閘門及啟閉機智能運維系統(tǒng)在陸渾水庫的應(yīng)用

趙留香

(河南省陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471003)

1 項目研究的必要性

陸渾水庫位于黃河流域伊河支流的河南省嵩縣境內(nèi)，總庫容13.20億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、城市供水等綜合利用的大(1)型多年調(diào)節(jié)水庫。水庫于1959年12月開工,1965年8月建成。主要建筑物由大壩、輸水洞、泄洪洞、灌溉洞、溢洪道及總裝機容量12 200 kW的水電站組成。

陸渾水庫輸泄水建筑物較多，閘門和啟閉機不僅種類齊全，而且數(shù)量眾多(水庫和灌區(qū)中型以上各種水閘多達90余套)。未來通過灌區(qū)向鄭州輸水的“西水東引工程”，要求水庫以“常流水”的方式向鄭州市供水，無疑加大了閘門和金屬結(jié)構(gòu)的管理任務(wù)。通常閘門和啟閉機金屬構(gòu)件變形、疲勞或啟閉傳動故障等均會形成系統(tǒng)故障，尤其是不確定的動水載荷激振和腐蝕作用，更使設(shè)備故障模式復(fù)雜且難以預(yù)測。因此，為滿足水工機械裝備高負荷、高頻率運行安全管理，實現(xiàn)閘門與啟閉機運行過程動態(tài)監(jiān)測和故障智能分析研究是十分必要的。

2018年國家工業(yè)和信息化部、財政部聯(lián)合批準了《水工機械裝備遠程運維標準研究與試驗驗證項目》研究，鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院作為標準化研究制定牽頭單位，聯(lián)合國內(nèi)十余家相關(guān)研究單位在近三年開展了大量基礎(chǔ)研究工作，并于2020年底完成中國水利水電工程水工機械裝備遠程智能運維標準化制定。在陸渾水庫溢洪道三孔弧形工作閘門及啟閉機開展遠程智能化運維系統(tǒng)研究和應(yīng)用，是項目組選定的第一批實現(xiàn)水工機械裝備物聯(lián)網(wǎng)運行管理的工程項目。項目組課題研究、開發(fā)單位，通過對國內(nèi)水工機械安全運維領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的細致調(diào)研，結(jié)合下一步國家對水工機械裝備遠程智能運維標準化的要求，在2019年7-12月現(xiàn)場開展大量方案規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展了《陸渾水庫閘門及啟閉機遠程智能運維系統(tǒng)研究》。

2 研究的目標和任務(wù)

項目的研究目標，是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析模型構(gòu)建閘門和啟閉機智能運維系統(tǒng)，用在線監(jiān)測和運行仿真代替人工目測，用智能診斷和決策代替人為的經(jīng)驗，用戶主動預(yù)測維護代替定期維護，以實現(xiàn)水工機構(gòu)裝備運維的現(xiàn)代化。

研究任務(wù)，基于新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)運行設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，形成在線監(jiān)測、智能診斷和維護決策的安全新模式，提升機械裝備運行的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障發(fā)生，降低故障損失和維護成本，保障工程的運行安全，也為設(shè)備設(shè)計及制造工藝改進優(yōu)化提供大數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 主要技術(shù)指標

陸渾水庫閘門及啟動機遠程智能運維系統(tǒng)研究，重點實現(xiàn)和解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

3.1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分析與集成技術(shù)

通過現(xiàn)場布設(shè)傳感器、信號傳輸線路和后臺數(shù)據(jù)庫，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)接口、集成等多數(shù)據(jù)源集成與自動流動，并在時間、空間上建立多數(shù)據(jù)源相關(guān)關(guān)系，為大數(shù)據(jù)分析提供支撐。

3.2 設(shè)備運行動態(tài)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

建立設(shè)備運維狀態(tài)監(jiān)測的活動模型，通過人機交互界面、動態(tài)圖表等形式展示設(shè)備的實時運行狀態(tài)，同時也可以對設(shè)備故障處理等運維操作的結(jié)果進行管理和控制。

3.3 故障診斷技術(shù)

利用數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型驅(qū)動耦合的方法，建立故障診斷預(yù)測的可靠模型和知識庫，率定各類監(jiān)測要素的預(yù)警值，實現(xiàn)發(fā)生故障的在線分析與預(yù)警實時發(fā)布。

3.4 預(yù)測性維護技術(shù)

基于主動維護思想，利用大數(shù)據(jù)、智能算法對設(shè)備性能衰退過程預(yù)測分析，預(yù)測設(shè)備或結(jié)構(gòu)使用壽命等，使設(shè)備安全維護達到預(yù)防性要求。

