泵站智慧巡檢系統(tǒng)建設(shè)實踐

李 揚 張 宇

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

目前，智慧巡檢機器人應(yīng)用于國內(nèi)外各行各業(yè)，如國內(nèi)高壓輸電線路自主巡檢機器人[1]、高壓變電站室內(nèi)巡檢機器人[2]、煤礦瓦斯抽采巡檢機器人[3]等已大規(guī)模運用。但是，在水利行業(yè)泵站巡檢機器人的研究運用才剛剛起步。

江都四站裝有7臺立式液壓全調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑2.9m，設(shè)計揚程7.8m，單機設(shè)計流量30m3/s，總抽水能力210m3/s，每臺水泵裝配3400kW立式同步電動機。隨著智能泵站、無人泵站概念的發(fā)展，傳統(tǒng)的泵站自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足國家工業(yè)4.0的戰(zhàn)略方針。傳統(tǒng)的自動化報警系統(tǒng)是對電壓、電流、溫度、開關(guān)量等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，對設(shè)備故障報警，對溫度等數(shù)據(jù)采取越限報警，值班人員接收到報警信息時只能采取停機措施，例如冷卻水中斷且短時間無法恢復(fù)，則必須立即停機。對于大型水利泵站機組，通過數(shù)據(jù)的趨勢分析提前預(yù)判，從而對設(shè)備進行有計劃的日常維護，減少非計劃停機將是智慧泵站技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

通過采集水利泵站機組的振動、電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速以及泵組流量和重要部件的溫度等數(shù)據(jù)對設(shè)備健康趨勢進行預(yù)警分析，提供維護提醒是一種科學(xué)的并且經(jīng)過實際項目認證的解決方案，然而傳統(tǒng)的技術(shù)方案收集這些數(shù)據(jù)需要大量的信號電纜和電力電纜，對于已建成的泵站若再進行改造其工程量較大，需要大量的返修施工成本，施工周期大大增加的同時影響設(shè)備正常開機。

為解決運行中機組振動異常，滑環(huán)溫度、受油器溫度異常升高等隱患，江都四站進行了一系列的相關(guān)隱患預(yù)防、解決方案的分析、研究、實踐，研發(fā)完成了由無線測振、巡檢機器人、大數(shù)據(jù)平臺等多個子系統(tǒng)模塊構(gòu)成的泵站智慧巡檢系統(tǒng)[4]。

1 施工難點分析與創(chuàng)新

首先是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝難度，傳統(tǒng)方法有線式在線實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)，需在泵組需監(jiān)測部位進行鉆孔用于布線，對機組本身的密封性產(chǎn)生一定的破壞，同時增加了工作難度。對于已安裝完成的單臺泵組，只有在大修期間方可完成上下油缸等部位的鉆孔，以及鉑熱電阻、測振傳感器的安裝，使整個泵站機組的改造安裝施工工期同比增加。其次，滑環(huán)是轉(zhuǎn)動部件，碳刷安裝空間不夠，采用鉑熱電阻無法測溫。傳統(tǒng)的方式是通過巡檢人員手持紅外測溫槍每2h巡視一次。再次，受油器是液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)，對受油器的改造難度大，通常需要回廠。

江都四站采取了兩種創(chuàng)新方式來解決這些難題：一是智慧巡檢機器人，通過紅外攝像頭對機組需監(jiān)測部位進行熱成像[5]溫度數(shù)據(jù)的采集，有效代替了人工巡檢，降低了在每臺機組各部位安裝有限測溫裝置所需要的大量人力、物力、資金；二是無線測振系統(tǒng)，輔以釹鐵硼強磁鐵，實現(xiàn)測振裝置半小時全站快速部署，有效減少了時間成本、資金成本。

巡檢機器人在電力行業(yè)和計算機數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，提供了許多可以借鑒的案例，在泵站使用智慧巡檢機器人從技術(shù)層面而言完全可以實現(xiàn)。無線測振系統(tǒng)在水利行業(yè)暫無使用案例，現(xiàn)場的電磁干擾對于無線測振的影響有多大，無數(shù)據(jù)可驗證。無線測振系統(tǒng)的內(nèi)置電池使用時間也需要考慮。

