泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用

田德陽

（深圳市光明區(qū)環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000）

在水利工程的建設(shè)和運(yùn)行過程中，泵站在居民供水、污水排除、調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。但有些泵站機(jī)電設(shè)備存在著因為年久失修導(dǎo)致的故障頻發(fā)、效率低下的問題。其中最常見的故障包括配套機(jī)電故障、振動過大、管路漏水、軸承磨損燒蝕等。目前在泵站機(jī)電設(shè)備的檢查和故障維修過程中，都是沿襲傳統(tǒng)的例行維修和事后維修兩種方式，具有很大的被動性。而視情維修的方式是根據(jù)泵站機(jī)電設(shè)備的當(dāng)下狀態(tài)和未來狀態(tài)，進(jìn)行科學(xué)預(yù)測后采取恰當(dāng)?shù)木S修措施，具有經(jīng)濟(jì)性、效率高、自動化的優(yōu)勢，可以有效避免重大故障的發(fā)生。該系統(tǒng)可以對泵站機(jī)電設(shè)備進(jìn)行健康監(jiān)測，利用智能化技術(shù)對泵站機(jī)組的各類參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，不僅可以及早發(fā)現(xiàn)問題，并且可以對故障的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行有效預(yù)測，有助于相關(guān)部門及時采取處理措施，實現(xiàn)防患于未然的目標(biāo)。

1 泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的架構(gòu)

泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)，基于壓強(qiáng)、振動、電信號等設(shè)備全息大數(shù)據(jù)，為泵站設(shè)備提供一系列的健康保障。泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的建設(shè)方案，主要包括整體架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)與通訊架構(gòu)，如圖1 所示。具體來說，該系統(tǒng)由五個部分構(gòu)成。作為泵站主體設(shè)施的機(jī)電設(shè)備與傳感裝置同為遠(yuǎn)端的硬件設(shè)施，利用對現(xiàn)場傳感裝置得合理、優(yōu)化布置，可以更科學(xué)合理地采集和傳輸泵站設(shè)備全息數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的架構(gòu)的兩大核心功能平臺，是數(shù)據(jù)平臺和管理平臺。其中，統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺主要功能是儲存、預(yù)處理遠(yuǎn)端輸送的全息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行特征提取后實施進(jìn)一步的管理優(yōu)化，例如，索引建立、讀寫分離等。可以基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺開發(fā)統(tǒng)一管理平臺，集成梳理統(tǒng)計、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方式，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)平臺所提供的特征數(shù)據(jù)。統(tǒng)一管理平臺主要是開展具體的健康管理服務(wù)，例如診斷故障、預(yù)警、維保保障等，能夠有效地進(jìn)行各項健康管理服務(wù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實現(xiàn)算法后臺到具體需求映射的轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)強(qiáng)化了系統(tǒng)前端的可視化功能，讓人員的管理和操作更方便，可以通過二維圖表和三維建模技術(shù)等措施，最大限度地對現(xiàn)場設(shè)備的具體情況進(jìn)行還原和標(biāo)識[1]。

圖1 溫度傳感器實物圖

2 健康管理系統(tǒng)建立的關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)庫

泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計和開發(fā)故障診斷系統(tǒng)，主要包括建立知識庫以及設(shè)計推理機(jī)，以模糊推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。模糊數(shù)據(jù)庫是由存放數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫檢索執(zhí)行等構(gòu)成，具體涵蓋泵站機(jī)電設(shè)備實時監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)、決策環(huán)節(jié)的中間數(shù)據(jù)、終端計算數(shù)據(jù)等，同時也兼顧用于推理的閾值等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，要動態(tài)性地增加或者刪減數(shù)據(jù)庫，同時因為不斷豐富的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，也會隨之提升系統(tǒng)診斷的速度和精準(zhǔn)度。在故障的預(yù)測和診斷中，專家知識庫是基礎(chǔ)保障，涵蓋了泵站機(jī)電設(shè)備的海量事實和專家對具體故障處理的相關(guān)知識、方式和案例等，被分析處理后的所有知識都在知識庫中存儲。該知識庫學(xué)習(xí)功能鮮明，而且逐漸完善和充實。

2.2 邏輯推理

推理技術(shù)是泵站機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)的核心技術(shù)，其原理是對專家解決問題過程進(jìn)行模擬，本質(zhì)上是擁有豐富經(jīng)驗的計算機(jī)程序，可以通過機(jī)組傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)，并在知識庫中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)診斷的相關(guān)規(guī)范實施邏輯推理，最終得到相關(guān)的診斷結(jié)果和處理建議。

