大型泵機組在線監(jiān)測系統(tǒng)

武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院 陳英強 姬偉東 肖志懷 蔣勁

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展，作為公共基礎(chǔ)保障設(shè)施的重要組成部分，各種供、排水泵站對社會生產(chǎn)、生活發(fā)揮了重要的作用。泵站一旦發(fā)生故障，不僅使泵站工程造成損失，而且會令人民生命財產(chǎn)遭受災(zāi)害威脅，因此安全可靠性已經(jīng)成為衡量大型泵站運行管理的重要指標。同時隨著生產(chǎn)相關(guān)資源、服務(wù)等價格持續(xù)上漲，泵站工程的運行和管理成本不斷增加。為充分發(fā)揮工程效益，應(yīng)深入開展挖潛增效活動，向管理、向設(shè)備要效益。這就要求我們用科學(xué)發(fā)展觀武裝自己，借助先進科技改進生產(chǎn)管理，在保障安全運行的同時，減少停機時間，降低檢修成本，進一步提高生產(chǎn)效率。

利用計算機在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對水泵機組的運行狀態(tài)及參數(shù)進行記錄、監(jiān)測、分析和預(yù)測，判斷設(shè)備是否存在故障征兆，分別確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位，指出故障發(fā)生發(fā)展的趨勢和后果，提出控制故障繼續(xù)發(fā)展的措施，制定檢修項目及方案。基于在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修可實現(xiàn)“按需維護、事前檢修”，是大型泵站機組檢修管理的必然發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)基本組成

泵站機組可靠性是指設(shè)備在供排水規(guī)定的約束條件下，在一定時間內(nèi)安全不間斷地抽水的能力。由于水泵在運行過程中要受到機械、電氣和水力等多種因素的影響，因此，導(dǎo)致泵站機組故障的原因也是多種多樣的。其外部表現(xiàn)通常通過機組水頭與功率、轉(zhuǎn)動部分的擺度、水泵的空蝕性能、機組支承部分的振動、機組工作水頭的波動、管道的壓力脈動、以及機組內(nèi)部不正常的噪聲等表現(xiàn)出來。因此，對這些物理量的檢測與分析就成為研究水泵機組安全可靠性的重要內(nèi)容。

以信息技術(shù)為紐帶，將分布在廣域范圍內(nèi)的診斷維護資源有效地連為一體，形成資源共享、互相支持協(xié)作的泵站機組在線監(jiān)測系統(tǒng)。對每個層面采用不同的代理結(jié)構(gòu)，提供不同的功能來滿足各個層面對維護信息的需求和任務(wù)。

系統(tǒng)由3層次組成：即現(xiàn)地監(jiān)測層、信息處理層和應(yīng)用服務(wù)層。系統(tǒng)組成圖如1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)基本組成圖

信息處理層主要是將從傳感器經(jīng)過調(diào)理器后的信號進行處理分析，并將處理后得到的信息通過TCP/IP上傳至應(yīng)用服務(wù)層；應(yīng)用服務(wù)層中的WEB服務(wù)器通過以太網(wǎng)可以將信息傳遞給遠程專家及工作人員，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要負責(zé)監(jiān)視、接收、處理、保存來自信息處理層的信息。用戶終端能直接應(yīng)用相應(yīng)的軟件使用處理后的數(shù)據(jù)對機組進行監(jiān)測。

2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)集計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)于一體，涵蓋狀態(tài)監(jiān)測的全部業(yè)務(wù)范圍：實時監(jiān)測、分析、預(yù)警報警、數(shù)據(jù)管理、自動分析功能等。數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)可以接受其他單位、廠家的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、具有良好的擴展性和兼容性。同時，離線監(jiān)測的內(nèi)容可以由用戶自己定義，離線數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以通過工程師工作站輸入，或由特殊的模塊傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一進行管理，并形成趨勢曲線等內(nèi)容，以便在必要時供診斷系統(tǒng)自動調(diào)用。通過數(shù)據(jù)服務(wù)器將其與MIS系統(tǒng)局域網(wǎng)連接起來，使公司局域網(wǎng)（MIS系統(tǒng)）內(nèi)的所有用戶終端和通過廣域網(wǎng)接入的其他用戶終端應(yīng)能實時查詢和訪問在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和報告，下載監(jiān)測數(shù)據(jù)完成自定義分析，或指定服務(wù)器完成特定的分析和操作，達到盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，提出預(yù)警，避免事故的發(fā)生。