2 試驗驗證

為了驗證智慧巡檢機器人以及無線測振系統(tǒng)在江都四站電磁干擾環(huán)境下通信可靠性，進行了全站7臺機組全開、多點位48h連續(xù)通信試驗。經(jīng)過多種方式比對，無線信號最終選定了2.4GHz的免費頻段，該頻段發(fā)射功率小，畸變量小，抗電磁兼容性強，有利于復(fù)雜環(huán)境下的信號傳輸，并最大限度節(jié)省了無線傳感器和巡檢機器人的耗電量。經(jīng)實測，即便在水泵層，各臺機組間有混凝土墻隔離的情況下，僅需一臺數(shù)據(jù)采集器，即可滿足水泵層7臺機組共計21個無線測振傳感器的通信需要，但距離最遠的裝置耗電量較大。為此，在每層安裝兩臺數(shù)據(jù)采集器，在有效保障通信可靠性的同時，降低無線測振傳感器的能耗，延長使用時間。經(jīng)過計算，按照5min采集一次的采樣頻率，無線測振傳感器電池可用兩年，如果降低采樣頻率，電池使用時間相應(yīng)延長。同時采用非運行期間休眠、運行期自動激活的方式，可進一步延長更換電池或者定期充電的頻率，這就使得無線測振裝置具備了工程實際運用的可行性。智慧機器人主要運行在電機層，經(jīng)測量主廠房各部位無線覆蓋效果良好，為進一步提高無線通信的可靠性選用了工業(yè)級的無線AP作為機器人無線通信專用接入點。

3 系統(tǒng)框架設(shè)計

大型泵站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號障礙區(qū)多，因此考慮接收和發(fā)送傳感器的網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用可移動的形式，用以躲避信號阻礙區(qū)。數(shù)據(jù)寄存方式根據(jù)巡檢時間以及數(shù)據(jù)量進行科學(xué)配置，由于該系統(tǒng)設(shè)計為健康趨勢預(yù)警系統(tǒng)，最終都是考核階段性數(shù)據(jù)鏈，而不是數(shù)據(jù)點，因此系統(tǒng)可以接受局部延時，如圖1所示。巡檢機器人可以根據(jù)實際采集任務(wù)以及外部傳感器布置設(shè)置巡檢路線，也就是說機器人既是一種共享的移動監(jiān)測和采集設(shè)備，又是一種外部無線數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送的載體。機器人巡檢的過程中，同步接收外部無線傳感器數(shù)據(jù)，收集完畢后，自動選擇局域網(wǎng)信號通信良好的地點，通過路由器端把數(shù)據(jù)送到服務(wù)器，在服務(wù)器端進行組態(tài)，分析、預(yù)警等工作。

圖1 自動巡檢以及無線信號收發(fā)裝置工作流程

巡檢機器人設(shè)置為開機自動巡檢，如果機組運行信號無法送達機器人，則通過無線振動傳感器信號進行聯(lián)鎖控制，當(dāng)振動數(shù)值超過某一設(shè)定數(shù)值后，自動發(fā)出巡檢指令，機器人按照設(shè)定的路線進行巡檢，獲取熱成像溫度值、噪聲值以及多普勒測振值等等。如要最大限度提高數(shù)值有效率，也可精確聯(lián)鎖到某個任務(wù)點，如1號泵振動值大于設(shè)定值，那么機器人只需走到1號泵的任務(wù)點進行數(shù)據(jù)采集。

無線傳感器的布置以振動傳感器為例，考慮無線網(wǎng)關(guān)的搭載率，以及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信狀況，選用可拓撲的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，如在電機層、聯(lián)軸器層、水泵層每層布置兩臺無線中繼器，當(dāng)網(wǎng)關(guān)無法觸及傳感器信號時，采用在兩個元件通信共同白點處安裝無線中繼以保證信號通信正常。

