阜陽泵站機組狀態智能在線監測系統的設計與應用

宋長松 彭恒義 王齊領 郭 將 陳 靜

（1.安徽省引江濟淮集團有限公司，合肥 230092；2.欣皓創展信息技術有限公司，上海200444）

引江濟淮工程江水北送中的重要組成部分阜陽泵站工程位于安徽淮河以北，主要任務是向阜陽城區供應水資源，滿足阜陽城鄉居民生活和工業生產用水的需求。根據工程總體布置，阜陽城市供水工程通過了新建阜陽加壓泵站的方案。阜陽加壓泵站供水設計流量為7.74 m3·s-1，裝機6臺（其中備用2臺）臥式單級雙吸離心泵，單機功率為560 kW，總裝機容量為3 360 kW。作為重要的供水工程泵站，阜陽泵站為機組配備了機組狀態智能在線監測系統，用于實時監測、分析、診斷水泵機組的健康狀態，為泵站的安全運行保駕護航。

1 系統概述

阜陽泵站機組狀態智能在線監測系統通過監測和采集水泵機組相關部位在穩態和瞬態運行過程中的振動、擺度以及軸向位移等工況參數，聯合設備運行過程量等參數變化，對設備的運行狀態進行分析和診斷，以確定機組的健康狀態[1]。若在機組運行過程中監測到數據異常情況，系統將自動啟用數據分析工具分析、處理和診斷振動信號，感知機組實時運行狀態，及時發出預警，減少運維成本。

2 系統結構

機組狀態智能在線監測系統通過信息感知層、現地數據采集層以及上位機層等多層交互的系統架構，借助信號電纜對各硬件單元間進行穩態數據傳輸，實現分層分布式的數據采集、處理、分析的系統功能。

信息感知層與現地數據采集層組成現地系統。信息感知層包括系統用到的各種傳感器及其附屬設備。現地數據采集層包括數據采集器、觸控一體機以及傳感器電源等，集中安裝于監測一體柜，能夠自動收集和分析機組的振動、擺度等運行工況數據，最后以數值、圖和表等方法進行展示，并具有采集、監測、顯示和報警功能。

上位機層包括狀態監測服務器和狀態監測瀏覽站（布置在中控室內）等。服務器中包含相關數據分析和數據處理軟件，側重于運行快速檢索和修改的數據庫，并通過前置數據庫和接口的方式與計算機監控系統、信息管理系統等泵站現有的管理系統進行數據互聯互通，能夠利用網絡技術與云端層（欣皓遠程中心服務器）進行信息交換，充分發揮遠程中心的技術分析指導功能。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

3 測點配置

每臺機組分別在電機驅動端、電機非驅動端、水泵驅動端以及水泵非驅動端等機組關鍵部位安裝有振動加速度傳感器，用來監測關鍵部位的振動情況。在水泵主軸上安裝有電渦流傳感器，用來監測水泵主軸的運行擺度。在電機軸上安裝電渦流傳感器，專門監測電機的正反轉轉速。機組的測點配置如表1所示。單機組測點布置圖如圖2所示。

圖2 阜陽泵站單機組測點布置圖

表1 單臺機組測點配置表

4 硬件選型及性能指標

每臺機組設備配置一臺機組在線監測柜（深600 mm×寬800 mm×高2 260 mm，板材厚度不小于2 mm），根據現場安裝圖紙要求布置在指定位置。機柜內安裝有一臺XH-MC6000數據采集器、15寸工業級觸摸顯示屏、工業級網絡交換機、傳感器電源以及接線端子等。

4.1 傳感器

根據本站機組的測點布置和監測的特點，電機驅動端、電機非驅動端、水泵驅動端以及水泵非驅動端使用加速度傳感器，正反轉速、主軸擺度和軸位移使用電渦流傳感器。傳感器各主要性能指標如表2所示。

表2 傳感器主要性能指標

4.2 XH-MC6000數據采集器

XH-MC6000數據采集器采用同步采集模式，將高速實時采集的數據進行異常特征數據判斷和智能儲存，避免數據出現冗余。使用模塊化結構方式，根據實際情況允許靈活配置，可同時支持多達4個通道的鍵相信號、24個通道振動信號、99路工藝量數據（通過RS-485、Modbus協議通信）傳輸。

XH-MC6000數據采集器集在線監測、智能分析診斷、數據管理和長期存儲多種功能于一身，可以出色完成機組穩定性試驗，常用于機組的長期安全運行和數據對比，持續跟蹤機組健康狀況。

4.3 數據服務器

阜陽泵站配置有一臺高性能大容量的狀態監測專用服務器，放置于中心控制室。在線監測系統利用網絡傳輸方式將系統采集的所有數據傳輸到服務器進行存儲，從而為后續機組健康狀態分析、設備故障診斷提供數據支撐。

