高港泵站機組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

黃 蔚 王宇凡 干佳馨

（江蘇省泰州引江河管理處 泰州 225300）

1 引言

泰州引江河高港樞紐是江蘇省東部地區(qū)引江供水口門，也是國家南水北調(diào)東線水源工程之一，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110kV 專用變電所等組成。高港泵站安裝立式開敞式軸流泵9 臺套，設(shè)計正反向抽排能力300m3/s，總裝機容量18000kW。自1999年投入運行以來，機組共抽水運行57294 臺時，抽排澇水52.24 億m3，抽水北送3.95億m3，向通南地區(qū)送水18.75 億m3。高港泵站在建成時就已經(jīng)配置了自動化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站運行的自動監(jiān)測、控制和保護(hù)。2011年，高港樞紐聯(lián)合揚州大學(xué)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的泵站信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了泵站自動化與信息化的無縫集成，管理人員能夠隨時隨地利用電腦或移動設(shè)備查看泵站運行的狀態(tài)，查詢相關(guān)信息。高港泵站機組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，可以實現(xiàn)機組振動擺度的實時在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及報警，同時能夠長期記錄保存各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于發(fā)生事故時調(diào)查分析原因。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

高港泵站機組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。共劃分為3 層：采集感知層、數(shù)據(jù)中心層以及應(yīng)用展示層。采集感知層是由分布在泵站現(xiàn)場的9個采集箱和多只傳感器組成,每個數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)裝有數(shù)據(jù)采集器，用于連接加速度、電渦流、電流等各種傳感器,實現(xiàn)泵站機組振動、擺度、相位等參數(shù)的就地采集。數(shù)據(jù)中心層由機組振擺監(jiān)測服務(wù)器、單向隔離裝置、防火墻及OPC 服務(wù)器組成。機組振擺監(jiān)測服務(wù)器實時采集現(xiàn)場各個數(shù)據(jù)采集箱的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過OPC 服務(wù)器采集計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測信息(流量、上下導(dǎo)溫度、推力瓦溫度、油溫、有功功率、無功功率、上下游水位等)，將數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)庫，并提供機組振擺監(jiān)測的服務(wù)。應(yīng)用展示層可以是計算機或便攜式移動設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備與機組振動擺度服務(wù)器連接，進(jìn)行機組振動擺度監(jiān)測和分析。數(shù)據(jù)采集箱之間通過雙絞線經(jīng)交換機相連，最后在1 號采集箱通過單模光纖經(jīng)光纖收發(fā)器與機組振擺監(jiān)測服務(wù)器相連接。

圖1 高港泵站機組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測點布置

測點布置的合理性以及測點數(shù)量的多少直接關(guān)系到振動擺度監(jiān)測信號采集的真實性與運行狀態(tài)判斷的可靠性。根據(jù)高港泵站機組立式軸流泵的特點設(shè)計傳感器安裝位置，各種傳感器就近接入相應(yīng)采集箱。傳感器的監(jiān)測點、監(jiān)測類型、傳感器數(shù)量見表1。

表1 測點配置表

2.3 測量設(shè)備

（1）振動監(jiān)測傳感器。振動監(jiān)測選用了全密封不銹鋼雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)為0.5-10000Hz、靈敏度為100mV/g±20%、橫向靈敏度≤5%的加速度傳感器。加速度計是一種慣性式傳感器，產(chǎn)生正比于被測機械加速度的輸出信號，一般來說，加速度計安裝在機器的固定（非旋轉(zhuǎn)）結(jié)構(gòu)上。振動傳感器的安裝直接影響到信號的獲取和分析，因此采用了打孔安裝方式，將安裝面打磨光滑、平整，打磨直徑大于傳感器直徑10mm，表面粗糙度小于1μm，在安裝中心打一安裝螺紋孔。安裝傳感器后檢查傳感器底面是否與機組安裝面充分接觸、接觸面積不小于傳感器底面積的2/3。

（2）擺度監(jiān)測傳感器。對于泵站機組軸線擺度監(jiān)測，選用電渦流傳感器。擺度傳感器是非接觸測量，采用不銹鋼支架固定安裝，在泵體基座上安裝支架，支架必須有足夠的剛性，以防機組運行振動時變形，傳感器固定在支架上，安裝時固定牢固，防止松動或晃動引起的測試誤差，傳感器安裝位置在量程線性中心點附近，按照說明書保證量程、間隙電壓值符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（3）鍵相監(jiān)測傳感器。采用電感式接近傳感器測量轉(zhuǎn)速信號，電感式接近傳感器具有不易受大軸擺度過大或軸心偏移過大等影響，安裝和維護(hù)較為方便等優(yōu)點。鍵相片用強力耐高溫膠水粘于泵軸上。傳感器和擺度監(jiān)測傳感器安裝在同一不銹鋼支架上，最后根據(jù)探頭參數(shù)調(diào)整傳感器與鍵相片的距離。