系統(tǒng)設(shè)計重點是整個工業(yè)無線局域網(wǎng)的搭建工作，這是智慧水利無線解決方案的基石。搭建無線局域網(wǎng)綜合考慮5G商用后對擴展性的要求，選用光纖通信、工業(yè)路由器等加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因數(shù)據(jù)需要上傳到第三方專家系統(tǒng)進行專業(yè)的數(shù)據(jù)建模分析，用于無線狀態(tài)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)盡可能和原有的自動化控制網(wǎng)絡(luò)獨立，以保證原工控系統(tǒng)的安全性。

4 泵站智慧巡檢機器人

智慧巡檢機器人結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由功能模塊部分(溫濕度采集、熱成像傳感器、高清攝像頭)和底盤總成部分(激光導(dǎo)航、行進控制)等組成。

圖2 智能巡檢機器人結(jié)構(gòu)

4.1 功能模塊部分

熱成像溫度監(jiān)測模塊：該模塊在巡檢路線過程中對預(yù)設(shè)的任務(wù)點進行溫度提取，在江都四站選取了對上油缸、碳刷、集電環(huán)、受油器等部位進行熱成像拍攝，在服務(wù)器端提取所需部位最高溫度及平均溫度等數(shù)值記錄在數(shù)據(jù)庫中，將數(shù)據(jù)與電流、振動數(shù)據(jù)一起進行對比分析，找出設(shè)備運行的基本規(guī)律并設(shè)置健康預(yù)警。當(dāng)實時溫度過高時，立刻輸出報警給值班人員。

高清視頻監(jiān)控：在巡檢機器人顯示屏、中控室服務(wù)器顯示屏、控制用平板電腦上實時顯示巡視檢查時的高清視頻，便于管理人員了解現(xiàn)場情況。

觸摸屏：用于對機器人的控制，并顯示傳感器所測數(shù)值的現(xiàn)地分析、預(yù)警情況。當(dāng)對外網(wǎng)絡(luò)通信中斷時，起到本地服務(wù)器功能，確保機器人正常巡檢，無線測振裝置正常工作。

4.2 底盤總成部分

底盤總成部分包含驅(qū)動電機、電池、充電器、控制器、激光導(dǎo)航等主要元器件。激光導(dǎo)航和驅(qū)動電機實現(xiàn)閉環(huán)控制，首先，根據(jù)現(xiàn)場總布置圖、原人工巡檢路線、手工或者3D掃描繪制出現(xiàn)場的總圖以及機器人巡檢路線，巡檢線路在坐標系內(nèi)是坐標點的集合線性數(shù)組，整個地圖掃描存儲于導(dǎo)航控制器程序內(nèi)，從地圖程序內(nèi)巡檢路線的坐標集合輸出到驅(qū)動伺服電機控制器內(nèi)，控制伺服電機左右轉(zhuǎn)向(電機速度值為0.8m/s)。過程中激光雷達實時反饋信號重復(fù)確認是否吻合預(yù)設(shè)路線坐標點(精確度0.1m)，如果偏差路徑延時3s報警，主動根據(jù)反饋信號與實際位置信號對比進行伺服電機控制，以修復(fù)路徑，使機器人重新回到預(yù)設(shè)軌道，直到回到了預(yù)設(shè)點集合內(nèi)后，延時1s，報警自動復(fù)位。當(dāng)巡檢路線中遇到障礙時，激光雷達提前預(yù)判，內(nèi)部及時報警并自動進行右側(cè)或者左側(cè)避障，驅(qū)動伺服電機自動轉(zhuǎn)向45°，行進時間根據(jù)三角函數(shù)計算，完成行進時間后，如果雷達報警自動復(fù)位，伺服電機反方向45°進行下一個路徑循環(huán)，直到完成整個巡檢過程。自動激光導(dǎo)航工作流程如圖3所示。

圖3 自動激光導(dǎo)航工作流程

5 無線測振系統(tǒng)