2.1 實時監(jiān)測

在用戶終端上同步顯示機組當(dāng)前的運行狀態(tài)，并以數(shù)值、曲線、圖表等各種形式，顯示出機組的各種狀態(tài)信息，實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。系統(tǒng)能夠提供多種監(jiān)測畫面，從不同的角度、分層次展現(xiàn)機組的狀態(tài)信息，其在線監(jiān)測點的示意圖如2-1圖所示。

2.1.1 波形顯示

波形顯示可顯示上導(dǎo)軸承X、Y方向擺度，上機架X、Y方向水平振動，下機架徑X、Y向水平振動等參數(shù)的時率波形圖，描述被監(jiān)測對象在某一時刻各監(jiān)測點的位移曲線。

2.1.2 頻譜監(jiān)測

頻譜監(jiān)測可監(jiān)測的內(nèi)容包括：上導(dǎo)軸承X、Y向擺度，上機架X、Y向水平振動，下機架徑X、Y向水平振動等參數(shù)的頻譜特性，描述某一瞬間波形圖中的頻率分布，表達聲壓或振幅和頻率的關(guān)系，其橫軸為頻率，縱軸為強度。

2.1.3 軸心軌跡監(jiān)測

軸心軌跡描述機組在給定的轉(zhuǎn)速下軸心相對于軸承座在其與軸線垂直平面內(nèi)的運動軌跡。軸心軌跡為一平面曲線，機組運行時，若各種約束力在所有徑向上都相等，并且只有一個力作用于轉(zhuǎn)軸上這時軸心軌跡將是一個圓形。

2.1.4 擺線姿態(tài)監(jiān)測

擺線姿態(tài)監(jiān)測和主軸擺線姿態(tài)，用于觀察主軸上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承擺度狀態(tài)。

圖2-1 泵在線監(jiān)測點示意圖

2.1.5 電機氣隙監(jiān)測

電機定子和轉(zhuǎn)子間氣隙是電機安全運行的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)子運行時的嚴重擺動、結(jié)構(gòu)變化等會造成氣隙的不均勻，產(chǎn)生不對稱的磁拉力，影響機組安全運行，嚴重甚至發(fā)生“掃膛”事故。氣隙監(jiān)測對檢修后定轉(zhuǎn)子安裝調(diào)整缺陷和運行過程中定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的變化有明顯的反映。

2.1.6 磁場強度監(jiān)測

通過磁場強度測量，可以測到最大、最小磁場強度和相位，監(jiān)測機組定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和組件由于振動、過熱等導(dǎo)致的不平衡，繼而判斷產(chǎn)生振動的原因是機械、水力還是電磁力，判斷是否存在匝間短路等故障。

2.2 數(shù)據(jù)分析

分析功能是對系統(tǒng)采集到的機組狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析處理，從而得到一組反映機組運行狀態(tài)的特征參量，根據(jù)特征參量的變化特點來分析判斷機組的運行狀態(tài)。

2.2.1 波形分析

通過時域信號波形圖，分析信號幅值隨時間變化規(guī)律，同時提取若干典型數(shù)字特征來描述其狀態(tài)，如：最小、最大峰值、有效值等，根據(jù)濾波后的1X信號時域波形圖中鍵相點位置的變化情況可判斷1X相位是否穩(wěn)定，穩(wěn)定情況下，鍵相信號基本上處于同一水平線上。對于穩(wěn)態(tài)時的通頻信號波形圖，其上的鍵相信號在橫軸上的間隔應(yīng)是均勻的，或等間隔的；經(jīng)驗豐富的現(xiàn)場工程師，還可直接從時域波形圖中看出信號的大概頻率分布，另外，信號頻率組成成分還可通過功率譜分析來獲得全面、準確的頻率信息。

2.2.2 相位圖分析

從通頻相位分析圖上可掃描得到各頻率成分相對于鍵相信號的相位角度的大小，對于某個單頻率成分的相位時間趨勢圖，尤其是1倍頻相位圖，相位的變化能反映軸裂紋等一系列故障的出現(xiàn)。

