鄒紅美 唐鴻儒 嚴(yán)國(guó)斐

(揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009)

泵站在我國(guó)已有幾十年的發(fā)展歷史，它在抗洪、排澇、灌溉、調(diào)水以及城鄉(xiāng)供水、工業(yè)供水、航運(yùn)和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著極為重要的作用［1-2］，其運(yùn)行狀況是否完好，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效益.泵站機(jī)組的檢修一般采取事后維修或者定期維修，前者可能引起設(shè)備的二次損壞，甚至災(zāi)難性事故，而且?guī)齑鎮(zhèn)浼矔?huì)使得投資增多;后者會(huì)導(dǎo)致過(guò)剩維修，過(guò)剩維修則會(huì)導(dǎo)致維修費(fèi)用增加，引起人為維修故障，而且意外停機(jī)也會(huì)引起泵站機(jī)組的損壞.因此，對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)是十分必要的.

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，狀態(tài)檢修得到了越來(lái)越多的重視和研究，國(guó)內(nèi)外的研究者也不乏其人［3-5］.目前，火力發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛采用狀態(tài)監(jiān)測(cè).如美國(guó)BENTLY公司研制的3500系列振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)用于國(guó)內(nèi)多座水電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，它通過(guò)多種傳感器采集數(shù)據(jù)，并提供連續(xù)、在線監(jiān)測(cè)功能.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司的TN8000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)，已成功運(yùn)用于三峽左岸電站和電源電站的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為三峽電廠評(píng)估機(jī)組狀態(tài)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障.由清華大學(xué)研制的“水電機(jī)組狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷研究與應(yīng)用”已在30余家水電站得到了成功應(yīng)用和推廣，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.但是，由于大型水泵機(jī)組的自身特點(diǎn)，這些系統(tǒng)并不完全適用于水泵機(jī)組，對(duì)大型泵站機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究仍然處于初級(jí)階段.

基于泵站監(jiān)測(cè)的需要，本文根據(jù)泵站的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路和各類高精度傳感器為硬件，以LabWindows/CVI為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以Measurement studio為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器的軟件平臺(tái)的大型泵站機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能:①能夠測(cè)量泵站機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)，如振動(dòng)測(cè)量(如推力瓦、導(dǎo)軸瓦等)、擺度測(cè)量、鍵相位測(cè)量以及轉(zhuǎn)速測(cè)量等等;②能對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行幅值域分析、時(shí)域分析、頻譜分析等，并根據(jù)給定的限值進(jìn)行報(bào)警;③ 能按照預(yù)定的策略進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢功能;④數(shù)據(jù)采集過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)警;⑤能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并提供遠(yuǎn)程狀態(tài)分析等平臺(tái).

1 硬件組成和體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求規(guī)劃并設(shè)計(jì)的硬件部分主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)四部分組成，其中數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)均嵌在PXI-1042系統(tǒng)中，如圖1所示.傳感器負(fù)責(zé)采集泵站機(jī)組的各種信號(hào)量，如振動(dòng)信號(hào)、擺度信號(hào)、鍵相信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等，并轉(zhuǎn)換為模擬量(電壓、電流等)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理器的放大、隔離、濾波等處理后送入數(shù)據(jù)采集卡完成采樣和量化，變成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字量，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理，得到泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)硬件組成

圖2為大型泵站機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)采用Browser/Server模式，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶計(jì)算機(jī)三部分組成:

1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī) 實(shí)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件，通過(guò)NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PXI-6070E，將各個(gè)傳感器的信號(hào)送入現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將接收上來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理、分析，并將必要的歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等以txt文件的格式存入計(jì)算機(jī);作為遠(yuǎn)程監(jiān)控代理，接受遠(yuǎn)程客戶的命令和參數(shù)，并對(duì)這些命令進(jìn)行解釋執(zhí)行，將遠(yuǎn)程客戶所需的數(shù)據(jù)或者命令的執(zhí)行結(jié)果反饋給遠(yuǎn)程客戶.

2)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器 負(fù)責(zé)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果等等，包括用戶登錄、與現(xiàn)場(chǎng)的通信、數(shù)據(jù)分析與處理、按需刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及查看某一時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù).

圖2 遠(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖

3)遠(yuǎn)程客戶計(jì)算機(jī) 為客戶瀏覽現(xiàn)場(chǎng)所有機(jī)組的狀態(tài)信息提供工具，只需具有Web瀏覽器，無(wú)需安裝任何其他專用軟件.