2.3 模糊推理

模糊推理的過程表現(xiàn)在如下方面：采用第一條模糊規(guī)則輸入故障征兆，模糊化后構(gòu)建模糊證據(jù)庫，選取知識庫中某條規(guī)則進(jìn)行模糊匹配，匹配的內(nèi)容包括規(guī)則前提和關(guān)鍵詞，匹配成功后進(jìn)行證據(jù)隸屬度的確認(rèn)，然后實施模糊推理計算，將計算結(jié)果存儲到證據(jù)庫。如果匹配不成功，就要進(jìn)行下一條規(guī)則的選取，再次匹配，直到成功。最后的步驟是在證據(jù)庫中獲取最終結(jié)論，進(jìn)行故障及隸屬度的輸出。該系統(tǒng)的推理機(jī)按照從設(shè)備得到的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)推理模型進(jìn)行設(shè)備的故障位置、強(qiáng)度、類型和趨勢的預(yù)測[2]。

3 泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用分析

3.1 技術(shù)方案

3.1.1 設(shè)備溫度監(jiān)測

機(jī)電設(shè)備的溫度監(jiān)測利用溫度傳感器，在溫度傳感器選擇上本著微型化、一體化、低功耗、壽命長、無線通信頻段免費(fèi)、底座可拆卸等功能特點進(jìn)行。（如圖1 所示）

該傳感器避免了布線的麻煩，可以直接安裝在電容器外殼、電纜接頭、消弧線圈、閘刀觸點、電抗器、銅排連接點、電抗器、開關(guān)觸點等處，同時可以將測量到的溫度數(shù)據(jù)周期性地利用無線的方式向無線數(shù)據(jù)傳輸基站上報，可以實時在線監(jiān)測溫度、溫升以及相間溫差等。

3.1.2 運(yùn)行環(huán)境溫濕度監(jiān)測

通常情況下，機(jī)電設(shè)備對環(huán)境溫度要求極高，尤其是某些昂貴的精密設(shè)備更嚴(yán)格。所以，為了給機(jī)電設(shè)備營造正常的運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)監(jiān)控中心要具備了解現(xiàn)場溫度和濕度情況的功能。無線溫濕度傳感器是由溫濕度傳感器、無線通信模塊、微型MUC 控制單元、外殼、電池構(gòu)成，能夠?qū)υO(shè)備所處環(huán)境的溫度和相對濕度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，具備實時、便捷、準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

無線溫濕度傳感器利用無線網(wǎng)絡(luò)，將實時監(jiān)測到的環(huán)境溫濕度信息輸送到接收基站，再利用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)向物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫傳送，該系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析統(tǒng)計。通常情況下，無線溫濕度傳感器設(shè)置在電氣柜內(nèi)，進(jìn)行設(shè)備以及原件環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，也可以設(shè)置在車間內(nèi)的適當(dāng)位置，進(jìn)行環(huán)境溫濕度監(jiān)測。同時，將無線溫濕度傳感器布置在總控制單元、泵站開關(guān)柜、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備處，獲取溫濕度信息，可以為每個測點設(shè)計告警閾值，一旦閾值高出監(jiān)測點，就會自動提示或警示。

3.1.3 高低壓開關(guān)柜門狀態(tài)監(jiān)測

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，高低壓開關(guān)柜在運(yùn)行時必須要關(guān)閉柜門，但在操作中時常發(fā)生柜門沒關(guān)到位的情況，埋下設(shè)備運(yùn)行的安全隱患。無線門開關(guān)是由ASA外殼、無線通信模塊、MUC 微型控制單元、電池等構(gòu)成，并與永磁鐵相配合。對柜門開關(guān)的監(jiān)測主要是按照霍爾效應(yīng)的原理，控制裝置包括井蓋、門、窗、機(jī)柜柜門等的開關(guān)，同時還可以進(jìn)行開關(guān)時間和次數(shù)的記錄。無線門開關(guān)傳感器安裝簡便、成本低、靈敏度高。將其安裝到泵站只要設(shè)備的柜門上，對門開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，相關(guān)數(shù)據(jù)會利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮栈荆俳柚蕴W(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫，該平臺通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計監(jiān)測點位置狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有未授權(quán)的柜門被打開，后臺界面便發(fā)出非法開門的警告。

3.1.4 機(jī)電設(shè)備振動監(jiān)測

閘門、格柵、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備，極易因為三相不平衡、供電缺相、機(jī)械磨損等問題，造成軸溫過熱，加劇了內(nèi)部的摩擦，引發(fā)異常響動、偏軸等設(shè)備故障，主要的特征是噪聲增加、振動加劇。而電機(jī)振動傳感器是由鑄鋁外殼及天線、MUC 微型控制單元、加速度傳感器、電池等構(gòu)成，可以有效監(jiān)測電機(jī)軸承周期性振動強(qiáng)度，可以在需要測量的位置上直接安裝傳感器，就能夠在線實時監(jiān)測三維空間振動情況。該傳感器不用布線，可以直接安裝在機(jī)械軸承、電機(jī)泵體上，通過對電機(jī)振動變化幅值與趨勢的統(tǒng)計分析，判斷機(jī)電設(shè)備的健康狀況，進(jìn)行故障預(yù)測和報警[3]。

