李 揚 張 宇

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

目前，智慧巡檢機器人應用于國內外各行各業(yè)，如國內高壓輸電線路自主巡檢機器人[1]、高壓變電站室內巡檢機器人[2]、煤礦瓦斯抽采巡檢機器人[3]等已大規(guī)模運用。但是，在水利行業(yè)泵站巡檢機器人的研究運用才剛剛起步。

江都四站裝有7臺立式液壓全調節(jié)軸流泵，葉輪直徑2.9m，設計揚程7.8m，單機設計流量30m3/s，總抽水能力210m3/s，每臺水泵裝配3400kW立式同步電動機。隨著智能泵站、無人泵站概念的發(fā)展，傳統(tǒng)的泵站自動化控制系統(tǒng)已經不能滿足國家工業(yè)4.0的戰(zhàn)略方針。傳統(tǒng)的自動化報警系統(tǒng)是對電壓、電流、溫度、開關量等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，對設備故障報警，對溫度等數(shù)據(jù)采取越限報警，值班人員接收到報警信息時只能采取停機措施，例如冷卻水中斷且短時間無法恢復，則必須立即停機。對于大型水利泵站機組，通過數(shù)據(jù)的趨勢分析提前預判，從而對設備進行有計劃的日常維護，減少非計劃停機將是智慧泵站技術發(fā)展的重要方向之一。

通過采集水利泵站機組的振動、電流、電壓、頻率、轉速以及泵組流量和重要部件的溫度等數(shù)據(jù)對設備健康趨勢進行預警分析，提供維護提醒是一種科學的并且經過實際項目認證的解決方案，然而傳統(tǒng)的技術方案收集這些數(shù)據(jù)需要大量的信號電纜和電力電纜，對于已建成的泵站若再進行改造其工程量較大，需要大量的返修施工成本，施工周期大大增加的同時影響設備正常開機。

為解決運行中機組振動異常，滑環(huán)溫度、受油器溫度異常升高等隱患，江都四站進行了一系列的相關隱患預防、解決方案的分析、研究、實踐，研發(fā)完成了由無線測振、巡檢機器人、大數(shù)據(jù)平臺等多個子系統(tǒng)模塊構成的泵站智慧巡檢系統(tǒng)[4]。

1 施工難點分析與創(chuàng)新

首先是數(shù)據(jù)采集設備的安裝難度，傳統(tǒng)方法有線式在線實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)，需在泵組需監(jiān)測部位進行鉆孔用于布線，對機組本身的密封性產生一定的破壞，同時增加了工作難度。對于已安裝完成的單臺泵組，只有在大修期間方可完成上下油缸等部位的鉆孔，以及鉑熱電阻、測振傳感器的安裝，使整個泵站機組的改造安裝施工工期同比增加。其次，滑環(huán)是轉動部件，碳刷安裝空間不夠，采用鉑熱電阻無法測溫。傳統(tǒng)的方式是通過巡檢人員手持紅外測溫槍每2h巡視一次。再次，受油器是液壓調節(jié)系統(tǒng)的關鍵壓力調節(jié)機構，對受油器的改造難度大，通常需要回廠。

江都四站采取了兩種創(chuàng)新方式來解決這些難題：一是智慧巡檢機器人，通過紅外攝像頭對機組需監(jiān)測部位進行熱成像[5]溫度數(shù)據(jù)的采集，有效代替了人工巡檢，降低了在每臺機組各部位安裝有限測溫裝置所需要的大量人力、物力、資金；二是無線測振系統(tǒng)，輔以釹鐵硼強磁鐵，實現(xiàn)測振裝置半小時全站快速部署，有效減少了時間成本、資金成本。

巡檢機器人在電力行業(yè)和計算機數(shù)據(jù)中心領域內的應用已經非常廣泛，提供了許多可以借鑒的案例，在泵站使用智慧巡檢機器人從技術層面而言完全可以實現(xiàn)。無線測振系統(tǒng)在水利行業(yè)暫無使用案例，現(xiàn)場的電磁干擾對于無線測振的影響有多大，無數(shù)據(jù)可驗證。無線測振系統(tǒng)的內置電池使用時間也需要考慮。

