测诊断系统应具备数据传输与处理功能、设备重要性分级处理功能、存储功能、故障诊断功能、预警功能与设备结果可视化功能,以实现对不同石油机械设备的故障判断,并以
2、报警的形式提醒相关管理人员第一时间加以处理,避免出现安全生产事故2。考虑到功能需求,本研究构建的石油机械设备状态故障监测诊断系统采用 B/S 三层架构(图 1)。整个系统架构分为 3 层,分别是数据采集层、故障诊断层与结果显示层。其中,数据采集层是整个系统的基础构成,主要通过对石油机械设备布设相关信息采集设备进行油气数据获取,为后续故障诊断提供关键数据信息;故障诊断层是系统的核心层,本系统主要采用激光拉曼光谱仪来对数据采集层传输的信息进行分析,从而获取到对应的拉曼光谱效应,再利用分类识别算法判断目标设备是否存在故障问题;结果显示层为整个系统的终端,可以以可视化的方式将系统诊断结果传递至系统终端
3、,用户可通过 ID 登录的方式进行查看,如有异常问题可在第一时间进行处理。2模块设计本监测诊断系统有油气采集模块、油气分析模块、无线通信模块以及用户操作模块等,首先通过油气采集模块收集各类石油机械设备的油气数据,然后在油气分析模块进行故障分析与诊断,最后再将诊断结果传输至系统终端,以可视化显示的方式展现给用户,为用户管理石油机械设备提供数据参考。油气采集模块布设于石油开采现场,通过不锈钢软管与监测接口连接,连接时需要注意确保接口密封,不会出现漏油现象。该模块也是整个系统的运行基础,按照特定周期进行油气采集,主要通过单片机向采集模块发送采集命令,通过控制油泵以及阀门来最终完成油气的自动采集与输送
4、。油气分析模块主要是对油气采集模块传输过来的油气样本进行故障分析,油气采集模块与激光拉曼光谱仪相连,通过ATR8000 型激光拉曼光谱仪对油气数据进行拉曼效应分析。ATR8000 型激光拉曼光谱仪的优势在于采用高精度二维平台,而且内部配备了全自动扫描检测技术,可以同时检测 100 种样本,信息传输较快(图 2)。基于上述流程,可以获得对应的拉曼效应光谱图,从而获取对应目标设备油气的物质构成信息。一般情况下主要是通过拉曼效应光谱图特征来识别油气特征,一般频移可提取到物质组成特征,峰位变化对应分析油气分子应力,峰宽变化对应分析晶体质量,峰强度对应分析物质总量3。通过分析上述数据是否存在异常情况,即
5、超出标准值范围,并配合分类诊断算法完成故障摘要:石油机械设备的运行环境复杂且会受到诸多外界因素的影响,在运行过程中会出现故障。为提高设备的运行可靠性与安全性,构建由单片机控制的石油机械设备状态故障监测诊断系统,通过数据的收集、整理与反馈形成故障监测结果,并根据不同监测等级实时监测控设备的工作状态,准确判断运行过程中存在的潜在故障,并及时诊断故障与处理。该系统有效提升了石油机械设备的监测诊断效率。关键词:石油机械设备;故障监测;状态诊断中图分类号:TE938文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.17石油机械设备状态的故障监测诊断系统构建研究贾
6、凯雄(川庆钻探长庆井下技术作业公司,陕西西安710018)图 1故障监测诊断系统框架设计38设备管理与维修2023 5(下)诊断作业。具体故障诊断流程如下:(1)导入石油机械设备的油气数据。(2)对采集到的油气数据样本进行去噪处理,去噪后的油气数据 p(z)=exp-(z-)2/222。其中,z、分别为原始油气数据、置信区间阈值和数据长度。(3)根据去噪后的油气数据 p(z)进行激光拉曼光谱仪油气分析,并得到拉曼效应光谱图特征,从而获取到油气数据特征。(4)建立分类分级处理数据。(5)输入油气数据,并与设定好的监测因子进行匹配,计算二者间的距离 D=Fi-Si=k(fik-Sik)1。其中,f
7、i、Si分别为监测因子与油气数据,fik、Sik分别为第 k 个数据的第 i 个监测因子与自体因子值,为重叠率。(6)判断 D 处于分类分级处理数据的哪一个级别,从而判断出设备具体运行状态与故障情况。(7)故障诊断结束。通过上述完整的故障监测诊断流程,完成石油机械设备故障诊断,然后将结果传输至用户操作模块,配合用户共同完成设备管理以及故障诊断。无线通信模块结构复杂,是完成整个系统的信息传输,可以通过内部数据传输的方式帮助油气分析模块分析结果传送至用户操作模块。本系统采用的无线通信模块 BOY-CM 具有 4 个中心同步传输,数据传输的安全性与可靠性较高,即使处在弱信号环境下也可以实现数据传输,
8、而且具有极强的抗干扰能力,非常适合应用于恶劣的室外作业环境。具体流程为:无线通信模块数据初始化,并设定好油气采集参数;油气采集完成以后,油气分析模块向无线通信模块传输油气数据传输命令;进入串口数据打包子程序,完成打包作业并发送至数据队列;判断是否到达采集时间,是则停止传输、否则继续传输;用户操作模块接收打包好的油气数据,并解压存储至寄存器中。3功能实现本系统可以有效提升石油机械设备的使用寿命,为满足系统的预期效果要求,企业需要根据设备的实际运行情况建立相应的诊断运行程序,系统实现中需要以计算机技术、网络信息技术等为基础,从而保证故障监测诊断系统的稳定性。本系统适用于多种石油机械设备,在系统功能
9、实现方面可以将其中的主要功能分为受控设备选定、监测等级确定、构建提前维修体系。为满足本系统的维护要求,需要构建提前维修体系,这样可以在故障发生时第一时间处理故障,保证机械设备的正常生产工作。从机械设备的状态故障角度来看,构建提前维修体系需要提高设备管理维护人员的专业技能水平,增加与故障状态监测诊断系统之间的联系度。3.1受控设备选定在开展工作前,需要及时明确故障监测诊断系统的受控设备。现阶段,石油化工的应用设备种类多,设备的内部结构较为复杂,内部零部件种类多样,因此对内部结构以及内部结构零件使用状态情况进行系统的监测诊断可以明显改善石油机械设备的运行状态质量,通过有效的故障监测诊断可以迅速处理
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