3.5 信息服務(wù)技術(shù)

以工程建筑、閘門和啟閉機的三維可視化為基礎(chǔ)，進一步在軟件系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、預(yù)警信息的渲染表達顯示；基于云計算、移動互聯(lián)、智能終端等先進應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)遠程信息服務(wù)和多終端信息顯示。

4 技術(shù)路線及主要實施內(nèi)容

項目主要實施內(nèi)容與技術(shù)線路，包括了在線實時監(jiān)測、智能診斷分析、仿真顯示分析服務(wù)三大部分，詳見圖1。

圖1 項目實施主要內(nèi)容及技術(shù)路線圖

5 技術(shù)方案

5.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集分析與應(yīng)用集成

實現(xiàn)對水工機械裝備的全生命周期的動態(tài)信號采集和分析，遠程運維要求智能設(shè)備能夠自動、快速的接入，并解釋物理單元中的數(shù)據(jù)(包括格式和語義)，實現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作，必須時刻保持連接在線，否則無法實時采集狀態(tài)數(shù)據(jù)和進行遠程控制。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崟r監(jiān)測所連接智能設(shè)備的在線狀態(tài)，并維持跟智能設(shè)備的連接。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實時將智能設(shè)備的連接狀態(tài)上報給數(shù)據(jù)層，進行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)的采集，在設(shè)備遠程故障診斷系統(tǒng)中，實現(xiàn)實時監(jiān)控以及在線調(diào)整，如圖2所示。

圖2 裝備狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測圖

5.2 閘門及啟閉機運行狀態(tài)在線監(jiān)測

在閘門和啟閉機性能監(jiān)測、運行可靠性監(jiān)測、啟停監(jiān)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，在線獲取數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)控單元的輸出，終端上顯示設(shè)備運行狀況和自我診斷信息。

結(jié)合其他各種控制程序以及第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)，構(gòu)建動態(tài)自適應(yīng)監(jiān)測與托管服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)水工機械裝備的局部監(jiān)測托管、整機性能托管與異常服務(wù)托管。

通過網(wǎng)絡(luò)獲取信號采集，結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究提供從局部到整機、從暫態(tài)到長周期的多種實時狀態(tài)評估工具，自動辨識異常并發(fā)出報警，從而保障水工機械裝備的安全生產(chǎn)，提高服務(wù)水平。

5.3 傳感器布設(shè)

此項目在陸渾水庫溢洪道進口的三口弧形工作閘門進行試驗研究，在閘門和啟閉機上布設(shè)各類傳感器，實時采集閘門、啟閉機運行監(jiān)測數(shù)據(jù)。

5.3.1 實時在線應(yīng)力監(jiān)測

在閘門及啟閉機的主要受力構(gòu)件不同位置上布置應(yīng)變片，在閘門及啟閉機受力發(fā)生變形后，應(yīng)變片采集不同位置的應(yīng)變，將應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)變計，通過補償平衡電橋，應(yīng)變放大器和電荷放大器將不同位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸給處理器，處理器根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理得到各測點、各方向的應(yīng)變實測值，根據(jù)實測應(yīng)變計算出相應(yīng)的應(yīng)力值。

5.3.2 實時在線變形監(jiān)測

在弧形工作閘門上選取合適的標志點，布置具有夜視紅外功能的工業(yè)相機，在閘門啟閉和受到水流震蕩時，通過近景攝影測量技術(shù)，采用線中心投影的推掃方式，進行垂直位移觀測和水平位移的觀測，監(jiān)測不同標志點的靜態(tài)變形和動態(tài)變形情況。將不同位置的變形圖片傳輸給處理器，處理器再根據(jù)所采集的圖片進行相機檢校、特征點、線的標定、影像匹配等處理后得到各測點、各方向的三維坐標。最終像方、物方點的一系列坐標變換成像，得到主要設(shè)備的實時立體三維模型，經(jīng)過對比和放大處理，根據(jù)弧形工作閘門及啟閉機結(jié)構(gòu)形式和受力特點得到幾何變形數(shù)據(jù)。

5.3.3 實時在線動力響應(yīng)監(jiān)測

在弧形工作閘門上不同位置安裝加速度計，在閘門啟閉以及受到水流沖擊時，加速度計采集到不同位置的正弦振動和隨機振動數(shù)據(jù)。將不同位置的振動數(shù)據(jù)傳輸給處理器，處理器再根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理得到各測點、各方向的振動實測值，根據(jù)實測值以及金屬結(jié)構(gòu)的共振頻率和共振點，計算工作閘門在不同運行工況下水流脈動壓力誘發(fā)的振動應(yīng)力、振動位移。

