泵站智慧巡檢系統建設實踐

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，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]等已大規模運用。但是，在水利行業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、無人泵站概念的發展，傳統的泵站自動化控制系統已經不能滿足國家工業4.0的戰略方針。傳統的自動化報警系統是對電壓、電流、溫度、開關量等數據進行監控，對設備故障報警，對溫度等數據采取越限報警，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，通過數據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據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，然而傳統的技術方案收集這些數據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，研發完成了由無線測振、巡檢機器人、大數據平臺等多個子系統模塊構成的泵站智慧巡檢系統[4]。

1 施工難點分析與創新

首先是數據采集設備的安裝難度，傳統方法有線式在線實時溫度監控系統、振動監測系統，需在泵組需監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，受油器是液壓調節系統的關鍵壓力調節機構，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測部位進行熱成像[5]溫度數據的采集，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，輔以釹鐵硼強磁鐵，實現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和計算機數據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。無線測振系統在水利行業暫無使用案例，現場的電磁干擾對于無線測振的影響有多大，無數據可驗證。無線測振系統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在江都四站電磁干擾環境下通信可靠性，進行了全站7臺機組全開、多點位48h連續通信試驗。經過多種方式比對，無線信號最終選定了2.4GHz的免費頻段，該頻段發射功率小，畸變量小，抗電磁兼容性強，有利于復雜環境下的信號傳輸，并最大限度節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，僅需一臺數據采集器，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，在每層安裝兩臺數據采集器，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級的無線AP作為機器人無線通信專用接入點。

3 系統框架設計

大型泵站結構復雜，信號障礙區多，因此考慮接收和發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。數據寄存方式根據巡檢時間以及數據量進行科學配置，由于該系統設計為健康趨勢預警系統，最終都是考核階段性數據鏈，而不是數據點，因此系統可以接受局部延時，如圖1所示。巡檢機器人可以根據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測和采集設備，又是一種外部無線數據的接收、處理和發送的載體。機器人巡檢的過程中，同步接收外部無線傳感器數據，收集完畢后，自動選擇局域網信號通信良好的地點，通過路由器端把數據送到服務器，在服務器端進行組態，分析、預警等工作。

圖1 自動巡檢以及無線信號收發裝置工作流程

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鎖控制，當振動數值超過某一設定數值后，自動發出巡檢指令，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值有效率，也可精確聯鎖到某個任務點，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據采集。

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，以及現場網絡通信狀況，選用可拓撲的網關結構，如在電機層、聯軸器層、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。

系統設計重點是整個工業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、工業路由器等加強系統的穩定性。因數據需要上傳到第三方專家系統進行專業的數據建模分析，用于無線狀態監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、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值記錄在數據庫中，將數據與電流、振動數據一起進行對比分析，找出設備運行的基本規律并設置健康預警。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場情況。

觸摸屏：用于對機器人的控制，并顯示傳感器所測數值的現地分析、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閉環控制，首先，根據現場總布置圖、原人工巡檢路線、手工或者3D掃描繪制出現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°，行進時間根據三角函數計算，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，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

對于全生命周期健康預警分析系統，設備振動是重要的考量參數之一。根據ISO 10816:2000 振動監測評估標準，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，其考核參數見表1。

表1 測點考核參數

根據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，當系統運行一段時間有實際運行數據支撐后，可進一步提高系統對機組運轉狀態的判斷能力，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量，二可多傳感器互為備用，數值互為驗證。

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 系統軟件部分設計

軟件分為控制部分和數據分析顯示部分。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據的上傳控制，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。當機器人狀態反饋已經到達任務點后，上位機應該向指定任務模塊發出工作命令，當數據完整回傳后再發送給機器人到下一個任務點的行走命令。依次循環完成整個巡檢路徑的檢查。

圖7 紅外攝像界面

數據分析顯示部分(見圖8)通過modbus/TCP 協議讀取無線網關采集的振動溫度數據或者其他傳感器的壓力數據等，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，作出更專業的判斷。所有讀取的數據應該遵循分別獨立存儲、綜合在線分析的整體思路，以保證原始數據的可再造性和各數據之間的可對比性。發掘數據規律，為后期軟件更新升級做好數據基礎。

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據，對異常信號進行提前預警和實時報警。狀態量通常采用“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，有相對穩定的特征值，且該值是變化的。數據報警系統(見圖9)通過整合、分析數據，在系統中設定信號閾值。若檢測到信號量的實時數據偏離特征數據，超過閾值觸發異常報警，而此時實時值并未觸發國家相關標準的報警，但其狀態已不正常，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 數據處理報警界面

通過對歷史數據的查詢，并評估其前一段時間的連續數據，預測未來一定時間內哪個信號會報警，真正實現“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溫度、油缸溫度實時監測、分析，能及時發現設備異常，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揮。此系統同時是一個狀態監測解決方案，實現對機組運行狀態持續跟蹤,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預測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監測泵站內所有機組的運行狀態，協助運行管理人員充分了解機組設備狀態。根據大量的機組狀態生成“大數據”[6]，為泵站的運營優化和能耗優化提供實測數據。

a.重點巡檢部位多次巡檢。巡檢設備可以根據現場管理需要設置巡檢周期。實現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工作的工作效率和可靠性。

b.及時發現設備異常。運行管理人員通過發布巡視命令，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。無人監控時，巡檢機器人自動采集溫度、振動數值，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據平臺進行機組狀態判斷和趨勢分析，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，狀態監測系統可以在故障發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、受油器、上油缸溫度是周期性熱成像監測，一旦發生故障將及時報警，同時數據也上傳到數據交互、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

智慧巡檢系統通過對泵組的主電機滑環溫度、油缸溫度的實時監測、分析，能及時發現設備異常，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揮。此系統同時是一個狀態監測解決方案，實現對機組運行狀態持續跟蹤，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預測性維護，提高巡檢自動化程度，遠程監測泵站內所有機組的運行狀態，協助運行管理人員充分了解機組設備狀態。根據大量的機組狀態生成“大數據”，為泵站的運營優化和能耗優化鋪平道路。

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