2 試驗驗證

為了驗證智慧巡檢機器人以及無線測振系統(tǒng)在江都四站電磁干擾環(huán)境下通信可靠性，進行了全站7臺機組全開、多點位48h連續(xù)通信試驗。經過多種方式比對，無線信號最終選定了2.4GHz的免費頻段，該頻段發(fā)射功率小，畸變量小，抗電磁兼容性強，有利于復雜環(huán)境下的信號傳輸，并最大限度節(jié)省了無線傳感器和巡檢機器人的耗電量。經實測，即便在水泵層，各臺機組間有混凝土墻隔離的情況下，僅需一臺數(shù)據(jù)采集器，即可滿足水泵層7臺機組共計21個無線測振傳感器的通信需要，但距離最遠的裝置耗電量較大。為此，在每層安裝兩臺數(shù)據(jù)采集器，在有效保障通信可靠性的同時，降低無線測振傳感器的能耗，延長使用時間。經過計算，按照5min采集一次的采樣頻率，無線測振傳感器電池可用兩年，如果降低采樣頻率，電池使用時間相應延長。同時采用非運行期間休眠、運行期自動激活的方式，可進一步延長更換電池或者定期充電的頻率，這就使得無線測振裝置具備了工程實際運用的可行性。智慧機器人主要運行在電機層，經測量主廠房各部位無線覆蓋效果良好，為進一步提高無線通信的可靠性選用了工業(yè)級的無線AP作為機器人無線通信專用接入點。

3 系統(tǒng)框架設計

大型泵站結構復雜，信號障礙區(qū)多，因此考慮接收和發(fā)送傳感器的網關設備采用可移動的形式，用以躲避信號阻礙區(qū)。數(shù)據(jù)寄存方式根據(jù)巡檢時間以及數(shù)據(jù)量進行科學配置，由于該系統(tǒng)設計為健康趨勢預警系統(tǒng)，最終都是考核階段性數(shù)據(jù)鏈，而不是數(shù)據(jù)點，因此系統(tǒng)可以接受局部延時，如圖1所示。巡檢機器人可以根據(jù)實際采集任務以及外部傳感器布置設置巡檢路線，也就是說機器人既是一種共享的移動監(jiān)測和采集設備，又是一種外部無線數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送的載體。機器人巡檢的過程中，同步接收外部無線傳感器數(shù)據(jù)，收集完畢后，自動選擇局域網信號通信良好的地點，通過路由器端把數(shù)據(jù)送到服務器，在服務器端進行組態(tài)，分析、預警等工作。

圖1 自動巡檢以及無線信號收發(fā)裝置工作流程

巡檢機器人設置為開機自動巡檢，如果機組運行信號無法送達機器人，則通過無線振動傳感器信號進行聯(lián)鎖控制，當振動數(shù)值超過某一設定數(shù)值后，自動發(fā)出巡檢指令，機器人按照設定的路線進行巡檢，獲取熱成像溫度值、噪聲值以及多普勒測振值等等。如要最大限度提高數(shù)值有效率，也可精確聯(lián)鎖到某個任務點，如1號泵振動值大于設定值，那么機器人只需走到1號泵的任務點進行數(shù)據(jù)采集。

無線傳感器的布置以振動傳感器為例，考慮無線網關的搭載率，以及現(xiàn)場網絡通信狀況，選用可拓撲的網關結構，如在電機層、聯(lián)軸器層、水泵層每層布置兩臺無線中繼器，當網關無法觸及傳感器信號時，采用在兩個元件通信共同白點處安裝無線中繼以保證信號通信正常。

系統(tǒng)設計重點是整個工業(yè)無線局域網的搭建工作，這是智慧水利無線解決方案的基石。搭建無線局域網綜合考慮5G商用后對擴展性的要求，選用光纖通信、工業(yè)路由器等加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因數(shù)據(jù)需要上傳到第三方專家系統(tǒng)進行專業(yè)的數(shù)據(jù)建模分析，用于無線狀態(tài)監(jiān)測的網絡盡可能和原有的自動化控制網絡獨立，以保證原工控系統(tǒng)的安全性。

4 泵站智慧巡檢機器人

智慧巡檢機器人結構如圖2所示，主要由功能模塊部分(溫濕度采集、熱成像傳感器、高清攝像頭)和底盤總成部分(激光導航、行進控制)等組成。

圖2 智能巡檢機器人結構

4.1 功能模塊部分

熱成像溫度監(jiān)測模塊：該模塊在巡檢路線過程中對預設的任務點進行溫度提取，在江都四站選取了對上油缸、碳刷、集電環(huán)、受油器等部位進行熱成像拍攝，在服務器端提取所需部位最高溫度及平均溫度等數(shù)值記錄在數(shù)據(jù)庫中，將數(shù)據(jù)與電流、振動數(shù)據(jù)一起進行對比分析，找出設備運行的基本規(guī)律并設置健康預警。當實時溫度過高時，立刻輸出報警給值班人員。

高清視頻監(jiān)控：在巡檢機器人顯示屏、中控室服務器顯示屏、控制用平板電腦上實時顯示巡視檢查時的高清視頻，便于管理人員了解現(xiàn)場情況。

觸摸屏：用于對機器人的控制，并顯示傳感器所測數(shù)值的現(xiàn)地分析、預警情況。當對外網絡通信中斷時，起到本地服務器功能，確保機器人正常巡檢，無線測振裝置正常工作。

