泵站電機(jī)故障診斷與自動化維護(hù)系統(tǒng)研究

［摘 要］水泵站電機(jī)為供水系統(tǒng)核心設(shè)備，其運行狀況直接決定供水穩(wěn)定性及效能。文章明確了泵站電機(jī)在供水系統(tǒng)中的作用，剖析了其常見故障類型，闡述了泵站電機(jī)故障診斷技術(shù)，提出了一種泵站電機(jī)自動化維護(hù)系統(tǒng)的整體框架，以為泵站電機(jī)故障診斷與自動化維護(hù)提供參考。

［關(guān)鍵詞］泵站電機(jī)；故障診斷；自動化維護(hù)；振動分析

［中圖分類號］TP18 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0129–03

水泵電機(jī)是確保城市供水穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵核心設(shè)備。長期在高壓、震動和高溫環(huán)境下運行，易產(chǎn)生故障，從而對供水造成直接的影響。

1 泵站電機(jī)在供水系統(tǒng)中的作用

供水系統(tǒng)為居民生活及工業(yè)生產(chǎn)提供了持續(xù)、穩(wěn)定的水源保障。在供水系統(tǒng)中，泵站電機(jī)至關(guān)重要，泵站配置多臺高功率電機(jī)驅(qū)動離心泵與軸流泵，以汲取自來水，并輸送至用戶。電機(jī)運行狀況直接影響供水系統(tǒng)的運行效能及可靠性。泵站電機(jī)一般安裝在潛水或半潛水狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，長期處于振動、高溫高濕等劇烈工況下運轉(zhuǎn)，其負(fù)責(zé)長時間連續(xù)不間斷地驅(qū)動泵體高速旋轉(zhuǎn)，所承受的機(jī)械負(fù)荷和電氣負(fù)荷極為巨大，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個供水系統(tǒng)癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此保證泵站電機(jī)的正常運行對于確保城市供水的安全性和持續(xù)性至關(guān)重要。同時，泵站電機(jī)的功率等級較高，一般為上百千瓦甚至更高，耗能量大，運營成本高昂，因此，如何提高電機(jī)運行效率、降低能耗，也是供水系統(tǒng)運營商所需重點關(guān)注的課題，通過對電機(jī)進(jìn)行及時、精準(zhǔn)的維護(hù)保養(yǎng)，消除潛在故障隱患，大幅延長電機(jī)使用壽命，從而降低供水成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

2 泵站電機(jī)常見故障類型

2.1 電機(jī)過熱

電機(jī)過熱為泵站電機(jī)的常見問題，在長時間高壓運行過程中，定子繞組及轉(zhuǎn)子鐵芯可能產(chǎn)生銅損和鐵損并產(chǎn)生大量熱量，若冷卻系統(tǒng)失效或散熱環(huán)境不足，熱量將無法有效排出，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致絕緣材料受損乃至燒毀。電機(jī)過熱既會降低其使用壽命，也存在火災(zāi)隱患，危及供水系統(tǒng)運行安全性，及時診斷與處理此類故障對保障電機(jī)長期穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

2.2 電機(jī)振動過大

電機(jī)長時高速運行，因轉(zhuǎn)子不均衡、軸承磨損及定位不當(dāng)?shù)纫蛩兀滓l(fā)振動問題，導(dǎo)致部件負(fù)荷增加，磨損加速，并產(chǎn)生噪聲污染，影響生產(chǎn)環(huán)境，嚴(yán)重時，乃至造成軸承損壞、定子繞組變形短路等故障。

2.3 電機(jī)啟動困難

電機(jī)啟動階段，需借助較大的啟動電流及啟動轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)其從靜止至穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)變。諸多因素，如功率供應(yīng)不足、電機(jī)絕緣劣化、轉(zhuǎn)子卡滯等，均可能導(dǎo)致啟動出現(xiàn)困難甚至無法開始。

3 泵站電機(jī)故障診斷技術(shù)

