某海上平台设备故障智能预警系统集成及验证应用

李 明，于成龙，朱泽锦，杨 森

（中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江）

序言

海上平台机械设备种类繁杂、数量多，部分动设备24 小时运转负载率高，加之海上平台高热、盐雾及台风的影响，设备故障率相对较高。传统的故障诊断主要靠海上人员巡检过程中识别，受人工巡检频次及巡检人员技术水平的限制，机械设备故障识别的主观性强、无法设置统一标准。发现故障后，具体故障通过技术人员通过的“望、闻、问、切”方式进行，机械设备构件复杂，对技术人员的技术提出极高的要求。通过目前石油行业机械设备常用的振动、噪声、温度等的监测手段，实行24 小时设备监测，实现重要设备的实时监测，提高设备故障诊断率，减轻现场人员的劳动强度。综合海上平台面积、机械设备特点、各种监测技术的成熟度、费用等各方面因素，采用光纤声传感、热红外成像、图像传感等技术，并集成系统。

1 系统硬件原理及选取

1.1 光纤声传感子系统

1.1.1 光纤声传感子系统光路

该子系统主要是利用光纤声传感器感应空气中声压的变化。光纤声传感器主要有干涉型光纤声、光纤激光声两种类型传感器。干涉型光纤声传感器成本上有一定优势。但光纤激光声传感器其尺寸比干涉型光纤声传感器探头小，且更易于使用光通信中的波分复用等多路复用技术组成声传感器阵列。综合考量，采用光纤激光声传感器。

DFB 光纤激光声传感器光路主要由谐振腔、增益介质和泵浦源三个基本组成部分组成（见图1）。

图1 DFB 光纤激光声传感器光路示意

常用于解调DFB 光纤激光声传感器信号的光纤干涉仪有非平衡马赫-曾德、非平衡迈克尔逊等两种光纤干涉仪。法拉第旋转镜的迈克尔逊光纤干涉仪能做到干涉信号几乎不受光偏振态的影响，更有利于后续的信号解调，光路示意见图2。

图2 非平衡迈克尔逊光纤干涉仪DFB 光纤激光声传感器光路示意

在信号解调中，常用的算法有NPS、NRL、PGC 三种，它们在PZT 调制信号、干涉光强信号的对称性、电路带宽、数字信号采样率、数字信号解调算法计算量、电路和光路结构等方面有相似和不同的地方。PGC 算法对光电探测电路的带宽和DSP 实时信号运算量要求最高，但对电路和光路的路数要求最低；NRL 和NPS 算法对光电探测电路的带宽和DSP 实时运算量要求比PGC 算法低，NRL 算法对对电路和光路的路数要求比NPS算法低。所以，从DSP 运算量和硬件（电路和光路）结构两个方面综合考虑，以PGC 和NRL 算法较为合适。综合考量，采用NRL 算法。

常见的光纤通信多路复用技术有波分复用（WDM）、空分复用（SDM）、时分复用（TDM）、频分复用（FDM）等类型[1]。在光纤激光器传感器中，波分复用器通道间串扰非常小，较易将中心波长不同的DFB 光纤激光声传感器通过波分复用技术组成阵列。空分复用技术技术层面上具有可行性，但通道间串扰较大，而提高光开关的性能，存在一定技术难度和成本问题。时分复用技术需要将光纤激光器调制成脉冲输出形式，频分复用则需要将光纤激光器输出功率按频率进行调制，实现这些调制要么会破坏光的相位连续性而无法通过干涉技术解调出传感信号，要么技术复杂且大幅增加阵列体积和成本而变得无实用价值，采用波分复用技术。

1.1.2 光纤声传感子系统电路

电路由4 个信号处理模块和1 个信号发生模块以及电源模块构成，如图3 所示。每个信号处理模块负责2 个阵元信号的接收、处理和输出，模块中采用NRL 解调算法，需每个阵元的2 路干涉光强信号。1个信号处理模块由4 路光电探测电路、4 路ADC 电路、2 路DAC 电路和1 片DSP 构成，在1 片DSP 中完成2 个阵元的信号解调运算。信号发生模块产生4kHz正弦波信号，用于驱动PZT。电源模块将输入的±5V 直流电源滤波后供给样机电路中的模拟电路部分，同时将+5V 直流电源通过开关电源电路转换为3.3V、2.5V、1.5V、1.2V 和1.05V 等直流电源给数字电路（DSP 电路等）供电。

图3 电路总体构成示意

1.2 热红外成像传感系统

红外检测技术原理是通过被测设备发射红外辐射信号获得该设备表面热状态信息。红外热成像仪是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过光谱滤波、空间滤波，使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上[2]。对被测物的红外热像进行扫描并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理，转换成标准视频信号通过电视屏或监视器显示红外热像图[3-4]，见图4。

图4 热红外成像原理（据文献7）

热红外成像技术在现代社会中应用，可以超越视觉障碍更加清晰的观察物体表面温度实际分布[5]，比传统的超声波检测定位更精准、穿透力更强[6]，具有非接触式检测保障安全、直观性强、精确度高、测温范围宽、响应速度快等特点[7]。红外热像仪以其隐蔽性好、具有穿透烟、雾、雨、雪等限制以及可实现远距离全天候观察等优点，在侦查、导航、气象、医学热诊断、工业设备等诸多领域得到广泛应用[8]。

1.3 图像传感系统

图像传感系统为利用摄像头获取被测设备图像后，在利用计算机图像识别技术进行特征识别。图像识别技术的过程包括：信息的获取、预处理、特征抽取和选择、分类器设计和分类决策[9]。图像识别相关技术和产品目前已得到非常广泛的应用，如身份验证领域的人脸识别，安全管理上的人员劳保穿戴不规范、违章作业，停车场车牌识别等。在机械设备监测上，可以很好的识别机体外壳破损、接头漏油漏液、部件松动等跑冒滴漏问题。

2 系统软件开发及集成

光纤声传感、热红外成像、图像传感等技术实现平台设备运行过程中的信号采集，数据传输到数据处理模块，数据处理模块利用与历史数据库、特征库的比对，通过智能学习/人工介入（必要时）等实现设备故障预警（具体见图5），由服务器完成对采集到数据的分析存储，历史与实时数据的查询、显示等任务，最终在人机交互界面显示。

图5 设备故障智能预警系统原理

3 现场技术验证

故障智能预警设备集成并完成实验室验证后，安装在某海上平台机泵舱，根据噪声、温度等异常，识别出海水泵联轴节减振胶圈磨损故障、海水泵轴承磨损松动、燃油输送泵不对中、闭排泵气蚀等故障。现场技术人员拆开设备维修，确认的故障与故障智能预警系统识别的故障一致，见图6、图7。

图6 设备状态正常情况光纤声阵列谱图

图7 轴承内圈发生故障状态光纤声阵列谱图

4 结论

故障智能预警系统集成光纤声传感、热红外成像传感、图像传感等技术，经实验室及平台现场验证应用，实现预期目的。在现场验证过程中准确识别出海水泵联轴节减振胶圈磨损故障、海水泵轴承磨损松动、燃油输送泵不对中、闭排泵气蚀等故障。该预警系统实现某海上平台重要设备的时时监测，提高设备故障诊断率，大大减轻现场人员的劳动强度。