對于全生命周期健康預(yù)警分析系統(tǒng)，設(shè)備振動是重要的考量參數(shù)之一。根據(jù)ISO 10816:2000 振動監(jiān)測評估標準，對于大型旋轉(zhuǎn)機械在非旋轉(zhuǎn)部位測量的振動值有2個考核指標：速度均方根和軸的位移值，其考核參數(shù)見表1。

表1 測點考核參數(shù)

根據(jù)ISO標準的選擇傳感器類型為測量振動均方根速度的傳感器，前期套用ISO標準(見圖4)進行衡量，同時記錄實時曲線和歷史曲線用于判斷振動趨勢，當(dāng)系統(tǒng)運行一段時間有實際運行數(shù)據(jù)支撐后，可進一步提高系統(tǒng)對機組運轉(zhuǎn)狀態(tài)的判斷能力，提高對故障的預(yù)判水平。

圖4 ISO標準

傳感器采用自行設(shè)計磁性基座直接固定在上機架(見圖5)、葉輪外殼(見圖6)的三個方向，以減少結(jié)構(gòu)開孔和施工難度。傳感器選擇x、z雙軸測振傳感器，一可降低一半的傳感器數(shù)量，二可多傳感器互為備用，數(shù)值互為驗證。

圖5 電機層安裝的無線傳感器

圖6 水泵層安裝的無線傳感器

6 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

軟件分為控制部分和數(shù)據(jù)分析顯示部分。兩個部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對獨立，人機交換界面綜合成一體，具有很好的擴展性以及邏輯安全性。

控制部分其核心(見圖7)是巡檢機器人的巡檢路線控制以及采集點數(shù)據(jù)的上傳控制，整個軟件調(diào)用導(dǎo)航控制器和驅(qū)動伺服電機的底層API協(xié)議。API采用 TCP問答的方式, 機器人作為服務(wù)器接受客戶端的請求并向客戶端作出響應(yīng)。當(dāng)機器人狀態(tài)反饋已經(jīng)到達任務(wù)點后，上位機應(yīng)該向指定任務(wù)模塊發(fā)出工作命令，當(dāng)數(shù)據(jù)完整回傳后再發(fā)送給機器人到下一個任務(wù)點的行走命令。依次循環(huán)完成整個巡檢路徑的檢查。

圖7 紅外攝像界面

數(shù)據(jù)分析顯示部分(見圖8)通過modbus/TCP 協(xié)議讀取無線網(wǎng)關(guān)采集的振動溫度數(shù)據(jù)或者其他傳感器的壓力數(shù)據(jù)等，通過實時曲線、歷史曲線以及FFT、瀑布圖計算和顯示手段，使操作人員清晰地看到設(shè)備健康狀態(tài)，作出更專業(yè)的判斷。所有讀取的數(shù)據(jù)應(yīng)該遵循分別獨立存儲、綜合在線分析的整體思路，以保證原始數(shù)據(jù)的可再造性和各數(shù)據(jù)之間的可對比性。發(fā)掘數(shù)據(jù)規(guī)律，為后期軟件更新升級做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖8 振動信號圖形顯示界面

智慧巡檢機器人通過采集到的實時數(shù)據(jù)，對異常信號進行提前預(yù)警和實時報警。狀態(tài)量通常采用“雙上限報警”，如水導(dǎo)溫度是60°C報警，65°C停機。由于機組個性化差異，信號量在低于報警限制時，有相對穩(wěn)定的特征值，且該值是變化的。數(shù)據(jù)報警系統(tǒng)(見圖9)通過整合、分析數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中設(shè)定信號閾值。若檢測到信號量的實時數(shù)據(jù)偏離特征數(shù)據(jù)，超過閾值觸發(fā)異常報警，而此時實時值并未觸發(fā)國家相關(guān)標準的報警，但其狀態(tài)已不正常，單擊圖9中報警信號列表，左側(cè)即會顯示與該信號關(guān)聯(lián)性最大的前幾個信號量(即為主要影響因素)，輔助運行人員診斷決策。

