水電機(jī)組智能盤車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討與實(shí)踐

孟安波劉秀良徐海波蔣曉明

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 2.甘肅電力科學(xué)研究院3.廣東省現(xiàn)代電力電子工程技術(shù)中心 4.廣東省科學(xué)院自動(dòng)化工程研制中心)

水電機(jī)組智能盤車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討與實(shí)踐

孟安波1劉秀良2徐海波3蔣曉明4

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 2.甘肅電力科學(xué)研究院3.廣東省現(xiàn)代電力電子工程技術(shù)中心 4.廣東省科學(xué)院自動(dòng)化工程研制中心)

傳統(tǒng)盤車方法存在布點(diǎn)數(shù)量小、停點(diǎn)不準(zhǔn)確、讀數(shù)主觀性強(qiáng)、盤車耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，因此迫切需要開發(fā)一種通用性強(qiáng)、效率高、精度高、智能性強(qiáng)的全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)，本文對(duì)其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入有效的探討，在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的解決方法與方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出解決方案的有效性與可行性。

水電機(jī)組；智能盤車；相位識(shí)別

1 引言

在水電廠盤車領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)水電機(jī)組采用的都是傳統(tǒng)的8點(diǎn)等角盤車方法[1]，即在每個(gè)典型測(cè)量部位，將圓周統(tǒng)一等分為8點(diǎn)，并按順時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)，盤車時(shí)依次在每個(gè)軸號(hào)處停留，讀取主軸在各典型部位各軸號(hào)處的百分表讀數(shù)，然后描點(diǎn)計(jì)算各典型部位的最大擺度和方位。但這種方法與技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，計(jì)算結(jié)果往往不一致，以至盤車擺度的大小及方位都不太準(zhǔn)確，直接影響了下一步主要旋轉(zhuǎn)部件尋找中心及軸線處理量的大小和方向確定。在計(jì)算機(jī)及光電傳感器測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這些測(cè)量方法在一定程度上阻礙并制約了水電安裝質(zhì)量的提升。具體表現(xiàn)在：一是傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低，如用百分表測(cè)量機(jī)組各轉(zhuǎn)動(dòng)部分?jǐn)[度時(shí)，需要在每個(gè)測(cè)量位置設(shè)置人工監(jiān)視百分表的變化；二是傳統(tǒng)測(cè)量方法可信度相對(duì)較低，同是一塊百分表，每個(gè)人測(cè)量出的數(shù)據(jù)往往存在或多或少的差異；三是傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)點(diǎn)較少，由于采用的百分表讀數(shù)，目前盤車的測(cè)點(diǎn)一般都是等角8點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果顯得有些粗糙；四是傳統(tǒng)測(cè)量方法停點(diǎn)不準(zhǔn)，目前的盤車工具往往難以控制轉(zhuǎn)速，停點(diǎn)要么超前，要么滯后，從而導(dǎo)致測(cè)數(shù)不準(zhǔn)，致使測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差大。另外，從盤車數(shù)據(jù)處理方法上來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外采用的方法主要有：一是盤車數(shù)據(jù)手工描圖，二是采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析處理。但它們的基礎(chǔ)都是基于等相位8點(diǎn)或16點(diǎn)盤車數(shù)據(jù)，對(duì)于任意相位、任意點(diǎn)數(shù)的盤車數(shù)據(jù)，往往顯得無(wú)能為力或者計(jì)算過(guò)于復(fù)雜[2]。

縱觀目前國(guó)內(nèi)外盤車技術(shù)的現(xiàn)狀，盤車方式必然朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。隨著傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，盤車方法也必然摒棄過(guò)去傳統(tǒng)的等轉(zhuǎn)角8點(diǎn)盤車模式，盤車過(guò)程應(yīng)該是連續(xù)過(guò)程，被測(cè)點(diǎn)數(shù)不受限制，也不需要停留在被測(cè)部位，而且盤車過(guò)程應(yīng)該與盤車點(diǎn)數(shù)、相位以及盤車旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)，這就大大節(jié)省了盤車時(shí)間，同時(shí)還可以顯著提高測(cè)量精度。由于自動(dòng)盤車方法與傳統(tǒng)方法有了質(zhì)的飛躍，因此有必要研究一種新的數(shù)據(jù)處理，以便能夠分析任意點(diǎn)數(shù)、任意相位的盤車數(shù)據(jù)。針對(duì)傳統(tǒng)盤車技術(shù)已無(wú)法滿足機(jī)組特別是大型機(jī)組安裝質(zhì)量要求，本文提出了一種全新的全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹其關(guān)鍵技術(shù)及解決措施。目前該系統(tǒng)已被成功開發(fā)出來(lái)，并開始投運(yùn)在水電廠的盤車過(guò)程中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)特點(diǎn)

全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)雖然沒(méi)有特定的定義，但是本文認(rèn)為它至少具備以下幾個(gè)方面特征：