3.1.5 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行噪聲監(jiān)測

可以利用無線噪聲傳感器測量電機(jī)、泵房、車間、變壓器等的聲壓和噪聲等級。該傳感器可以進(jìn)行中心頻率的工頻噪聲聲級測量和30Hz～3kHz 區(qū)域的平均聲級測量。其主要構(gòu)成部分包括MUC 微型控制單元、電池鑄鋁外殼、無線通信模塊、天線組成、加速度傳感器等，在需要測量的位置安裝該傳感器，就可以進(jìn)行對被監(jiān)測場所的聲壓進(jìn)行實時在線監(jiān)測。無線噪聲傳感器不用布線，在噪聲源處安裝即可，通過對分聲壓變化幅值和趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，即可判斷機(jī)電設(shè)備健康狀況，進(jìn)而進(jìn)行故障預(yù)測和報警。

3.2 數(shù)據(jù)庫的建立

泵站健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，主要具備存儲數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、執(zhí)行不同數(shù)據(jù)庫操作同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的檢索和查詢功能。在泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)構(gòu)建中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完備性是至關(guān)重要的，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包含泵站機(jī)電設(shè)備的特征數(shù)據(jù)庫和檔案數(shù)據(jù)庫，特征數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)信息包括機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實時信息，更可以對決策中的中間結(jié)果和最終結(jié)果進(jìn)行存儲。歷史故障診斷的相關(guān)信息以及泵站機(jī)電設(shè)備性能檢測標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等。伴隨系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，會適當(dāng)?shù)卦黾踊蛘邉h減數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。

3.3 在線診斷預(yù)警模型的建立

本方案中涉及故障診斷專家系統(tǒng)模型的構(gòu)建，可以利用以規(guī)則和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的模式。所說的模型包括知識表示模型和推理模型，都基于專家的系統(tǒng)知識，通過對多種表示方式的結(jié)合大幅度提升故障診斷知識表示精準(zhǔn)度，充分打破了診斷方式的局限性，進(jìn)而促進(jìn)診斷專家系統(tǒng)診斷效率和智能化程度的提升。可以將某個運(yùn)行設(shè)備作為故障診斷（預(yù)警）專家系統(tǒng)模型的對象，例如泵站或者區(qū)域性系統(tǒng)、電氣柜、泵房和電房、泵機(jī)以及風(fēng)機(jī)等。因為更多是多樣化的設(shè)備與場景，當(dāng)前的技術(shù)水平根本難以實現(xiàn)統(tǒng)一的或者是可以自學(xué)習(xí)的診斷系統(tǒng)模型建設(shè)，所以，建議故障診斷（預(yù)警）專家系統(tǒng)，有必要在基礎(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行一段時間后推行。

3.4 移動端APP

泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)，在軟件性能建設(shè)上注重移動端的設(shè)計構(gòu)建，通常情況下，只有手機(jī)終端系統(tǒng)登錄，方可通過服務(wù)器下載APP 客戶端，APP 體現(xiàn)在三個方面的能力：

1.信息預(yù)覽。預(yù)計預(yù)覽的信息內(nèi)容可以根據(jù)權(quán)限開放，然后發(fā)布信息推送通知。

2.移動巡檢。操作人員掃描終端設(shè)備二維碼，得到機(jī)電設(shè)備的相關(guān)信息和檔案數(shù)據(jù)。同時，按照所記錄的APP 巡檢情況，上報服務(wù)器后構(gòu)成表單。如果有問題在巡檢中出現(xiàn)，就要填報問題反饋表，將拍攝的現(xiàn)場照片傳至平臺。

3.管理工單。接收到工單的操作人員，在現(xiàn)場利用掃描二維碼確認(rèn)現(xiàn)場處理工單的內(nèi)容，完成處理后利用填報工單處理反饋表，進(jìn)行工單處理結(jié)果確認(rèn)[4]。

綜上所述，泵站機(jī)電設(shè)備健康管理系統(tǒng)的構(gòu)建，在降低成本的同時，還能構(gòu)建起先進(jìn)、主動地診斷和預(yù)防性維修體系，真正做到對突發(fā)性故障及時發(fā)現(xiàn)，科學(xué)、有效地分析泵站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，顯著提升了水利工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。當(dāng)前泵站設(shè)備健康管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)還不夠成熟，很多環(huán)節(jié)需要細(xì)化和優(yōu)化的空間很大，特別是隨著各類知識庫和數(shù)據(jù)庫信息的不斷豐富和更新?lián)Q代，診斷機(jī)理、診斷算法和診斷模型等會更加完善，將會大幅度提升泵站機(jī)電設(shè)備管理與監(jiān)測點精確性和可靠性。