基于多源信息融合的汽輪機(jī)油液監(jiān)測(cè)研究

吳昭鵬， 顏江明， 王 軍， 徐東華， 蘇一丹， 李聚保

（1.中山市天乙能源有限公司， 廣東 中山 528400；2.廣州航海學(xué)院， 廣東 廣州 510725）

引言

我國(guó)發(fā)電廠以火力發(fā)電機(jī)組為主，多采用汽輪機(jī)組，是二氧化碳的主要排放來(lái)源。在國(guó)際和國(guó)內(nèi)各種政策推動(dòng)下，電廠在成本制約下，一方面必須逐步采用智能化設(shè)備改造，另一方面需要采用節(jié)能減排新技術(shù)。至今，我國(guó)統(tǒng)一的碳排放權(quán)交易市場(chǎng)已經(jīng)運(yùn)行了半年多，首批入圍的主要就是火力發(fā)電廠。新的市場(chǎng)機(jī)制下，火電廠的環(huán)保工作不達(dá)標(biāo)就需要花資金購(gòu)買碳交易配額。面對(duì)可能增加的成本，電廠必須真正地去加大節(jié)能改造，主動(dòng)使用更加清潔的能源，我國(guó)才能真正的做到減少全球二氧化碳排放?？萍嫉倪M(jìn)步，多傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得本系統(tǒng)能圍繞多源信息融合的策略，進(jìn)行汽輪機(jī)油液監(jiān)測(cè)研究。能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)關(guān)鍵零部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，科學(xué)決策，有效控制，保證電廠發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和連續(xù)性，促進(jìn)電廠各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)的有序進(jìn)行[1]。

1 多源信息融合

在設(shè)備的不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估過(guò)程中，只對(duì)收集到的單個(gè)有用信息進(jìn)行分析，做出的判斷和診斷結(jié)果可能是不準(zhǔn)確的，甚至是錯(cuò)誤的。為得到準(zhǔn)確率比較高的結(jié)果，就需要采集多個(gè)有用的信息，比如設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，近期的運(yùn)行狀態(tài)信息，隨時(shí)間積累出的已有偏離值，故障發(fā)生時(shí)多個(gè)不同的狀態(tài)信息等等。通過(guò)對(duì)設(shè)備采集得到的時(shí)間和空間上的多源信息分析，能做出更加準(zhǔn)確的狀態(tài)判斷結(jié)果[2]。

多源信息融合技術(shù)的起源于二次世界大戰(zhàn)末期，在軍事和民用需求的強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)下，如今已經(jīng)在傳統(tǒng)和新興行業(yè)廣泛應(yīng)用。多源信息融合技術(shù)具有前沿性，是一門高度交叉學(xué)科，其高度的實(shí)用價(jià)值帶來(lái)近些年持續(xù)的發(fā)展和研究[3]。

多源信息融合是研究發(fā)掘多個(gè)不同的信息源，通過(guò)多角度、多時(shí)段、多維度、多方面的處理，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的不間斷收集、連接、合并、配對(duì)和預(yù)估，從而深入的研究和分析問(wèn)題和狀態(tài)，提高決策的精度。多源信息融合是運(yùn)用多個(gè)理論和方法對(duì)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的過(guò)程，用來(lái)分析和評(píng)估實(shí)際設(shè)備狀態(tài)[4]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)階段，實(shí)驗(yàn)室中配置了一套汽輪機(jī)油液模擬循環(huán)裝置。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有一個(gè)循環(huán)油箱（帶粗濾器），油管（帶旁通冷卻裝置），動(dòng)力油泵，閥門組（連接多個(gè)傳感器）。油液在泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入閥組，進(jìn)而分配到每個(gè)傳感器，經(jīng)過(guò)微調(diào)，保證達(dá)到傳感器的油液溫度和壓力在其工作量程內(nèi)，且系統(tǒng)內(nèi)的油液溫度和壓力能模擬工廠的多個(gè)實(shí)際工況。

系統(tǒng)啟動(dòng)，汽輪機(jī)油液循環(huán)經(jīng)過(guò)多個(gè)傳感器，完成工況數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)工業(yè)級(jí)智能網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和通信協(xié)議的封裝，自研開(kāi)發(fā)的智能監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)Lora 遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸單元送到工廠的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心上位機(jī)運(yùn)行在線分析軟件，用多種儀表和圖表動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也同步到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)期保存，方便隨時(shí)查詢。多種報(bào)警功能，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)閥值時(shí)就觸發(fā)聲光報(bào)警，并在LOG 里記錄下報(bào)警事件和處理過(guò)程。另外，借助監(jiān)控中心強(qiáng)大的算力，做出智能評(píng)估和預(yù)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于多源信息融合技術(shù)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電控單元硬件方案設(shè)計(jì)、板載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多個(gè)傳感器選型、觸摸屏顯示單元和一些外圍電路設(shè)計(jì)等等。

3.1 電控單元硬件電路板設(shè)計(jì)

前期開(kāi)發(fā)采用飛凌嵌入式產(chǎn)品，基于NXP 系列的開(kāi)發(fā)板，考慮核心板+外圍板，大廠出品功能齊全，性能一如既往的穩(wěn)定。核心板是CPU、RAM、FLASH和電源管理模塊等核心芯片高度集成封裝成一塊小PCB 電路板。外圍板上有很多種類的接口，如Ethernet、UART、IIC、USB、PWM、ADC 和CAN 等，非常方便進(jìn)行多種外圍器件的選型、連接和調(diào)試?；谏鲜龅姆绞?，做了該電控模塊，并與整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，進(jìn)行了多種功能測(cè)試。

