泉眼山泵站機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張 印 陶 東 鄒紅美

(1.寧夏固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 750100；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 概 述

寧夏固海揚(yáng)水工程分為固海、同心和固擴(kuò)三路灌溉系統(tǒng)，目前工程投運(yùn)骨干泵站30座，工程設(shè)計(jì)總流量41.2m3/s，安裝主機(jī)組201臺(tái)(套)，年平均引水量4.61億m3，供水量4億m3，灌溉面積達(dá)170.64萬(wàn)畝。固海揚(yáng)水工程為寧夏中部地區(qū)提水灌溉、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。

寧夏固海揚(yáng)水工程每年兩次灌溉期結(jié)束后，泵站維護(hù)是泵站管理必做的重要工作。但僅僅依靠人工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)眼看、耳聽(tīng)、手摸來(lái)判斷設(shè)備故障的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方式，存在諸多問(wèn)題。巡檢人員經(jīng)驗(yàn)與技能水平都會(huì)給準(zhǔn)確分析判斷故障原因帶來(lái)太多的不確定因素。同時(shí)，水力機(jī)械運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子平衡問(wèn)題、聯(lián)軸器對(duì)中等問(wèn)題故障并不能依靠經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)來(lái)判斷。因此，利用先進(jìn)傳感器、儀器儀表等設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)及故障分析，最大限度地避免了人為因素的影響，大大提高了分析診斷的準(zhǔn)確性。借助于大數(shù)據(jù)模型分析手段，可以在設(shè)備不停機(jī)運(yùn)行中完成各種故障隱患的查找、分析和診斷工作 ，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，做好應(yīng)急準(zhǔn)備，避免非計(jì)劃停機(jī)，為實(shí)現(xiàn)有效性預(yù)測(cè)維護(hù)檢修提供明確的指導(dǎo)方案與方向。

2 在線監(jiān)測(cè)方案與功能

泉眼山泵站為固海揚(yáng)黃灌溉工程核心泵站。泵站選用YJ48I-35I離心泵7臺(tái)(其中1臺(tái)備用)，單機(jī)流量為3.97m3/s，單機(jī)功率為1800kW。選用YL1800-12/1730-1電機(jī)。為了更好地保證水源一級(jí)提水泵站運(yùn)行的可靠性，本方案針對(duì)泉眼山泵站機(jī)組的轉(zhuǎn)子平衡與聯(lián)軸器對(duì)中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與故障分析等工作。

2.1 在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

泉眼山泵站機(jī)組振動(dòng)、擺度測(cè)點(diǎn)布置設(shè)置如下：機(jī)架振動(dòng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置一對(duì)ZHJ-2D壓電式速度傳感器，電機(jī)與水泵上下聯(lián)軸器擺渡各設(shè)置一對(duì)WY-DOφ8電渦流傳感器。相關(guān)傳感器安裝位置與測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)組傳感器安裝位置與測(cè)點(diǎn)布置

2.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備三部分組成。傳感器負(fù)責(zé)采集泵站機(jī)組的各種信號(hào)量，如振動(dòng)信號(hào)、擺度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等，并將其轉(zhuǎn)換為模擬量(電壓、電流等)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理器的濾波、隔離、放大等處理后送入數(shù)據(jù)采集裝置完成采樣和量化，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理，并且與現(xiàn)有泵站自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，得到在線泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息。系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與功能結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能

a.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。能夠全面采集泵站機(jī)組的擺度、振動(dòng)、水力脈動(dòng)等各種參數(shù)，結(jié)合泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量的有關(guān)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的溫度、功率、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程以及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，以直觀方式顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，便于運(yùn)行人員或檢修人員實(shí)時(shí)了解泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

b.報(bào)警。能根據(jù)有關(guān)泵站機(jī)組性能指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、主設(shè)備供貨廠商提供的性能保證值和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定各工況下的報(bào)警定限值，實(shí)時(shí)自動(dòng)判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

c.狀態(tài)分析。能對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行幅值域分析、時(shí)域分析、頻譜分析，形成相關(guān)曲線和報(bào)告，為專家進(jìn)行故障診斷提供特征數(shù)據(jù)。

d.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行定時(shí)巡回保存；在啟停機(jī)過(guò)程中按等轉(zhuǎn)速變化保存；在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)超標(biāo)或異常時(shí)將出現(xiàn)前后一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)存入下位機(jī)；提供方便的各種數(shù)據(jù)查詢和比較分析工具，供相關(guān)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和診斷使用。

e.遠(yuǎn)程分析與協(xié)作診斷。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和分析診斷，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行狀態(tài)分析、故障診斷，對(duì)于疑難故障，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作會(huì)診，實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行和檢修維護(hù)，滿足現(xiàn)代化泵站管理的需要。