（4）數(shù)據(jù)采集器。采用基于嵌入式系統(tǒng)平臺設(shè)計的智能振擺數(shù)據(jù)采集模塊，能夠連接不同類型及不同型號的傳感器，對傳感器的信號進(jìn)行采集，實現(xiàn)機組振動、擺度、轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集及特征參數(shù)計算與提取，并通過以太網(wǎng)絡(luò)通信接口將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

機組振擺監(jiān)測服務(wù)器中裝有數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)通訊等軟件。數(shù)據(jù)采集軟件自動讀取數(shù)據(jù)采集器中原始高保真監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時通過OPC 協(xié)議讀取計算機監(jiān)控系統(tǒng)中機組運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，讀取后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合存儲到SQLServer 數(shù)據(jù)庫中，并按照靜態(tài)配置數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的B/S 結(jié)構(gòu)，開發(fā)能夠可視化展示實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的人機交互頁面。同時利用java 語言開發(fā)手機APP 與電腦端互通。

3.2 軟件功能

（1）狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測模塊包括三維圖立體展示和列表展示。三維立體展示是以不同顏色立體展示機組當(dāng)前的運行狀態(tài)，同時可以顯示測點以及測點上的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以不同顏色標(biāo)識測點數(shù)據(jù)報警狀態(tài)。列表展示則是以列表方式顯示機組以及對應(yīng)機組下的測點測量結(jié)果，選擇不同機組，查看對應(yīng)機組下的測量結(jié)果，以柱狀圖的形式展示機組的當(dāng)前監(jiān)測信息。

（2）數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析模塊是根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行振動分析的模塊，包括波形分析、頻譜分析、波形頻譜分析、軸心軌跡分析、軸心位置分析及趨勢分析。管理人員可以自由選擇任意時間點進(jìn)行波形的對比，例如通過識別軸心軌跡的形狀，分析設(shè)備振動的原因；通過軸心位置圖，可以看出軸承的偏位角、偏心距，從而判斷轉(zhuǎn)子運行是否平穩(wěn)。進(jìn)入到趨勢分析界面，通過勾選頁面樹狀結(jié)構(gòu)的測量位置分析趨勢圖譜，可單個測點的歷史趨勢分析，也可多個測點的歷史趨勢變化對比分析。

（3）實時報警。實時報警模塊主要依據(jù)《泵站技術(shù)管理規(guī)程》《大型泵站主機組檢修技術(shù)規(guī)程》等規(guī)程內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及高港泵站多年手動測量數(shù)據(jù)而設(shè)立的閾值報警模塊，能進(jìn)行振擺限值和變化率報警的推動，顯示出所有已報警的機組、通道、當(dāng)前值信息。支持實時報警監(jiān)控和歷史報警查詢功能。支持報警產(chǎn)生、報警確認(rèn)、報警消除等環(huán)節(jié)的信息查看，包括報警名稱、報警描述、優(yōu)先級、產(chǎn)生時間、確認(rèn)時間、缺陷處理狀態(tài)、缺陷處理時間等信息。

（4）監(jiān)測報表。監(jiān)測報表模塊分為報警報表和日常報表。報警報表：根據(jù)選定的時間段，查看時間區(qū)間內(nèi)的報警信息、報警信息詳情，導(dǎo)出報警報表。日常報表：根據(jù)選取的時間段，查看測點的歷史監(jiān)測結(jié)果報表。

（5）移動應(yīng)用。管理人員可以通過手機、平板等便攜式移動設(shè)備在移動端APP 對各個測點的實時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)的追蹤及報警信息的查詢，當(dāng)監(jiān)測點數(shù)據(jù)達(dá)到報警限值時，能夠自動報警提示相關(guān)人員。

4 結(jié)語

2019年底正式投入運行以來，高港泵站機組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用為高港泵站機組的安全運行提供了保障。通過對機組振動擺度運行特征量及其關(guān)聯(lián)量的長期實時監(jiān)測和分析，可以發(fā)現(xiàn)機組潛在隱患與運行缺陷，控制設(shè)備運行風(fēng)險，并為高港泵站建設(shè)中的基于一體化平臺的機組故障智能診斷以及全生命周期管理系統(tǒng)積累數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)來源。經(jīng)過近兩年的使用，系統(tǒng)使用情況良好，實現(xiàn)了既定的目標(biāo)，可在類似水利樞紐推廣普及■