（1） 適應(yīng)于任意測(cè)點(diǎn)任意軸位盤車

由于傳統(tǒng)等角盤車方法往往存在對(duì)位不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)，特別是對(duì)于全自動(dòng)連續(xù)盤車采樣過(guò)程，軸的轉(zhuǎn)速不能保證完全勻速旋轉(zhuǎn)。因此，全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)必須滿足任意轉(zhuǎn)角任意軸位盤車的客觀需要。這就需要解決測(cè)點(diǎn)軸位定位的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2） 適應(yīng)手動(dòng)或自動(dòng)、單獨(dú)或整體盤車

全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)除了滿足自動(dòng)盤車需要，其智能性還應(yīng)該體現(xiàn)在：① 與盤車方式無(wú)關(guān)，即適應(yīng)于手動(dòng)也適應(yīng)于自動(dòng)；② 與盤車部位無(wú)關(guān)，即能夠適應(yīng)于單獨(dú)或整體盤車；③ 與旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，即能夠適應(yīng)于任意軸位測(cè)點(diǎn)盤車。

（3） 適應(yīng)于連續(xù)采樣數(shù)據(jù)正弦濾波要求

水電機(jī)組盤車時(shí)旋轉(zhuǎn)軸的擺度特性在理論上應(yīng)該遵循一條正弦曲線，其擺度曲線的規(guī)律性不受盤車方式的影響。由于采樣過(guò)程往往受到外界干擾，因此全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)必須具備對(duì)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)正弦濾波的能力。

3 全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

3.1 盤車動(dòng)力裝置

傳統(tǒng)的盤車動(dòng)力裝置多采用手動(dòng)盤車、機(jī)械盤車或是電磁動(dòng)力盤車，它們共同的缺點(diǎn)有：測(cè)數(shù)不準(zhǔn)，無(wú)法一步調(diào)整到位，造成反復(fù)、無(wú)效勞動(dòng)多；勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低；現(xiàn)場(chǎng)布置繁雜，安全生產(chǎn)與勞動(dòng)質(zhì)量不能保證等問(wèn)題。解決的方案是采用自動(dòng)盤車裝置，自動(dòng)盤車裝置能夠使轉(zhuǎn)子完全處于懸吊的自由狀態(tài)，消除了因軸系折線而產(chǎn)生超負(fù)荷驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)保證了軸向、徑向無(wú)干擾。因此能夠大大改善盤車條件，為連續(xù)自動(dòng)盤車提供了必要的基礎(chǔ)條件。

3.2 相位識(shí)別

由于全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)屬于任意轉(zhuǎn)角、任意點(diǎn)數(shù)的連續(xù)或斷續(xù)盤車方式，采樣點(diǎn)非常多且不能保證轉(zhuǎn)角均勻，為計(jì)算被測(cè)部位最大擺度方位角，需要一種相位鑒別技術(shù)來(lái)確定采樣點(diǎn)的相位。另外初始相位如何確定也一直是影響全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)的一個(gè)重要關(guān)鍵因素。對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，可采用在旋轉(zhuǎn)軸上沿圓周等距離布置若干光帶紙（一般16條光帶就可以滿足精度要求），然后配合光電傳感器與測(cè)量擺度的渦流傳感器同步采樣，就可以解決測(cè)點(diǎn)的軸位問(wèn)題。雖然軸速不能保證均勻，但是由于光帶點(diǎn)比較密集，把光帶點(diǎn)之間的擺度測(cè)點(diǎn)做近似等距離處理并不會(huì)造成很大誤差。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，可在布置的光帶紙中任選一條，然后在鄰近處多貼一條相同的光帶紙，即可巧妙地判斷測(cè)點(diǎn)的初始相位。

3.3 盤車數(shù)據(jù)處理

從盤車數(shù)據(jù)處理方法上來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外采用的方法主要有：一是盤車數(shù)據(jù)手工描圖，二是采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析處理。但它們都是對(duì)8點(diǎn)等相位盤車數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而對(duì)于任意相位、任意點(diǎn)數(shù)的盤車數(shù)據(jù)，它們就顯得無(wú)能為力。無(wú)論是哪種盤車工具，盤車過(guò)程都不能保證轉(zhuǎn)速均勻，因此測(cè)點(diǎn)軸號(hào)間的相位并不是等角。綜合上述，全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)需要提供一種全新的智能盤車核心算法。基于盤車擺度理論上是正弦曲線的事實(shí)，可采用遺傳算法的正弦擬合方法[3-4]，以滿足本全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)任意轉(zhuǎn)角、任意點(diǎn)數(shù)的連續(xù)盤車的需要。

3.4 多通道并行采集

盤車涉及到水輪發(fā)電機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、鏡板、法蘭、水導(dǎo)等測(cè)量部位，這些測(cè)量部位的采樣數(shù)據(jù)要求必須保證同步進(jìn)行。傳統(tǒng)盤車方法是在大軸停穩(wěn)后，利用對(duì)講機(jī)上下同時(shí)讀取測(cè)點(diǎn)所在的百分表，因此不存在同步問(wèn)題。而自動(dòng)盤車由于是連續(xù)采樣過(guò)程，傳統(tǒng)的輪循采集方式存在延時(shí)問(wèn)題，因此，全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)在選擇或設(shè)計(jì)采樣儀/板卡時(shí)，必須確保每個(gè)通道擁有獨(dú)立的光電隔離與AD轉(zhuǎn)換器以解決多通道并行采集問(wèn)題。