2.2.3 功率譜分析

從功率譜圖上可以看出信號中的頻率成分，各已知特征頻率處對應(yīng)的幅值（即相應(yīng)時域信號中某頻率成分的能量），并且可以發(fā)現(xiàn)異常頻率成分。如某一時刻的功率譜圖中，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)倍頻信號很大，幾乎要超過了1倍頻，或者說占了1倍頻能量的80%以上，則由機組常見振動頻率分析的結(jié)果可知，轉(zhuǎn)輪葉片可能有故障。因為正常狀態(tài)下，功率譜應(yīng)是以轉(zhuǎn)頻為主，其它倍頻的能量應(yīng)遠小于1X的能量，有可能是某種因素引起葉片振動較大所導(dǎo)致。

2.2.4 軌跡分析

根據(jù)軸心軌跡的形狀可以分析判別軸頸中心的運動狀態(tài)，如軸上預(yù)載荷是否有變化、軸與軸承孔是否同心、軸間隙正常否等。正常狀態(tài)時，軸心軌跡應(yīng)是圓形。通過觀察、監(jiān)視轉(zhuǎn)子的軸心軌跡可以得到以下信息：軸與軸承的同心度問題；轉(zhuǎn)子徑向預(yù)載或外力的變化以及碰磨情形等。

2.2.5 空間軸線

根據(jù)軸徑中心相對于軸承中心的偏心距及角，確定出導(dǎo)軸承處軸徑中心的位置，把這3個中心連接起來，就得到軸徑中心的連線，即空間軸線。空間軸線可清楚地看到軸徑空間軸線的變化，分析機組運行過程中（包括穩(wěn)態(tài)運行或暫態(tài)過程）導(dǎo)軸承以及推力軸承狀態(tài)的動態(tài)運行過程。

2.2.6 瀑布圖分析

是以時間、轉(zhuǎn)速、功率或溫度等參量作為第三維座標繪制的頻譜曲線集合，取不同的第三維坐標繪制的瀑布圖可形象地展現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械振動信號頻譜隨上述各種參量的變化過程。即將不同轉(zhuǎn)速或時間或負荷或功率下的若干個頻譜圖繪制在一張圖上，以便觀察、比較找出隨這些量變化顯著或較明顯的特征參量。

2.2.7 極坐標

不同轉(zhuǎn)速下的1X振動矢量的幅值和相角直接地被繪制在坐標平面中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也在曲線上標出，極坐標圖也可以繪制任何經(jīng)濾波的振動矢量，如2X、3X、1/2X等矢量，即以各轉(zhuǎn)速下基頻幅值A(chǔ)0為向徑的模，以相位為向徑的幅角，在極坐標平面上繪制的曲線。其實質(zhì)是基頻振動的復(fù)數(shù)振幅隨轉(zhuǎn)速或時間變化的向量端圖。極坐標圖實質(zhì)是基頻振動的復(fù)數(shù)振幅隨轉(zhuǎn)速或時間變化的向量端圖。

2.2.8 相關(guān)趨勢分析

趨勢圖是分析歷史趨勢的工具。它以時間為橫坐標，以各通道的均值、峰值為縱坐標，顯示其隨時間變化的趨勢。是分析、預(yù)測歷史趨勢的工具。同是機組的動特性試驗。如：開機、停機、負荷試驗、擾動試驗等數(shù)據(jù)都可以由趨勢圖做出。

2.2.9 設(shè)備狀態(tài)評價

設(shè)備狀態(tài)評價針對機組狀態(tài)進行評價，給出評價報告，并提供詳細的評價方法和使用的標準。

3 系統(tǒng)特點

與傳統(tǒng)檢修相比，狀態(tài)檢修具有減少檢修時間、提高設(shè)備利用率、延長設(shè)備壽命、降低停機頻率、減少備件庫存、降低運行檢修人力成本、改善機組運行性能以及提高企業(yè)經(jīng)濟效益等優(yōu)點。決策部門還可以通過實時監(jiān)視工程關(guān)鍵節(jié)點的運行參數(shù)變化情況，制定和調(diào)整重要設(shè)備生產(chǎn)維護計劃，強化運行設(shè)備達標監(jiān)督管理，預(yù)防和及時避免生產(chǎn)事故，為提高大型多梯級供水工程的管理水平提供技術(shù)支持。