2 遠(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了總體規(guī)劃，將系統(tǒng)分為2個(gè)部分:現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器.

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)

以NI公司的LabWindows/CVI為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，規(guī)劃并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶的通信等程序，下面詳細(xì)介紹這6個(gè)模塊的設(shè)計(jì).

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

1)系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置共有6部分:配置名稱、基本信息、采集設(shè)置、通道設(shè)置、通道對(duì)設(shè)置和非測(cè)量參數(shù)設(shè)置，完成采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣通道、增益大小、觸發(fā)方式、存儲(chǔ)方式、傳感器技術(shù)指標(biāo)等參數(shù)的設(shè)置.

2)數(shù)據(jù)采集

包括兩種采集方式:連續(xù)采集和手動(dòng)采集.連續(xù)采集方式是在連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)完成特定采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)采集方式;手動(dòng)采集方式是用戶手動(dòng)觸發(fā)一次特定采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)采集方式.

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了確保在采樣點(diǎn)數(shù)不變的情況下，采樣周期均勻，所采信號(hào)周期完整，采用整周期采樣［6-7］.定時(shí)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，將轉(zhuǎn)速頻率的256倍作為振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率，并用轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)觸發(fā)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采樣，從而獲得轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的整周期采樣數(shù)據(jù).

3)信號(hào)預(yù)處理

在實(shí)際信號(hào)采集過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)各種因素的影響會(huì)導(dǎo)致實(shí)際信號(hào)里含有高頻干擾，而且采集的信號(hào)經(jīng)傳感器、放大器之后，也會(huì)增加大量的噪聲信號(hào);另一方面，由于采集到的信號(hào)中往往包含直流分量，信號(hào)經(jīng)兩次積分后將出現(xiàn)偏移，故需對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的濾波處理，以濾除干擾信號(hào)原始信號(hào)，這里采用巴特沃斯帶通濾波器，將直流信號(hào)和高頻干擾濾掉，以保證信號(hào)的質(zhì)量.

4)信號(hào)分析

由傳感器采集的信號(hào)包含了水泵機(jī)組狀態(tài)的大量信息，是信號(hào)分析的最初信息源.在泵站機(jī)組中，低頻隨機(jī)信號(hào)是機(jī)組運(yùn)行的固有特點(diǎn)，而且反映機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的周期較長(zhǎng)，因而在信號(hào)分析中，不僅要包括通用設(shè)備的信號(hào)分析功能，而且還應(yīng)具備有自己特點(diǎn)的信號(hào)分析功能.如圖3所示，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)分析處理功能主要包括時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析等.

由于LabWindows/CVI在系統(tǒng)辨識(shí)、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制、遺傳算法等先進(jìn)理論和方法方面，尚未形成可用的函數(shù)，故利用ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)LabWindows/CVI與matlab的混合編程，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短，很方便的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析功能.該技術(shù)中，matlab作為ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器，通過(guò)調(diào)用matlab ActiveX提供的驅(qū)動(dòng)庫(kù)與matlab進(jìn)行交互.利用LabWindows/CVI提供的Create ActiveX Automation Control的開(kāi)發(fā)向?qū)В胢atlab ActiveX服務(wù)器生成所有接口函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)句，并建立CVI驅(qū)動(dòng)器形式的函數(shù)面板供用戶使用.

5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放

數(shù)據(jù)保存是將采集到的數(shù)據(jù)以txt格式文件儲(chǔ)存到指定文件夾中.本系統(tǒng)采用三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式:手動(dòng)存儲(chǔ)、定時(shí)存儲(chǔ)以及按轉(zhuǎn)速存儲(chǔ).當(dāng)轉(zhuǎn)速正常時(shí)，按時(shí)間間隔采集;當(dāng)升、降速時(shí)，按轉(zhuǎn)速變化間隔采集.為方便查詢，文件以當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間命名.另一方面，系統(tǒng)能夠讀取已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行后期的觀察和分析.

6)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器的通信

Web服務(wù)器采用對(duì)TCP/IP協(xié)議底層高度封裝的Network Variable通信技術(shù)，該技術(shù)提供的參數(shù)簡(jiǎn)單友好，能夠接收和發(fā)送各種技術(shù)(OPC、FTTP、FTP或其他網(wǎng)絡(luò)的Network Variable，包括Internet)提供的數(shù)據(jù)，用戶可以像使用LabWindows/CVI中的其他數(shù)據(jù)類型一樣使用Network Variable讀寫(xiě)字符串、整形數(shù)、布爾量及數(shù)組數(shù)據(jù)等.