圖9 數(shù)據(jù)處理報警界面

通過對歷史數(shù)據(jù)的查詢，并評估其前一段時間的連續(xù)數(shù)據(jù)，預(yù)測未來一定時間內(nèi)哪個信號會報警，真正實現(xiàn)“治之于未亂”。

7 使用效果

智慧巡檢機器人通過對泵組的主電機滑環(huán)溫度、油缸溫度實時監(jiān)測、分析，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，進行報警和智能分析，減少設(shè)備維修成本，確保工程安全運行和效益充分發(fā)揮。此系統(tǒng)同時是一個狀態(tài)監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)持續(xù)跟蹤,幫助運行管理人員掌握水泵機組運行過程中的振動變化趨勢，同時幫助泵站機組實現(xiàn)預(yù)測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監(jiān)測泵站內(nèi)所有機組的運行狀態(tài)，協(xié)助運行管理人員充分了解機組設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)大量的機組狀態(tài)生成“大數(shù)據(jù)”[6]，為泵站的運營優(yōu)化和能耗優(yōu)化提供實測數(shù)據(jù)。

a.重點巡檢部位多次巡檢。巡檢設(shè)備可以根據(jù)現(xiàn)場管理需要設(shè)置巡檢周期。實現(xiàn)了全過程高清可視化巡檢、全局紅外測溫，通過對可見光和紅外視頻的錄制與分析，以機器人代替了人工巡檢的部分工作。對重點巡檢部位，可提高巡檢頻次，提高了泵站維護作業(yè)工作的工作效率和可靠性。

b.及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。運行管理人員通過發(fā)布巡視命令，可在控制室通過服務(wù)器顯示屏或者pad實時查看智慧巡檢機器人巡檢的高清視頻。無人監(jiān)控時，巡檢機器人自動采集溫度、振動數(shù)值，通過自身觸摸屏電腦、中控室服務(wù)器進行越限報警，并可進一步通過云端大數(shù)據(jù)平臺進行機組狀態(tài)判斷和趨勢分析，有效提高巡檢的效率和智能化水平。

c.減少設(shè)備維修成本。預(yù)防性維護可以減少故障停機，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以在故障發(fā)生之前檢測出并判斷出主電機故障，可事先計劃并實施正確的措施，以避免成本高昂的故障以及計劃外停機。

d.提高巡檢智能化程度。由于機組的主電機集電環(huán)、受油器、上油缸溫度是周期性熱成像監(jiān)測，一旦發(fā)生故障將及時報警，同時數(shù)據(jù)也上傳到數(shù)據(jù)交互、分析平臺進行儲存分析。采用智慧巡檢機器人進行拍攝，可減少人工巡檢成本以及提高巡檢準確性，整個過程智能程度非常高。

8 總結(jié)與展望

智慧巡檢系統(tǒng)通過對泵組的主電機滑環(huán)溫度、油缸溫度的實時監(jiān)測、分析，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，進行報警和智能分析，減少設(shè)備維修成本，確保工程安全運行和效益充分發(fā)揮。此系統(tǒng)同時是一個狀態(tài)監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)持續(xù)跟蹤，幫助運行管理人員掌握水泵機組服役過程中的振動變化趨勢，同時幫助對泵站機組實現(xiàn)預(yù)測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監(jiān)測泵站內(nèi)所有機組的運行狀態(tài)，協(xié)助運行管理人員充分了解機組設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)大量的機組狀態(tài)生成“大數(shù)據(jù)”，為泵站的運營優(yōu)化和能耗優(yōu)化鋪平道路。

泵站的安全可靠運行關(guān)系到灌溉、排澇、泄洪、通航、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的安全，設(shè)備全生命周期健康監(jiān)測有著非常重要的意義，鑒于無線互聯(lián)技術(shù)和工業(yè)鋰電池技術(shù)的進步，智慧巡檢無線監(jiān)測系統(tǒng)在已建成泵站不停機改造中有著更加廣闊的應(yīng)用前景。