3 在線監(jiān)測(cè)分析與診斷

機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與分析軟件系統(tǒng)具備良好的系統(tǒng)開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、智能診斷與處理能力以及大規(guī)模數(shù)據(jù)管理和深層數(shù)據(jù)挖掘能力。軟件支持與泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)運(yùn)行工況信息的雙向交流，實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性分析。軟件能將機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行參數(shù)與機(jī)組振動(dòng)與擺度信息相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，以診斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)綜合顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)各相關(guān)信息。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)分析和故障診斷部分能定期接收和保存所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的幅值、頻譜、時(shí)域波形等數(shù)據(jù)；提供趨勢(shì)分析、頻譜分析、波形分析等手段，進(jìn)行振動(dòng)分析和故障診斷。

3.1 軸心軌跡圖

軸心軌跡是指當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)繞轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的軌跡就是軸心軌跡。軸心軌跡圖能夠動(dòng)態(tài)地反映機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行狀況，使用戶直觀地了解水泵設(shè)備的健康狀況是否良好。

圖3為泉眼山泵站機(jī)組水泵軸承振動(dòng)與軸心振動(dòng)軌跡情況。通過(guò)此圖分析軸心軌跡的形狀及大小的重復(fù)性好，說(shuō)明機(jī)組的運(yùn)行是穩(wěn)定的。

圖3 泉眼山泵站機(jī)組水泵軸承振動(dòng)與軸心振動(dòng)軌跡

3.2 瀑布圖

瀑布圖分析經(jīng)常用于評(píng)估旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲或振動(dòng)的表現(xiàn)。通過(guò)時(shí)間變化、頻率變化以及振動(dòng)幅度的變化，多維度地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生的變化趨勢(shì)。在機(jī)組運(yùn)行狀況發(fā)生突變時(shí)，用戶能夠第一時(shí)間直觀地了解機(jī)組狀況。

圖4為泉眼山泵站機(jī)組振動(dòng)瀑布圖，通過(guò)對(duì)圖譜二維和三維上的數(shù)據(jù)描述分析，就能夠更直觀地表達(dá)出設(shè)備在啟停機(jī)時(shí)幅值隨時(shí)間以及頻率的變化情況。

3.3 趨勢(shì)分析

通過(guò)機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)變化情況并結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，可分析任一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值相對(duì)某個(gè)數(shù)值的變化趨勢(shì)，圖5中的機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)圖中橫軸和縱軸可任意選定，時(shí)間段可任意設(shè)定。

圖4 機(jī)組振動(dòng)瀑布圖

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間的趨勢(shì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備某些部件是否存在故障隱患，在故障發(fā)現(xiàn)前對(duì)部件進(jìn)行及時(shí)的檢修防止壞死性故障的發(fā)生，減少整個(gè)維修的周期，同時(shí)提前采取相應(yīng)的維護(hù)措施。

3.4 輔助故障診斷

水泵電動(dòng)機(jī)組在安裝時(shí)，由于安裝的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)不平衡、軸或齒輪汽蝕等，產(chǎn)生長(zhǎng)久振動(dòng)的偏差，會(huì)引起機(jī)組運(yùn)行故障率上升。對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)組運(yùn)行狀況的判斷很大程度上取決于振動(dòng)變化的標(biāo)準(zhǔn)。故障診斷根據(jù)各測(cè)點(diǎn)振幅、頻譜、相位、轉(zhuǎn)速和相關(guān)過(guò)程參數(shù)等數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，可以自動(dòng)診斷軸承松動(dòng)、軸承不對(duì)中、軸承不平衡等常見(jiàn)故障形成趨勢(shì)預(yù)警，提醒運(yùn)維人員及時(shí)跟進(jìn)維護(hù)，減少事故的發(fā)展與發(fā)生。

圖5 機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)示意圖

3.5 事故追憶及報(bào)警檔案存貯

系統(tǒng)記錄各通道數(shù)據(jù)報(bào)警、打閘和恢復(fù)正常運(yùn)行的情況，包括測(cè)點(diǎn)名稱、報(bào)警或恢復(fù)的時(shí)間、轉(zhuǎn)速、報(bào)警狀態(tài)等，以供事后分析與追憶。

4 結(jié) 語(yǔ)

泵站機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，涉及到機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信、信號(hào)處理、人工智能、智能控制等多個(gè)學(xué)科。在目前尚無(wú)法徹底解決機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的情況下，利用泵站機(jī)組實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用專門的分析與處理軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)警，從而避免故障的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全可靠運(yùn)行。