泵站少人值守的泵組健康度分析輔助系統(tǒng)

許武燕

（天津水務(wù)集團(tuán)有限公司 引灤爾王莊分公司，天津 301802）

泵站作為城市供水管理的樞紐，如今占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。由于泵站所涉及到的設(shè)備眾多，因此對(duì)于泵站的管理工作會(huì)牽扯大量的精力。其中變電設(shè)備是供電系統(tǒng)的樞紐，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的觸點(diǎn)以及母線搭接，電纜端頭等部位很容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。此外，水泵的軸溫檢測(cè)及振動(dòng)檢測(cè)對(duì)于設(shè)備的日常運(yùn)行也非常重要。

泵站少人值守的健康度分析輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是使用專業(yè)傳感探頭對(duì)變配電設(shè)備、機(jī)組設(shè)備以及控制機(jī)柜等進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)比對(duì)，分析出泵組系統(tǒng)的運(yùn)行健康度，對(duì)設(shè)備的非正常運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)警，以避免設(shè)備異常所引起的突發(fā)性故障，保持設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)度及健康度，實(shí)現(xiàn)泵站少人值守。目前該系統(tǒng)已完成實(shí)施并應(yīng)用于天津市寶坻區(qū)爾王莊泵站。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由無(wú)線溫度傳感器、無(wú)線測(cè)溫管理、振動(dòng)檢測(cè)裝置、噪聲傳感裝置、軸溫傳感器、通訊管理模塊、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、中心管理終端等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.1 無(wú)線測(cè)溫設(shè)備

無(wú)線測(cè)溫傳感器，主要圍繞在電力電纜的進(jìn)線處，采用捆綁安裝方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控該電纜的溫度，并通過(guò)433 MHz 無(wú)線方式與測(cè)溫管理終端建立連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的不同，無(wú)線測(cè)溫傳感器的選型分為有源型及無(wú)源型。其中無(wú)源型無(wú)線測(cè)溫傳感器，主要通過(guò)CT 感應(yīng)方式取電，啟動(dòng)電流≥5 A；有源型無(wú)線測(cè)溫傳感器，為電池供電型，電池使用壽命為3～5年。

1.2 振動(dòng)檢測(cè)裝置

振動(dòng)傳感器，主要用來(lái)檢測(cè)泵站機(jī)組設(shè)備工作時(shí)的振動(dòng)位移。當(dāng)前大型泵站的機(jī)組設(shè)備主要分為電機(jī)層、聯(lián)軸層以及水泵層。在機(jī)組設(shè)備3 個(gè)層間的所有軸心位置安裝振動(dòng)傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)工作時(shí)X 軸向、Y 軸向以及Z 軸向的振動(dòng)偏心位移數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x器的傳感器與測(cè)點(diǎn)的接觸必須良好，并應(yīng)保證具有可靠的聯(lián)結(jié)[1]。軸相對(duì)振動(dòng)所采用的判據(jù)應(yīng)是沿測(cè)量方向的振動(dòng)位移峰峰值Sp-p[2]。振動(dòng)傳感器通過(guò)Modbus 485 的方式與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行通訊，對(duì)泵組實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.3 噪音傳感設(shè)備

在機(jī)組設(shè)備的3 個(gè)層分別安裝噪音傳感裝置，噪音傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)的分貝值。噪音測(cè)量所用儀器的性能，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《聲級(jí)計(jì)的電聲性能與與測(cè)試方法》的規(guī)定：積分聲級(jí)計(jì)應(yīng)符合《積分平均聲級(jí)計(jì)》的規(guī)定[3]。噪聲傳感器通過(guò)Modbus 485 的方式與現(xiàn)場(chǎng)通訊管理模塊進(jìn)行通訊，對(duì)泵組實(shí)時(shí)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.4 軸溫傳感器

軸溫傳感器，主要用于檢測(cè)機(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承的工作溫度，防止由于軸溫過(guò)熱所引起的設(shè)備故障。本項(xiàng)目的軸溫傳感器安裝類型選擇為接觸式，設(shè)備通訊方式為Modbus 485。