5.3.4 實時在線啟閉力監(jiān)測

在閘門及啟閉機的合適位置布置壓力傳感器、閘門開度傳感器(光電編碼器)、浮子式水位傳感器，監(jiān)測啟閉力數(shù)據(jù)。包括閘門在實際擋水水頭下的啟門力、持住力、閉門力、最大啟門力、最大持住力、最大閉門力。將不同位置的啟閉力數(shù)據(jù)傳輸給處理器，處理器再根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理，得到各測點的啟閉力實測值，根據(jù)實測值繪制出相應(yīng)的啟閉力過程線。

5.4 基于知識庫的故障診斷和預(yù)測性維護分析

基于知識庫實現(xiàn)健康狀態(tài)評估技術(shù)和動態(tài)診斷技術(shù)研究，依托業(yè)務(wù)庫、數(shù)據(jù)庫、用例庫和知識庫，圍繞設(shè)備健康狀態(tài)管理、分析診斷，實現(xiàn)水工機械裝備的全生命周期診斷服務(wù)。

水工機械裝備的健康狀態(tài)評估，主要利用非線性知識挖掘和推理技術(shù)，對裝備的遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)(尤其是機組故障突發(fā)前后的原始數(shù)據(jù))等進行分析，找出其中的關(guān)聯(lián)規(guī)則，融合多種信息對機組系統(tǒng)運行狀況做出評估。

水工機械裝備故障診斷與預(yù)測分析功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 故障診斷與預(yù)測分析功能架構(gòu)圖

水工機械裝備的故障診斷分析則是綜合數(shù)據(jù)庫訪問、信號分析等方面技術(shù)，構(gòu)建基于虛擬儀器的診斷分析平臺，實現(xiàn)基于運行狀態(tài)的動態(tài)診斷分析。大數(shù)據(jù)，模型和算法是進行知識發(fā)現(xiàn)的重要手段，建立設(shè)備評估模型和故障預(yù)測模型，最終基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測診斷實現(xiàn)設(shè)備智能運維。

預(yù)測性維護分析研究，可以確保閘門和啟閉機產(chǎn)品符合設(shè)計容差，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)的質(zhì)量，同時也將考慮過于頻繁的預(yù)防性維護會受到制造商保修要求的限制，增加系統(tǒng)的停機時間，對可用性也會有負面影響。

6 研究成果及意義

通過研究和實際運用表明，該系統(tǒng)在工程與金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備三維數(shù)字化孿生平臺、運行狀態(tài)監(jiān)測及異常預(yù)警/報警、故障診斷與分析、健康診斷與預(yù)測性維護、虛擬運維與運行仿真、遠程運維知識庫、運維過程管理等功能應(yīng)用方面，使用效果良好、達到預(yù)期效果，同時幫助陸渾水庫實現(xiàn)了常態(tài)運行數(shù)據(jù)的積累，為保障設(shè)備的常態(tài)、穩(wěn)定、可靠運行起到了積極的作用，提升了管理效率、運維響應(yīng)及處理效率，提升了水庫設(shè)備數(shù)字化運維及管控能力，具有很好的實用性和推廣應(yīng)用價值。該研究項目的成功試驗和推廣應(yīng)用，不僅可對全國水工機械進行高效地智能化全方位監(jiān)測，最大限度地防范和控制運行風(fēng)險。同時，對水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管和促進水利工程現(xiàn)代化管理，具有十分重要的意義。

7 系統(tǒng)的發(fā)展方向和發(fā)展空間

7.1 進一步提升基于專家系統(tǒng)的異常維護過程智能決策能力

在系統(tǒng)運行過程中，一方面，進一步加強系統(tǒng)故障診斷及預(yù)測性維護模型的優(yōu)化，立足國家智慧水利建設(shè)目標，面向水工機械裝備智能遠程運維，在“數(shù)字孿生、AR/VR”、“5G+數(shù)字化水電站”等方面持續(xù)拓展應(yīng)用，實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用示范；另一方面，在工程運行及管理過程中，基于系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)人工巡檢、定期檢測、故障異常及處理方式等人員經(jīng)驗、方法的數(shù)字化轉(zhuǎn)化與知識經(jīng)驗沉淀，進一步提升基于專家系統(tǒng)的異常維護過程智能決策能力。

7.2 全面推廣實施系統(tǒng)，提升整體工程安全運行及數(shù)字化管理能力

下一階段，推進水工機械裝備智能運維系統(tǒng)在陸渾水庫、灌區(qū)閘門、啟閉機等設(shè)備的全面普及及推廣實施，提升整個工程安全運行及全局數(shù)字化管理能力。