3.1 基于共享信息的完善的信號采集

本系統(tǒng)能全面采集反映泵站機組特點的擺度、振動、壓力脈動、氣隙等各種參數(shù)和變量，并通過現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)讀取溫度、功率、轉(zhuǎn)速、揚程等各種狀態(tài)和開關(guān)量。系統(tǒng)在軟件處理上都充分考慮機組的低頻、隨機特性，嚴格保證了測試信號的準確和可靠。

3.2 針對水泵站機組運行特點設(shè)計的動態(tài)分析工具

由于機械、電氣和水力特性的影響，機組的振動特性會隨著功率、轉(zhuǎn)速、揚程導(dǎo)葉開度、水頭等參數(shù)實時變化。本系統(tǒng)可繪制振動負荷曲線、振動轉(zhuǎn)速曲線等各種關(guān)系曲線，并包含了常規(guī)的趨勢、頻譜分析，畫面直觀，使用方便。

3.3 完備健全的數(shù)據(jù)存儲方案

機組的狀態(tài)檢修，必須依靠多年的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分析比較狀態(tài)的變化，才能真正發(fā)現(xiàn)機組的故障，合理安排小修和大修。系統(tǒng)設(shè)計了完備的數(shù)據(jù)庫存儲方案，設(shè)計了實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、特征數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計了整套數(shù)據(jù)的存儲規(guī)則，保證了數(shù)據(jù)庫的訪問速度，也達到了數(shù)據(jù)的有效壓縮存儲的要求。

3.4 實用便捷的趨勢預(yù)測報警

運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)參數(shù)狀態(tài)，預(yù)測下一時段的參數(shù)的值是否在正常范圍，可以捕捉到設(shè)備運行狀態(tài)緩變惡化的趨勢，并分析引起參數(shù)變化的因素，給出初步的分析結(jié)果。

3.5 基于專家知識庫的狀態(tài)評價

廣泛地查閱國內(nèi)外對泵站機組運行設(shè)備的狀態(tài)評價的資料，結(jié)合公司實際運行經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上形成狀態(tài)評價的專家知識庫，運用數(shù)學(xué)模型和特征提取方法，對當(dāng)前機組運行狀態(tài)進行初步評價，并引導(dǎo)分析工程師進行進一步的分析和判定。開放的專家知識庫有利于知識的更新和完善。

3.6 基于WEB瀏覽的信息發(fā)布

通過Internet發(fā)布狀態(tài)監(jiān)測的實時信息，以方便電廠管理和技術(shù)人員及時了解機組的運行狀況。同時，提供一個交流的平臺，能夠把該系統(tǒng)使用后的體會和建議反饋給系統(tǒng)設(shè)計者，以逐步完善系統(tǒng)的功能。

4 總結(jié)

泵站機組屬于低速旋轉(zhuǎn)機械，故障的發(fā)展一般是漸變過程，突發(fā)的惡性事故比較少，故障的發(fā)展有一個從量變到質(zhì)變的漸變過程，使得利用狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和趨勢分析技術(shù)來捕捉事故征兆、早期預(yù)警和防范故障成為可能。而以信號采集、處理與分析為基礎(chǔ)的泵站機組監(jiān)測系統(tǒng)為機組安全可靠運行提供了有效的手段。依據(jù)經(jīng)檢測和分析獲得的機組狀態(tài)信息，可以掌握設(shè)備技術(shù)狀況和老化規(guī)律，并預(yù)測機組可能存在的隱患，避免突發(fā)性故障，控制漸進性故障，對運行機組進行有針對性的維護，它不僅可以有效減少機組停機時間，提高利用率，發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益，而且可以解決以前由于不能很好掌握機組運行狀態(tài)信息，從而導(dǎo)致按照既定日程逐臺停機進行定期檢修的不合理方式，進一步節(jié)約人力、物力等資源，提高泵站設(shè)備的可靠性。

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