1.5 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊，安裝于配電柜、開(kāi)關(guān)柜、計(jì)量柜、LCU 柜等柜體內(nèi)，用于實(shí)時(shí)采集柜內(nèi)的溫度及濕度數(shù)據(jù)。采集模塊通過(guò)Modbus 485 的方式與現(xiàn)場(chǎng)通訊管理模塊進(jìn)行通訊，對(duì)柜內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.6 通訊管理模塊

通訊管理模塊，主要用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的Modbus485設(shè)備進(jìn)行通訊匯總及數(shù)據(jù)管理，并根據(jù)通訊設(shè)備地址對(duì)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行二次排序，然后通過(guò)模塊自身的以太網(wǎng)通訊接口，接入巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)。

1.7 觸摸屏

現(xiàn)場(chǎng)站區(qū)使用觸摸屏作為本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控的操作終端，實(shí)時(shí)顯示泵房?jī)?nèi)各檢測(cè)點(diǎn)位的運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便值班人員在巡檢工作中隨時(shí)了解各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.8 中心管理終端

中心管理終端作為泵組健康度分析輔助系統(tǒng)的核心，主要用于對(duì)采集到無(wú)線測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)、噪聲分貝數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的整理分析。管理終端根據(jù)泵站實(shí)際情況，提前預(yù)設(shè)好各泵組設(shè)備的軸位移參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工作噪音范圍標(biāo)準(zhǔn)、電纜接頭溫度預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)等，將采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理，并提醒工作人員進(jìn)行維修。同時(shí)，分析輔助系統(tǒng)會(huì)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，對(duì)于將要超出正常使用參數(shù)范圍的設(shè)備進(jìn)行提前預(yù)警，提示人員對(duì)該設(shè)備進(jìn)行密切關(guān)注，啟用備用泵組設(shè)備進(jìn)行合理輪換，對(duì)有運(yùn)行異常趨勢(shì)的設(shè)備進(jìn)行正常檢修及零部件保養(yǎng)，以避免由于設(shè)備故障所引起的不必要運(yùn)行事故。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

2.1 泵站整體方案

本系統(tǒng)目前已于天津市寶坻區(qū)爾王莊泵站內(nèi)實(shí)施。爾王莊泵站按照工藝處理位置，分為暗渠泵站、明渠泵站以及武清泵站。目前在暗渠泵站、明渠泵站、武清泵站內(nèi)分散布置無(wú)線接收模塊及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，并遵循電纜敷設(shè)路由簡(jiǎn)化的原則，對(duì)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的巡檢探頭進(jìn)行通訊鏈路規(guī)劃，分鏈路、分批次地接入布置區(qū)域內(nèi)的通訊管理模塊。通訊管理模塊對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃整理，并重新對(duì)數(shù)據(jù)存放地址進(jìn)行有效排列，最終通過(guò)設(shè)備自帶以太網(wǎng)口接入巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示采取三級(jí)方式： 第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，巡檢人員可在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏終端對(duì)該區(qū)域的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；第二級(jí)為站控級(jí)，值班人員可在暗渠控制室、明渠控制室以及武清泵站的控制室內(nèi)通過(guò)站控巡檢計(jì)算機(jī)對(duì)該站區(qū)內(nèi)所有巡檢探頭數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；第三級(jí)為調(diào)度中心級(jí)，值班人員可在調(diào)度中心內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)（已對(duì)所有泵站數(shù)據(jù)進(jìn)行整合）對(duì)暗渠泵站、明渠泵站以及武清泵站的巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

2.2 子系統(tǒng)實(shí)施方案

接下來(lái)以暗渠泵站為例詳細(xì)講解一下子系統(tǒng)的實(shí)施方案。暗渠泵站巡檢系統(tǒng)主要由觸摸屏、通訊管理模塊、無(wú)線測(cè)溫傳感器、無(wú)線接收模塊、振動(dòng)檢測(cè)裝置、噪音檢測(cè)裝置、溫濕度檢測(cè)裝置、站控監(jiān)視計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。