4.2 底盤總成部分

底盤總成部分包含驅動電機、電池、充電器、控制器、激光導航等主要元器件。激光導航和驅動電機實現(xiàn)閉環(huán)控制，首先，根據(jù)現(xiàn)場總布置圖、原人工巡檢路線、手工或者3D掃描繪制出現(xiàn)場的總圖以及機器人巡檢路線，巡檢線路在坐標系內是坐標點的集合線性數(shù)組，整個地圖掃描存儲于導航控制器程序內，從地圖程序內巡檢路線的坐標集合輸出到驅動伺服電機控制器內，控制伺服電機左右轉向(電機速度值為0.8m/s)。過程中激光雷達實時反饋信號重復確認是否吻合預設路線坐標點(精確度0.1m)，如果偏差路徑延時3s報警，主動根據(jù)反饋信號與實際位置信號對比進行伺服電機控制，以修復路徑，使機器人重新回到預設軌道，直到回到了預設點集合內后，延時1s，報警自動復位。當巡檢路線中遇到障礙時，激光雷達提前預判，內部及時報警并自動進行右側或者左側避障，驅動伺服電機自動轉向45°，行進時間根據(jù)三角函數(shù)計算，完成行進時間后，如果雷達報警自動復位，伺服電機反方向45°進行下一個路徑循環(huán)，直到完成整個巡檢過程。自動激光導航工作流程如圖3所示。

圖3 自動激光導航工作流程

5 無線測振系統(tǒng)

對于全生命周期健康預警分析系統(tǒng)，設備振動是重要的考量參數(shù)之一。根據(jù)ISO 10816:2000 振動監(jiān)測評估標準，對于大型旋轉機械在非旋轉部位測量的振動值有2個考核指標：速度均方根和軸的位移值，其考核參數(shù)見表1。

表1 測點考核參數(shù)

根據(jù)ISO標準的選擇傳感器類型為測量振動均方根速度的傳感器，前期套用ISO標準(見圖4)進行衡量，同時記錄實時曲線和歷史曲線用于判斷振動趨勢，當系統(tǒng)運行一段時間有實際運行數(shù)據(jù)支撐后，可進一步提高系統(tǒng)對機組運轉狀態(tài)的判斷能力，提高對故障的預判水平。

圖4 ISO標準

傳感器采用自行設計磁性基座直接固定在上機架(見圖5)、葉輪外殼(見圖6)的三個方向，以減少結構開孔和施工難度。傳感器選擇x、z雙軸測振傳感器，一可降低一半的傳感器數(shù)量，二可多傳感器互為備用，數(shù)值互為驗證。

圖5 電機層安裝的無線傳感器

圖6 水泵層安裝的無線傳感器

6 系統(tǒng)軟件部分設計

軟件分為控制部分和數(shù)據(jù)分析顯示部分。兩個部分內部結構相對獨立，人機交換界面綜合成一體，具有很好的擴展性以及邏輯安全性。

控制部分其核心(見圖7)是巡檢機器人的巡檢路線控制以及采集點數(shù)據(jù)的上傳控制，整個軟件調用導航控制器和驅動伺服電機的底層API協(xié)議。API采用 TCP問答的方式, 機器人作為服務器接受客戶端的請求并向客戶端作出響應。當機器人狀態(tài)反饋已經到達任務點后，上位機應該向指定任務模塊發(fā)出工作命令，當數(shù)據(jù)完整回傳后再發(fā)送給機器人到下一個任務點的行走命令。依次循環(huán)完成整個巡檢路徑的檢查。

圖7 紅外攝像界面

數(shù)據(jù)分析顯示部分(見圖8)通過modbus/TCP 協(xié)議讀取無線網關采集的振動溫度數(shù)據(jù)或者其他傳感器的壓力數(shù)據(jù)等，通過實時曲線、歷史曲線以及FFT、瀑布圖計算和顯示手段，使操作人員清晰地看到設備健康狀態(tài)，作出更專業(yè)的判斷。所有讀取的數(shù)據(jù)應該遵循分別獨立存儲、綜合在線分析的整體思路，以保證原始數(shù)據(jù)的可再造性和各數(shù)據(jù)之間的可對比性。發(fā)掘數(shù)據(jù)規(guī)律，為后期軟件更新升級做好數(shù)據(jù)基礎。