數據服務器采用著名品牌產品，主要配置及性能不低于如下要求。

（1）中央處理器（Central Processing Unit，CPU）：六核及以上規格處理器，64位，1 333 MHz及以上前端總線。

（2）內存容量：不小于16 GB，2 400 MHz，容量可擴展。

一個年紀已經過了六十的老人扛了一對大傀儡從后海走來，到了場坪，四下望人，似乎很明白這不是玩傀儡的地方，但莫可奈何的停頓下來。

（3）硬盤存儲器：不小于10 TB，集成獨立磁盤冗余陣列管理。

（4）操作系統：Windows Server 2012R2。

（5）接口：網絡接口至少2路，串行接口1路，同步時鐘接口1個，內置2個100/1 000 Mb·s-1RJ45以太網接口。

（6）顯示器：采用27英寸屏，分辨率不低于1 920×1 080，且具有抗電磁干擾能力。

4.4 觸摸顯示屏

觸摸顯示屏采用15寸工業級觸摸顯示屏。觸摸顯示屏上能通過三維模型的方式展示機組測點位置和實時數據，并能以數字化圖表、文字形式直觀顯示當前機組的工況、運行狀態，對異常報警數據進行聲光提示。

4.5 網絡交換機

網絡交換機使用性質和功能突出的工業級冗余環網光纖交換機。

5 系統功能

機組狀態智能在線監測系統具備智能監測、分析、診斷、預報以及評估功能[2]，可對機組進行智能預測維護和健康評價。該系統具備良好的兼容性、擴展性、大規模數據管理和實時數據分析能力，深入分析非平穩、非周期、非線性數據之間的關系，提前感知故障發生的機率。系統有良好的系統兼容和數據接入能力，采用開放式體系結構，實現設備管理數字化、智能化與可視化，可與企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統、辦公自動化（Office Automation，OA）系統等相關管理系統實現雙向銜接和無縫對接。

5.1 智能監測

系統通過實時采集分析各測點的數據，將實時數據在三維模型上進行動態展示，并通過不同的顏色標識各測點的實時狀態。例如，綠色表示實時數據正常，暗黃色表示低報和高報，暗紅色表示實時數據異常。當發生報警時，系統能明確指示發生報警的部件位置。

5.2 智能分析

系統具備對數據進行智能分析的能力，能以數值、圖和表等形式展示各專業的數據分析工具[3]，并根據監測機組運行過程中和歷史運行的振動、擺度、軸向位置等參量變化，結合機組的運行工況[4]，對機組的運行狀態進行評判。

系統提供以下的分析工具如表3所示，分析工具頻譜瀑布圖如圖3所示。

表3 分析工具

圖3 頻譜瀑布圖

同時，系統根據泵組的主要性能參數繪制專業曲線，表示機組運行各狀態的區域，從而為阜陽城市供水工程的協調給水、系統運行提供科學依據。

5.3 智能診斷

系統可根據振擺監測等參量數據，綜合分析處理機組規律性的故障，根據各頻率分量，結合振動和工況，通過機器學習、模型訓練等人工智能技術，建立故障診斷數學模型，對機組早期故障進行分類識別，智能給出診斷結果，自動識別和診斷常見故障，并將結論提供給運行管理單位[5]。

設備運行初期建立了設備初期運行檔案，設有設備振動的特征頻率。后期運行中，系統會自動檢測奇異頻率，并根據奇異頻率的出現情況判斷是偶然還是故障，為事故診斷提供基礎。運行一段時間后，根據運行情況，系統可以生成案例及診斷報告的條文，智能生成故障統計記錄[6]。對于無法智能分析的部分，系統可以通過人工輸入診斷結果。

5.4 智能預報

系統對每臺機組運行時間、累計運行時長和出廠后使用時間進行監測、存儲和累計，將主機組的關鍵部件的使用壽命、使用維護周期錄入每臺機組檔案。系統內錄入設備關鍵部件的維修更換周期，在某個關鍵零部件到達維修更換周期前，系統會自動給出維修更換預報，提醒用戶維修更換零部件，避免因某個部件的失效導致設備的故障停車[7]。

5.5 智能預警

系統對機組的各個測點進行數據預測，對未來可能發生的故障進行預警，在故障發生前預測到可能發生的危險發出預警，通知用戶進行檢查和維修，將機組故障隱患消除于萌芽狀態。某一測點的預警如圖4所示。

圖4 1#機組-電機驅動端X方向針對的智能預警

5.6 智能評估

機組健康狀態評估功能模塊根據智能監測模塊、智能分析模塊和智能診斷模塊的信息，采用特定的算法，對機組的振動、擺度以及工況等參數建立健康狀態評價模型，對采集的實時和歷史數據提取健康狀態評價參數，計算當前的健康狀態評價參數分值，調用相應的健康狀態評價模型，得出機組的健康狀態評估狀態和結果[8-10]。

5.7 數據報表

系統能對機組運行的數據按天、周、月及季進行統計展示，內容包括出現的測點名稱、平均值、最大值、最小值、開機時間段以及一天（周、月、季）當中數據的變化率等，在一定程度上反映了機組的運行狀態變化，同時支持報表導出功能，方便本地檢索查看。

6 結語

阜陽泵站機組狀態智能在線監測系統在機組運行過程中采集各個測點的數據，利用專業的數據分析工具分析整理數據，直觀感受泵組各測點的變化過程，同時感知泵站水泵機組的運行狀態，通過機器學習、模型訓練等人工智能技術建立故障診斷和狀態評估的數學模型，實現了異常早期預警、維護提前預報、故障及時預判、處理措施有預案，做到了預測性維護，避免了重大事故的發生，大大減少了泵站機組維護成本。