系統(tǒng)按照巡檢監(jiān)測(cè)設(shè)備的分布情況，布置4 套通訊管理子系統(tǒng)，其中2 套布置在現(xiàn)有機(jī)組控制柜，一套（以控制柜方式）布置在6 kV 變壓室內(nèi)，一套（以控制柜方式）布置在35 kV 變壓室內(nèi)。系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置通訊管理模塊，按照管理機(jī)多串口分配的方式，與相應(yīng)鏈路上的巡檢設(shè)備信號(hào)進(jìn)行通訊。管理機(jī)對(duì)采集到信號(hào)進(jìn)行整理排序，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，接入站內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。巡檢數(shù)據(jù)最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、本地監(jiān)視計(jì)算機(jī)及調(diào)度中心數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行監(jiān)控操作。

2.2.1 電機(jī)層實(shí)施方案

在暗渠泵站電機(jī)層安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備2套，用于采集電機(jī)、聯(lián)軸層、水泵層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的設(shè)備信號(hào)。每套采集系統(tǒng)設(shè)備包含通訊管理模塊1臺(tái)、無(wú)線接收模塊1 臺(tái)、電源模塊1 臺(tái)、觸摸屏1臺(tái)。

暗渠泵站電機(jī)層內(nèi)有機(jī)組10 臺(tái)，每臺(tái)機(jī)組分別安裝振動(dòng)傳感器1 臺(tái)、噪音傳感器1 臺(tái)、軸溫傳感器1 臺(tái)，其中振動(dòng)傳感器測(cè)量電機(jī)X、Y、Z 三個(gè)方向的位移數(shù)據(jù)；噪音傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)工作時(shí)的機(jī)器噪聲，軸溫傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的主軸溫度。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

在電機(jī)層的各機(jī)組LCU 柜、輔機(jī)LCU 柜、配電LCU 柜、網(wǎng)絡(luò)柜、在進(jìn)線柜、饋線柜、聯(lián)絡(luò)柜等分別安裝溫濕度傳感器1 臺(tái)。溫濕度傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制柜內(nèi)的溫濕度工作環(huán)境。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

在電機(jī)層的電機(jī)柜、勵(lì)磁柜等高壓電纜的接線端子處安裝無(wú)線測(cè)溫傳感器，其中每個(gè)相線的接頭觸點(diǎn)安裝一臺(tái)傳感器。無(wú)線測(cè)溫傳感器通過(guò)無(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線接收模塊。

2.2.2 聯(lián)軸層實(shí)施方案

當(dāng)前暗渠泵站聯(lián)軸層內(nèi)有機(jī)組聯(lián)軸器10 臺(tái)，本項(xiàng)目在每臺(tái)聯(lián)軸器上分別安裝振動(dòng)傳感器1 臺(tái)、軸溫傳感器1 臺(tái)，監(jiān)測(cè)聯(lián)軸器X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)位移以及設(shè)備主軸的工作溫度。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

2.2.3 水泵層配置方案

當(dāng)前暗渠泵站水泵層有機(jī)組水泵10 臺(tái)。本項(xiàng)目在每臺(tái)機(jī)組的水泵上安裝振動(dòng)傳感器1 臺(tái)、噪音傳感器1 臺(tái)、軸溫傳感器1 臺(tái)。其中振動(dòng)傳感器測(cè)量電機(jī)X、Y、Z 三個(gè)方向的位移數(shù)據(jù)；噪音傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)工作時(shí)的機(jī)器噪聲；軸溫傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的主軸溫度。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

另外，暗渠泵站水泵層還有給水泵3 臺(tái)，排水泵3 臺(tái)。在每臺(tái)水泵上安裝振動(dòng)傳感器3 臺(tái)，其中振動(dòng)傳感器測(cè)量電機(jī)X 軸向、Y 軸向和徑向位移數(shù)據(jù)。由于給水泵及排水泵工作區(qū)域相對(duì)空間較小，本次在給水泵區(qū)域及排水泵區(qū)域分別安裝2 臺(tái)噪音傳感器，用以監(jiān)視水泵運(yùn)行時(shí)的工作噪音強(qiáng)度。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