圖8 振動信號圖形顯示界面

智慧巡檢機器人通過采集到的實時數(shù)據(jù)，對異常信號進行提前預警和實時報警。狀態(tài)量通常采用“雙上限報警”，如水導溫度是60°C報警，65°C停機。由于機組個性化差異，信號量在低于報警限制時，有相對穩(wěn)定的特征值，且該值是變化的。數(shù)據(jù)報警系統(tǒng)(見圖9)通過整合、分析數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中設定信號閾值。若檢測到信號量的實時數(shù)據(jù)偏離特征數(shù)據(jù)，超過閾值觸發(fā)異常報警，而此時實時值并未觸發(fā)國家相關標準的報警，但其狀態(tài)已不正常，單擊圖9中報警信號列表，左側即會顯示與該信號關聯(lián)性最大的前幾個信號量(即為主要影響因素)，輔助運行人員診斷決策。

圖9 數(shù)據(jù)處理報警界面

通過對歷史數(shù)據(jù)的查詢，并評估其前一段時間的連續(xù)數(shù)據(jù)，預測未來一定時間內哪個信號會報警，真正實現(xiàn)“治之于未亂”。

7 使用效果

智慧巡檢機器人通過對泵組的主電機滑環(huán)溫度、油缸溫度實時監(jiān)測、分析，能及時發(fā)現(xiàn)設備異常，進行報警和智能分析，減少設備維修成本，確保工程安全運行和效益充分發(fā)揮。此系統(tǒng)同時是一個狀態(tài)監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)持續(xù)跟蹤,幫助運行管理人員掌握水泵機組運行過程中的振動變化趨勢，同時幫助泵站機組實現(xiàn)預測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監(jiān)測泵站內所有機組的運行狀態(tài)，協(xié)助運行管理人員充分了解機組設備狀態(tài)。根據(jù)大量的機組狀態(tài)生成“大數(shù)據(jù)”[6]，為泵站的運營優(yōu)化和能耗優(yōu)化提供實測數(shù)據(jù)。

a.重點巡檢部位多次巡檢。巡檢設備可以根據(jù)現(xiàn)場管理需要設置巡檢周期。實現(xiàn)了全過程高清可視化巡檢、全局紅外測溫，通過對可見光和紅外視頻的錄制與分析，以機器人代替了人工巡檢的部分工作。對重點巡檢部位，可提高巡檢頻次，提高了泵站維護作業(yè)工作的工作效率和可靠性。

b.及時發(fā)現(xiàn)設備異常。運行管理人員通過發(fā)布巡視命令，可在控制室通過服務器顯示屏或者pad實時查看智慧巡檢機器人巡檢的高清視頻。無人監(jiān)控時，巡檢機器人自動采集溫度、振動數(shù)值，通過自身觸摸屏電腦、中控室服務器進行越限報警，并可進一步通過云端大數(shù)據(jù)平臺進行機組狀態(tài)判斷和趨勢分析，有效提高巡檢的效率和智能化水平。

c.減少設備維修成本。預防性維護可以減少故障停機，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以在故障發(fā)生之前檢測出并判斷出主電機故障，可事先計劃并實施正確的措施，以避免成本高昂的故障以及計劃外停機。

d.提高巡檢智能化程度。由于機組的主電機集電環(huán)、受油器、上油缸溫度是周期性熱成像監(jiān)測，一旦發(fā)生故障將及時報警，同時數(shù)據(jù)也上傳到數(shù)據(jù)交互、分析平臺進行儲存分析。采用智慧巡檢機器人進行拍攝，可減少人工巡檢成本以及提高巡檢準確性，整個過程智能程度非常高。

8 總結與展望

智慧巡檢系統(tǒng)通過對泵組的主電機滑環(huán)溫度、油缸溫度的實時監(jiān)測、分析，能及時發(fā)現(xiàn)設備異常，進行報警和智能分析，減少設備維修成本，確保工程安全運行和效益充分發(fā)揮。此系統(tǒng)同時是一個狀態(tài)監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)持續(xù)跟蹤，幫助運行管理人員掌握水泵機組服役過程中的振動變化趨勢，同時幫助對泵站機組實現(xiàn)預測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監(jiān)測泵站內所有機組的運行狀態(tài)，協(xié)助運行管理人員充分了解機組設備狀態(tài)。根據(jù)大量的機組狀態(tài)生成“大數(shù)據(jù)”，為泵站的運營優(yōu)化和能耗優(yōu)化鋪平道路。

泵站的安全可靠運行關系到灌溉、排澇、泄洪、通航、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境等領域的安全，設備全生命周期健康監(jiān)測有著非常重要的意義，鑒于無線互聯(lián)技術和工業(yè)鋰電池技術的進步，智慧巡檢無線監(jiān)測系統(tǒng)在已建成泵站不停機改造中有著更加廣闊的應用前景。