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的Network Variable一般處于偵聽(tīng)狀態(tài)，服務(wù)器首先注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)變量讀事件(CNVCreateSubscriber())，當(dāng)遠(yuǎn)程用戶有連接請(qǐng)求時(shí)，調(diào)用DataCallback回調(diào)函數(shù)，建立TCP連接，并解析客戶端的請(qǐng)求，最后服務(wù)器響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求并將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，斷開(kāi)連接.

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

1)Web服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器端軟件利用NI公司的Measurement studio 8.0開(kāi)發(fā)，首先Web服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，獲取現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)客戶的請(qǐng)求選擇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看或者歷史數(shù)據(jù)查看;其次利用軟件自帶的分析工具，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理功能;最后將分析結(jié)果以WebPages(網(wǎng)頁(yè))形式進(jìn)行發(fā)布，呈現(xiàn)給客戶端用戶.另外必須考慮必要的安全措施:①登錄環(huán)節(jié)，只有注冊(cè)過(guò)的用戶才能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);②遠(yuǎn)程用戶操作權(quán)限表環(huán)節(jié)，不同級(jí)別的用戶有不同的操作權(quán)限;③由于本系統(tǒng)采用了MS組件技術(shù)，用戶無(wú)需下載安裝特定的ActiveX控件，避免了不良程序的風(fēng)險(xiǎn).

在對(duì)信號(hào)分析的過(guò)程中，利用matlab這一功能強(qiáng)大的工具軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的極坐標(biāo)圖分析、凝聚函數(shù)分析等復(fù)雜的功能.利用matlab將對(duì)應(yīng)的.m文件生成COM組件，然后用Measurement studio調(diào)用COM組件，通過(guò)傳參數(shù)的方式加以復(fù)用.該方法調(diào)用方便，生成的COM組件易于修改、擴(kuò)展性好，利于系統(tǒng)的升級(jí)，而且系統(tǒng)運(yùn)行速度也比較快.

2)客戶端

本系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)模式，用戶在任何客戶端都可通過(guò)Microsoft IE網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器獲得現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，完成了遠(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)的功能.將轉(zhuǎn)速信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)分別通過(guò)計(jì)數(shù)器0通道和模擬量輸入0通道送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)采集處理與分析，得到信號(hào)波形圖、頻譜圖與軸心軌跡圖如圖4和圖5所示.

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖

圖5 遠(yuǎn)程客戶端的頻譜圖

圖4為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖，圖中右側(cè)上部分的為采樣信號(hào)的波形圖，右側(cè)下部分為對(duì)應(yīng)的頻譜圖，左側(cè)為對(duì)應(yīng)的軸心軌跡圖.由頻譜圖可知，在頻率為50和100 Hz附近幅值較大，這與所施加的信號(hào)頻率一致，表明該系統(tǒng)能很好地完成信號(hào)分析功能.同時(shí)，通過(guò)軸心軌跡圖可以將軸偏離軸心的軌跡直觀的呈現(xiàn)給用戶，方便用戶分析機(jī)組狀態(tài).圖5為遠(yuǎn)程客戶端通道0的頻譜圖，該頻譜圖的原始信號(hào)為圖4中的采樣信號(hào)，可以看出信號(hào)幅值較大處同樣出現(xiàn)在頻率為50和100 Hz附近，這與圖4中的頻譜圖結(jié)果一致，滿足了頻譜分析的要求.由此可見(jiàn)，系統(tǒng)能很好地完成數(shù)據(jù)分析和Web服務(wù)功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)根據(jù)大型泵站狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了泵站機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件和遠(yuǎn)程監(jiān)視平臺(tái)，分別利用NI的LabWindows/CVI和Measurement studio 8.0軟件，開(kāi)發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該平臺(tái)可以使得運(yùn)行操作人員通過(guò)Internet隨時(shí)隨地監(jiān)視泵站的運(yùn)行工況，提高水利工程的運(yùn)行維護(hù)水平，合理配置人力資源，同時(shí)對(duì)水利工程的運(yùn)行管理模式的改變起著積極的推動(dòng)作用.

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