3.1 振動分析

振動分析技術(shù)是探查泵站電機(jī)故障的關(guān)鍵性手段。電機(jī)運轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子平衡度偏差、軸承磨損、電機(jī)安裝定位不良等眾多故障均會引發(fā)振動波形變化，經(jīng)由精準(zhǔn)的振動信號采集與分析，可準(zhǔn)確確定故障的類別與區(qū)域。振動分析的基本原理是利用振動傳感器（如加速度傳感器），將電機(jī)振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，將電信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣、數(shù)字化處理，借助頻譜分析、時頻分析、小波分析等信號處理技術(shù)，從振動信號中提取故障特征參數(shù)，并將其與故障模型庫中的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比對，從而實現(xiàn)故障診斷和類型識別。主要的振動故障診斷技術(shù)包括頻譜分析法、包絡(luò)分析法及小波分析法等。頻譜分析法是最為廣泛應(yīng)用的手段，憑借識別特征頻率和其幅值變化，診斷出諸如電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障以及齒輪故障等典型問題，結(jié)合現(xiàn)場工況、電機(jī)型號參數(shù)等信息，對診斷結(jié)果進(jìn)行全面深入的分析判斷。

3.2 熱成像技術(shù)

電機(jī)故障常伴隨著異常的發(fā)熱現(xiàn)象，例如，電機(jī)定子繞組過熱及軸承過熱等，熱成像技術(shù)能直觀地展示電機(jī)表面的溫度分布，進(jìn)而有助于早期檢測并定位發(fā)熱故障。熱像儀是實現(xiàn)此項技術(shù)的關(guān)鍵儀器，其檢測被測物在紅外線波段的輻射能，生成相應(yīng)的熱圖。電機(jī)的紅外線熱像檢測通常先進(jìn)行靜態(tài)全面掃描，建立常態(tài)溫度基線，然后在電機(jī)運轉(zhuǎn)情況下再次實施，比較兩次測溫數(shù)據(jù)，尋找異常高溫區(qū)，從而判斷潛在故障。目前，諸多研究運用熱成像技術(shù)對電機(jī)實施無接觸式故障診斷，此技術(shù)能監(jiān)測電機(jī)各組件的溫度變動，從而及早察覺到定子繞組短路、軸承磨損、端蓋通風(fēng)不良及冷卻系統(tǒng)老化等常見電機(jī)故障。該技術(shù)還能與振動分析、電流分析等其他技術(shù)相融合，以提升故障診斷的精確度與可靠性。

3.3 電機(jī)電流分析

當(dāng)機(jī)械故障或電氣故障發(fā)生時，電流波形會變形，進(jìn)而使電流頻譜呈現(xiàn)新的特征頻率分量。電流分析技術(shù)最早應(yīng)用于診斷電機(jī)的電氣故障，如電機(jī)繞組短路斷路等故障，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)電流信號還能反映出電機(jī)的機(jī)械故障信息，因而將其應(yīng)用到機(jī)械故障的診斷領(lǐng)域，如檢測轉(zhuǎn)子失去平衡、軸承磨損等故障。電流分析的基本方法是先采集電機(jī)的三相電流信號，將其進(jìn)行調(diào)制信號分離，然后利用快速傅里葉變換、小波變換等信號處理方法對剩余電流信號進(jìn)行頻譜分析，并與故障特征頻率進(jìn)行模式匹配，最后得出故障診斷結(jié)果。電流分析技術(shù)不需要直接接觸電機(jī)，且無需額外傳感器，方便實施，因此被認(rèn)為是一種理想的非侵入式、低成本的電機(jī)故障診斷手段。

4 泵站電機(jī)自動化維護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為實現(xiàn)水泵電機(jī)的自動化、智能化維護(hù)，構(gòu)建融合多種技術(shù)的自動化維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集、故障診斷、狀態(tài)評估、維護(hù)決策及運維管理等多層次。數(shù)據(jù)采集層對電機(jī)運行時的振動、溫度及電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集；故障診斷層運用振動分析、熱成像分析及電流分析等技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解析，實現(xiàn)電機(jī)潛在故障的在線診斷；狀態(tài)評估層依據(jù)診斷信息，結(jié)合電機(jī)使用歷史與維護(hù)記錄等數(shù)據(jù)，對電機(jī)健康狀況進(jìn)行全面評估；維護(hù)決策層根據(jù)狀態(tài)評估結(jié)果，結(jié)合電機(jī)型號及運行環(huán)境等限制因素，為電機(jī)制訂維護(hù)策略與計劃；運維管理層為現(xiàn)場維護(hù)人員及管理人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警及維護(hù)決策支持等功能。各層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，形成一個集中管控、自動化運行的閉環(huán)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)采集、故障診斷和狀態(tài)評估等核心模塊一般采用工業(yè)計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)，部署在供水廠的現(xiàn)場環(huán)境，而維護(hù)決策層和運維管理層則可以通過云計算或大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)在后端中心機(jī)房集中實現(xiàn)，并為現(xiàn)場人員提供遠(yuǎn)程運維支持。