3.5 軟硬件濾波

水電廠特別是地下廠房現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，各類電磁干擾信號(hào)容易混進(jìn)采樣系統(tǒng)中去，因此，必須采用合適的軟、硬件濾波技術(shù)，解決干擾信號(hào)，特別是高次諧波的問(wèn)題。由于盤車一個(gè)周期往往需要數(shù)分鐘，因此擺度曲線的頻率很低，所以在硬件方面可采用低通濾波器（<0.01Hz），在軟件方面可采用小波分析或用FFT濾去高次諧波即可[5]。

3.6 實(shí)時(shí)連續(xù)顯示

由于采樣數(shù)據(jù)在系統(tǒng)界面的實(shí)時(shí)顯示是通過(guò)在采集卡的緩沖器中獲取，通常緩沖器的采樣深度有一定的限制，如何保證連續(xù)實(shí)時(shí)采樣顯示往往不容易。因?yàn)?，一般的做法是在一個(gè)時(shí)鐘事件函數(shù)里定時(shí)到緩沖器中獲取采樣數(shù)據(jù)，然而，相鄰兩次取數(shù)存在的時(shí)間延時(shí)會(huì)導(dǎo)致采樣顯示的不連續(xù)性。解決的關(guān)鍵措施是在軟件系統(tǒng)里面再設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，這樣就能保證一個(gè)前臺(tái)取數(shù)，一個(gè)后臺(tái)將事實(shí)連續(xù)顯示的效果。

4 應(yīng)用案例

目前，已開發(fā)的全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)在牡丹江鏡泊湖水電廠成功應(yīng)用，取得了良好應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。圖1是2號(hào)機(jī)組上導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)以及光帶的實(shí)時(shí)連續(xù)采樣界面。

圖1 智能盤車并行連續(xù)數(shù)據(jù)采樣界面

從圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)的擺度數(shù)據(jù)曲線基本滿足正弦規(guī)律，但是受電磁信號(hào)干擾影響，采樣數(shù)據(jù)中混入了高次諧波。本實(shí)例中，采用FFT濾去高次諧波，同時(shí)采用遺傳算法對(duì)采樣序列進(jìn)行了正弦擬合，處理后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2便可得到法蘭、水導(dǎo)在X、Y方向上的凈擺度曲線（如圖3所示），由此計(jì)算出相應(yīng)的最大擺度與相位。

2號(hào)機(jī)組的盤車過(guò)程加上傳感器安裝總耗時(shí)不超過(guò)兩個(gè)小時(shí)，盤車系統(tǒng)輸出結(jié)論應(yīng)用于盤車軸線調(diào)整中取得了良好的效果。

5 結(jié)論

本文介紹了全自智能動(dòng)盤車系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求，在此基礎(chǔ)上，闡述了研發(fā)全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決措施與方案，以上成功的應(yīng)用案例說(shuō)明了全自動(dòng)智能盤車系統(tǒng)具有良好的實(shí)用與推廣價(jià)值。

圖2 經(jīng)濾波與正弦擬合后的采樣曲線

圖3 凈擺度曲線

[1] 戴昆.三峽左岸電站VGS水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整及總裝[J].水電站機(jī)電技術(shù),2004,27(2):1-4.

[2] 史恩澤,齊經(jīng)緯.太平灣電廠多點(diǎn)任意角盤車軟件開發(fā)及功能介紹[J].水電站機(jī)電技術(shù),2009,32(5):22-24.

[3] 秦世偉,潘國(guó)榮,谷川,施貴剛.基于遺傳算法的三維空間柱面擬合[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(4):604-607,618.

[4] 潘道宏,任華.基于遺傳算法和最小二乘支持向量機(jī)的水位流量關(guān)系擬合[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2010,16(5):493-494.

[5] 任祖華.基于窗函數(shù)的FFT諧波參數(shù)估計(jì)算法[J].電測(cè)與儀表,2010,47(5):8-11,31.

The Key Technologies of Smart Barring System for Hydroelectric Generating Unit

Meng Anbo1Liu Xiuliang2Xu Haibo3Jiang Xiaoming4
(1. Automation Faculty of Guangdong University of Technology 2. Gansu Electric Power Research Institute 3. R&D Center of Guangdong Modern Power Electric & Electronic Engineering, 4. Automation Engineering R&M Center of Guangdong Academy of Sciences)

The traditional barring method exists such problems as small acquisition points, inaccurate stop, subjective reading and time-consuming barring process. It is essential to develop a smart barring system with such features as high general-purpose, high efficiency, high precision, and strong intelligence. In this paper, the related key technologies for smart barring system are discussed. Its corresponding solutions and measures are proposed. Through the field test, the feasibility and reasonability of the solutions proposed in this paper are verified.

Hydroelectric Generating Unit; Smart Barring System; Phase Detection

孟安波，男，1971年生，博士，副教授，主要研究方向：自動(dòng)化、系統(tǒng)集成與分析。