最終產(chǎn)品的功能定型后，電控單元硬件電路也必須完全定下來(lái)，仍舊采用之前的核心板，只需重新設(shè)計(jì)外圍板。電子器件選型，準(zhǔn)備元件庫(kù)，設(shè)計(jì)原理圖，PCB 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局，其中充分了考慮阻抗和疊層等性能問(wèn)題。本方案的設(shè)計(jì)思路已在業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，久經(jīng)考驗(yàn)，成熟的核心板+自研外圍板模式，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，方便產(chǎn)品升級(jí)換代，縮短研發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本（如圖1 所示）。

3.2 嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

電子監(jiān)控單元外接多個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)顯示，且有大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信的需求，這些任務(wù)帶都帶有某種程度的緊迫性，采用高速響應(yīng)和高可靠性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是最有效的實(shí)現(xiàn)方式。處理后的結(jié)果能在極短的時(shí)效期內(nèi)來(lái)去決定進(jìn)一步的控制動(dòng)作或觸發(fā)下一個(gè)控制任務(wù)，這種快速響應(yīng)能抓取一切能利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)，又兼顧實(shí)時(shí)任務(wù)間的協(xié)調(diào)一致性。

FreeRTOS 操作系統(tǒng)是RTOS 領(lǐng)域的老兵，在全世界范圍內(nèi)大量使用，開(kāi)發(fā)文檔相當(dāng)齊全，最重要是免費(fèi)和開(kāi)放源碼，方便全局把握，針對(duì)自己開(kāi)發(fā)的硬件量身定做、深度裁剪。并且商業(yè)產(chǎn)品上也是可以完全免費(fèi)?，F(xiàn)今FreeRTOS 歸屬于科技界的巨頭亞馬遜，有了強(qiáng)大的靠山，更加規(guī)范的管理，也更加開(kāi)發(fā)和自由。

電子監(jiān)控單元有圖形化多方式實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用emXGUI 圖形軟件庫(kù)開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面程序。該圖形套件針對(duì)FreeRTOS 有豐富接口，兩者搭配性能充分發(fā)揮。除常規(guī)控件，emXGUI 有大量的虛擬儀表控件，包括實(shí)時(shí)曲線、旋鈕、開(kāi)關(guān)、可改形狀的儀表和動(dòng)態(tài)滑塊等工業(yè)用儀表。emXGUI 能做出多樣的圖形界面具有，工業(yè)風(fēng)濃厚、風(fēng)格新穎、功能性強(qiáng)和開(kāi)發(fā)的程序小巧等優(yōu)點(diǎn)，適合作為本系統(tǒng)的嵌入式GUI 界面。

3.3 傳感器的選擇

根據(jù)電廠汽輪機(jī)油液本身特性，機(jī)器的工作狀態(tài)和工作的環(huán)境，選擇工業(yè)級(jí)的傳感器，主要考慮靈敏度高、精度高、量程大、響應(yīng)快、功率小、體積小和工作可靠等因素。

3.4 工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的選擇

工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)能接入企業(yè)內(nèi)不同種類的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，方便數(shù)據(jù)大量采集，最終進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控。智能網(wǎng)關(guān)的邊緣計(jì)算能力強(qiáng)大，擁有多種主流的接口，如RS485、RS232、以太網(wǎng)和CAN 等，能通過(guò)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)接入，能滿足大部分的工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用。采用工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)，能精簡(jiǎn)設(shè)備種類，提高單個(gè)設(shè)備的智能化水平，優(yōu)化工控系統(tǒng)的流程，提高整體性能。

3.5 Lora 遠(yuǎn)距離通信

考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備是后期安裝，傳感器安裝的位置不是太容易接近，或布線不方便等因素，可增加采用超遠(yuǎn)距離模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LoRa 無(wú)線射頻模塊采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，無(wú)需中繼就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，是傳統(tǒng)的無(wú)線射頻調(diào)制方式無(wú)法媲美的。

3.5 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

MCGS 組態(tài)軟件是深圳昆侖通態(tài)科技公司多年開(kāi)發(fā)的工控產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理?？煽焖贅?gòu)造圖形界面，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，內(nèi)置大量的繪圖工具、虛擬儀表、工控曲線等。支持國(guó)內(nèi)外主流的工控設(shè)備，如PLC、智能儀表、采集板、稱重儀表、智能模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和變頻器等等。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)是C/S 架構(gòu)的，采用上述組件，在界面上能實(shí)時(shí)顯示汽輪機(jī)油的溫度、粘度、水分、顆粒度等數(shù)據(jù)，各變量還能以變化曲線的形式多樣展示。同時(shí)，對(duì)部分控件采用漸進(jìn)色和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)等動(dòng)畫(huà)效果，監(jiān)控界面友好美觀，同時(shí)，采用ODBC 接口，與后臺(tái)的MYSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)連接，能同時(shí)查詢和導(dǎo)出多種狀態(tài)數(shù)據(jù)并以XLS、CSV 等格式保存。該組態(tài)軟件支持眾多主流的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，后期更容易擴(kuò)展維護(hù)（如圖2 所示）。

4 結(jié)語(yǔ)

上述介紹的基于多源信息融合的汽輪機(jī)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了主要功能。在策略控制方面需考慮加入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能模塊，給客戶提供更多的選擇。