4.2 在線故障診斷子系統(tǒng)

在線故障診斷子系統(tǒng)是自動化維護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是泵站電機(jī)故障實時監(jiān)測與智能診斷的核心環(huán)節(jié)。該子系統(tǒng)主要涵蓋如下幾個模塊：①數(shù)據(jù)采集模塊。利用各類傳感器對電機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)，如振動、溫度、電流等進(jìn)行實時采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。②故障特征提取模塊。通過頻譜分析、模式識別等技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取故障特征參數(shù)。③故障識別模塊。將提取的故障特征參數(shù)與故障模式庫中的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比對，識別出電機(jī)所存在的故障類型，并輸出診斷結(jié)果。④故障診斷知識庫。存儲各種故障模式、故障機(jī)理、電機(jī)參數(shù)、使用環(huán)境等先驗知識，為故障識別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。在實際應(yīng)用中，診斷子系統(tǒng)可集成振動分析、熱成像分析、電流分析等多種診斷技術(shù)，形成多源異構(gòu)的信息融合診斷模式，以提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)還應(yīng)具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，并能夠基于海量運行數(shù)據(jù)的分析，不斷擴(kuò)充知識庫，優(yōu)化故障模式，持續(xù)提升故障識別的智能水平。

4.3 電機(jī)狀態(tài)評估子系統(tǒng)

根據(jù)在線故障診斷結(jié)果，電機(jī)狀態(tài)評估子系統(tǒng)對電機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評價，為制訂維護(hù)策略提供依據(jù)，該子系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：①狀態(tài)評估模塊?；诠收显\斷信息、使用歷史數(shù)據(jù)、維護(hù)記錄等，通過專家經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蛉斯ぶ悄芩惴▽﹄姍C(jī)當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行評價，給出狀態(tài)評估結(jié)果。②剩余壽命預(yù)測模塊。根據(jù)電機(jī)的故障累積程度、老化程度，結(jié)合其型號、使用環(huán)境等，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測電機(jī)的剩余使用壽命。③風(fēng)險評估模塊。分析電機(jī)發(fā)生重大故障的概率及可能造成的影響，對電機(jī)的運行風(fēng)險進(jìn)行計量和預(yù)判。④決策知識庫。存儲各類電機(jī)的技術(shù)參數(shù)和評估規(guī)則，為電機(jī)狀態(tài)評估、剩余壽命預(yù)測和風(fēng)險評估提供知識基礎(chǔ)。狀態(tài)評估結(jié)果通常分為健康、輕度故障、中度故障、重度故障等4 個等級，同時還會提供相關(guān)的運行風(fēng)險及剩余使用壽命數(shù)據(jù)，通過綜合評估信息，可對將來的維護(hù)決策提供關(guān)鍵性的指導(dǎo)意義。

4.4 維護(hù)決策子系統(tǒng)

維護(hù)決策子系統(tǒng)基于電機(jī)狀態(tài)評估結(jié)果，并考慮維修成本、備品庫存、供水壓力等多方面約束條件，為每臺電機(jī)制訂出科學(xué)合理的維護(hù)決策，該子系統(tǒng)主要包括以下模塊：①維護(hù)策略庫。儲存多重維護(hù)策略模板，如修復(fù)、更替及預(yù)防性維護(hù)等，涵蓋相應(yīng)的工藝流程與作業(yè)指導(dǎo)書。②維護(hù)計劃編排模塊。依據(jù)電機(jī)故障級別、風(fēng)險度與剩余壽命等參數(shù)，從策略庫自動挑選最佳維護(hù)策略，制訂維護(hù)工作計劃。③約束條件優(yōu)化模塊。編制維護(hù)計劃時需兼顧維修成本、備品庫存、供水壓力等限制因素，運用數(shù)學(xué)規(guī)劃等優(yōu)化算法對計劃進(jìn)行優(yōu)化配置。④物資調(diào)度模塊。依據(jù)維護(hù)計劃，調(diào)配所需備品備件、工具設(shè)備及人員，確?，F(xiàn)場維修保障。⑤維護(hù)知識庫。儲存各類維護(hù)作業(yè)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)指導(dǎo)書等，為維護(hù)決策提供規(guī)范支持。

