何奇善,任學(xué)剛,程 鋼,何 凱,李東賢,盧回憶,劉豪睿
(1.河北涿州京源熱電有限責(zé)任公司,河北 涿州 072750;2.北京華控智加科技有限公司,北京 100083)
原煤經(jīng)磨煤機碾磨后,被熱一次風(fēng)攜帶,煤粉通過燃燒器噴入爐膛后燃燒。通常有多個磨煤機向爐內(nèi)供應(yīng)煤粉,總煤量由電負(fù)荷、鍋爐蒸發(fā)量、燃煤的發(fā)熱量等因素決定。某電廠采用的是MPS中速磨煤機,磨盤的轉(zhuǎn)動速度為33 r/min,變加載液壓系統(tǒng)對三個磨輥實現(xiàn)壓力控制,并實現(xiàn)粉煤的制備。磨煤機關(guān)鍵部件,如磨輥、電機、減速機和拉桿等,一旦出現(xiàn)異?;蚬收蠈绊懻麄€機組的安全運行,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,建立能準(zhǔn)確快速反映磨煤機關(guān)鍵部件的監(jiān)測系統(tǒng),對保證火電廠的安全運行具有十分重要的意義。
文獻(xiàn)[7]實現(xiàn)了基于LabVIEW的磨煤機試驗數(shù)據(jù)在線采集分析系統(tǒng)。針對磨煤機實際運行過程中故障類型難以確定及故障診斷時間滯后等問題,一種基于小波包-LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨煤機故障診斷方法具有一定作用。孫同敏基于磨煤機機理模型和狀態(tài)空間預(yù)測控制器,在充分接近磨煤機的實際運行狀態(tài)下,獲得了大量的故障數(shù)據(jù)。朱朋成等基于熱力學(xué)機理與數(shù)據(jù)挖掘?qū)δッ簷C預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究。綜上所述,現(xiàn)有研究多基于介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)和設(shè)備運行電力參數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。但是直接針對關(guān)鍵零部件的基于振動/聲學(xué)的狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警診斷的研究成果鮮有公布。
為滿足磨煤機關(guān)鍵部件健康運行等實際要求,本文開發(fā)了適用于磨煤機振動/聲音監(jiān)測的智能振動/聲音采集設(shè)備,設(shè)計了磨煤機振動/聲音數(shù)據(jù)采集方案。在對磨煤機運行振動/聲音分析的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)的傳感器參數(shù)和布設(shè)位置,通過以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和收集。為后續(xù)的磨煤機運行監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
項目總體方案采用智能傳感器以太網(wǎng)組網(wǎng)和本地部署私有云采集磨煤機運行時振動、聲音和溫度數(shù)據(jù)實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測,并通過基于聲學(xué)指紋的人工智能識別技術(shù)實現(xiàn)對磨煤機的故障診斷。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 磨煤機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)
針對工業(yè)場景設(shè)備狀態(tài)感知,開發(fā)了可邊緣計算的聲音、振動、溫度一體的智能傳感器,采用兼容性工業(yè)設(shè)計,可根據(jù)場景需要靈活選擇設(shè)備供電方式、傳輸方式、安裝方式和采樣方式。圖2為使用了華控智加的POE有線產(chǎn)品。
圖2 華控智加工業(yè)采集器實物圖
本項目監(jiān)測電廠中兩個350 MW燃煤超臨界火力發(fā)電機組共10臺磨煤機,每臺磨煤機根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)確定8個監(jiān)測點位,每個點位安裝一套聲振溫一體式智能傳感器。圖3展示了磨煤機現(xiàn)場安裝實景圖,其中左圖為電機驅(qū)動端監(jiān)測點位的傳感器安裝情況,右圖為磨煤機外殼的其中一個拉桿位置的監(jiān)測點位傳感器安裝情況。
圖3 磨煤機監(jiān)測傳感器布設(shè)實景圖
本方案的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺構(gòu)架如圖4所示,智加工業(yè)混合云方案分為廠區(qū)端平臺和智加工業(yè)云兩部分。廠區(qū)端平臺部署于各廠區(qū)內(nèi),負(fù)責(zé)現(xiàn)場具體事務(wù)的處理,包括與硬件通信、完成數(shù)據(jù)接收與存儲、支持智能計算、承載上層業(yè)務(wù)服務(wù),能夠保證數(shù)據(jù)完整性、一致性和可用性,提升計算的效率和用戶體驗。智加工業(yè)云部署于公司內(nèi)部,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)治理、人工智能計算、工業(yè)設(shè)備管理研究、現(xiàn)地端平臺運維方案實施等功能。同時設(shè)計并實施信息安全、數(shù)據(jù)遷移以及模型管理等方案,實現(xiàn)兩者間的信息互通與統(tǒng)一管理。
圖4 華控智加工業(yè)混合云構(gòu)架方案
針對數(shù)據(jù)總量大、單次計算數(shù)據(jù)量有限、使用數(shù)據(jù)可預(yù)判、計算時設(shè)備數(shù)據(jù)相對獨立、計算頻次高、單次計算時間短等場景特點,設(shè)計將部分計算在終端完成,根據(jù)設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)傳輸回的數(shù)據(jù)保存到確定的分片節(jié)點,與該設(shè)備相關(guān)的計算由該節(jié)點的計算、存儲以及緩存模塊配合完成,減少數(shù)據(jù)在節(jié)點間的移動。在單次計算中,將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行切分,根據(jù)模型需要和并行任務(wù)情況分配計算核心,并行高效地執(zhí)行運算,如圖5所示。
圖5 華控智加工業(yè)混合云分布式并發(fā)計算設(shè)計方案
物理機制的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和機器聲紋識別技術(shù)是本項目的核心技術(shù)。圖6展示了結(jié)合物理機制的多源數(shù)據(jù)融合的機器故障指紋智能識別系統(tǒng)的整體設(shè)計。
圖6 結(jié)合物理機制的多源數(shù)據(jù)融合的機器故障指紋智能識別系統(tǒng)
為了向電廠不同層級人員充分展示本系統(tǒng)的檢測和診斷結(jié)果,設(shè)計了豐富的前端信息展示和可視化功能,主要包括:設(shè)備臺賬信息和設(shè)備3D可視化的BIM顯示、用于專家標(biāo)注的數(shù)據(jù)處理和分析、智能引擎可視化、自動生成診斷報告等,如圖7所示。
圖7 設(shè)備3D可視化的BIM顯示
本文研究了國內(nèi)首套基于振動/聲音聲紋識別技術(shù)的磨煤機運行監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場實驗和系統(tǒng)實際運行情況確定了監(jiān)測點位和數(shù)據(jù)采集參數(shù),采用智能傳感器有線組網(wǎng)和本地部署私有云采集磨煤機運行時振動、聲音和溫度數(shù)據(jù),實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測,并通過基于聲學(xué)指紋的人工智能識別技術(shù)實現(xiàn)對磨煤機的故障診斷。為方便人工智能故障診斷模型的訓(xùn)練和更新,本方案預(yù)留了本地私有云服務(wù)器和實施方企業(yè)公有云之間的數(shù)據(jù)交換功能,具體包括訓(xùn)練數(shù)據(jù)的獲取、模型更新后的推送。