暗渠泵站水泵層有給水泵控制柜3 臺(tái)，排水泵控制柜1 臺(tái)，在每臺(tái)柜內(nèi)分別安裝電涌保護(hù)器1 臺(tái)及溫濕度傳感器1 臺(tái)。其中電涌保護(hù)器負(fù)責(zé)對(duì)柜內(nèi)電源進(jìn)線進(jìn)行保護(hù)，避免由于發(fā)生雷電及瞬時(shí)過(guò)壓等情況對(duì)下游設(shè)備造成損壞；溫濕度傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制柜內(nèi)的溫濕度工作環(huán)境。以上設(shè)備均具備485 通訊接口，信號(hào)匯總后接入通訊管理機(jī)。

3 中心端實(shí)施方案

中心端配置數(shù)據(jù)終端，用于展示泵站內(nèi)各工藝段設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及儀表數(shù)據(jù)。終端配置專業(yè)的工業(yè)組態(tài)軟件，軟件平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)的方式與各工藝段的通訊管理模塊進(jìn)行通訊，將各工藝段的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并在相應(yīng)位置顯示。工藝數(shù)據(jù)展示界面如圖2所示。

圖2 工藝數(shù)據(jù)展示Fig.2 Process data display

中心端系統(tǒng)可按照單體設(shè)備結(jié)構(gòu)，進(jìn)行子設(shè)備參數(shù)匯總展示，方便了解單個(gè)機(jī)組設(shè)備的整體運(yùn)行狀況，如圖3所示，用戶可直觀監(jiān)視機(jī)組設(shè)備的配電情況、電纜接頭的電纜溫度、電機(jī)設(shè)備的振動(dòng)位移、設(shè)備的噪聲分貝、軸承工作溫度等。

圖3 單體設(shè)備監(jiān)控界面Fig.3 Single equipment monitoring interface

中心端系統(tǒng)具備逼真的工藝段俯視視圖，如圖4所示，高度還原泵站內(nèi)實(shí)地操作位置，方便用戶進(jìn)行指定設(shè)備的參數(shù)調(diào)用查詢。點(diǎn)開(kāi)界面內(nèi)的單體設(shè)備，可彈出單體設(shè)備的數(shù)據(jù)界面，如圖5所示，此界面可直觀的展示設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖4 工藝段俯視圖Fig.4 Top view of process section

圖5 單體設(shè)備數(shù)據(jù)界面Fig.5 Single equipment data interface

在系統(tǒng)界面中，用戶可設(shè)置各監(jiān)控設(shè)備的臨界報(bào)警參數(shù)，如圖6所示，用于進(jìn)行設(shè)備工作狀態(tài)輔助分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的運(yùn)行指標(biāo)超過(guò)所設(shè)置的臨界報(bào)警參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提示用戶進(jìn)行檢查。

圖6 報(bào)警參數(shù)設(shè)置界面Fig.6 Alarm parameter setting interface

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有設(shè)備運(yùn)行異常的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警界面提示工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修，如圖7所示，工作人員也可以根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，合理安排設(shè)備進(jìn)行輪轉(zhuǎn)檢修，做好保養(yǎng)維護(hù)工作。另外通過(guò)該輔助分析系統(tǒng)，用戶還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成的噪聲增大、軸承過(guò)度偏軸、電纜接頭虛接過(guò)熱等安全隱患，防止小隱患升級(jí)成大故障，從而避免泵站發(fā)生運(yùn)行事故。

圖7 實(shí)時(shí)報(bào)警界面Fig.7 Real time alarm interface

4 結(jié)語(yǔ)

泵站少人值守泵組健康度分析輔助系統(tǒng)利用自動(dòng)化控制技術(shù)與無(wú)線通訊技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)專業(yè)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及分析，對(duì)潛在的設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警，為整體系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供技術(shù)保障。此系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單，可繼續(xù)進(jìn)行深度改進(jìn)，并推廣到其他工業(yè)領(lǐng)域中去。