4.5 遠(yuǎn)程運維平臺

遠(yuǎn)程運維平臺為現(xiàn)場維護(hù)及管理提供實時監(jiān)控、故障警報、數(shù)據(jù)管理以及決策支持等重要功能，該平臺包含以下核心模塊：①狀態(tài)監(jiān)控模塊。將整個供水系統(tǒng)以及所有電機(jī)的實時運行狀態(tài)、故障診斷結(jié)果和維護(hù)決策等匯總在統(tǒng)一的監(jiān)控畫面，直觀顯示并提供故障預(yù)警。②數(shù)據(jù)管理模塊。對電機(jī)運行數(shù)據(jù)、故障診斷記錄、維護(hù)歷史等進(jìn)行統(tǒng)一的管理和存檔，滿足歷史查詢、分析研究的需求。③移動作業(yè)模塊。運維人員可通過手機(jī)、平板等移動終端隨時查閱作業(yè)指導(dǎo)書、上報維修進(jìn)度、拍攝現(xiàn)場影像等，實現(xiàn)工作的移動化管理。④輔助決策模塊。為管理人員提供輔助決策功能，如根據(jù)運行數(shù)據(jù)分析電機(jī)使用效率、評估供水系統(tǒng)整體風(fēng)險狀況等，為運維工作的決策管理提供支持。遠(yuǎn)程運維平臺與前端的自動化維護(hù)系統(tǒng)無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動，通過該平臺，管理人員可遠(yuǎn)程掌控現(xiàn)場運維狀態(tài)，對異常情況進(jìn)行及時處置，現(xiàn)場維護(hù)人員也可以隨時獲取上位機(jī)的診斷結(jié)果和決策指令，做到維護(hù)作業(yè)的高效有序開展。

5 泵站電機(jī)自動化維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用前景

泵站電機(jī)自動化維護(hù)系統(tǒng)集成了先進(jìn)的故障診斷、狀態(tài)評估、維護(hù)決策等技術(shù)，實現(xiàn)對電機(jī)全生命周期的智能化管理，具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)維護(hù)模式主要依賴人工經(jīng)驗判斷，存在較大主觀性和滯后性，難以及時發(fā)現(xiàn)和處置電機(jī)早期隱患，而自動化維護(hù)系統(tǒng)通過在線監(jiān)測和智能診斷技術(shù)，可實現(xiàn)對電機(jī)故障的前期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，并制訂出精準(zhǔn)的維護(hù)計劃，從源頭上杜絕重大故障的發(fā)生，確保供水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。自動化維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用可提高供水行業(yè)的管理水平和運營效率，遠(yuǎn)程運維平臺實現(xiàn)了供水系統(tǒng)全貌的集中呈現(xiàn)和移動化管理，管理人員可隨時掌控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，調(diào)配維護(hù)資源，提高決策的科學(xué)性和前瞻性，現(xiàn)場維護(hù)人員可隨時隨地獲取維護(hù)指令，規(guī)范作業(yè)流程，形成精細(xì)化運維管理，從而提升供水系統(tǒng)的運營效率。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化維護(hù)系統(tǒng)未來還可以進(jìn)一步融合大數(shù)據(jù)分析、云計算、人工智能等新技術(shù)，實現(xiàn)故障診斷知識庫和維護(hù)決策庫的持續(xù)優(yōu)化，推動故障檢測、壽命預(yù)測和維護(hù)決策智能化水平的不斷提高，使系統(tǒng)具備自主學(xué)習(xí)和自我進(jìn)化能力，并拓展應(yīng)用于其他重要設(shè)備和領(lǐng)域，如發(fā)電機(jī)、礦山設(shè)備等，為裝備制造業(yè)的智能運維插上智能化的翅膀。

6 結(jié)束語

當(dāng)前，我國供水行業(yè)需通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級，來應(yīng)對水資源短缺、設(shè)施老化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，自動化維護(hù)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，必將有力提升供水系統(tǒng)的運維水平，確保居民生活和工業(yè)生產(chǎn)用水安全，促進(jìn)節(jié)水型社會的構(gòu)建。

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