大型泵站機組遠程狀態(tài)監(jiān)測平臺設計與實現

鄒紅美 唐鴻儒 嚴國斐

(揚州大學能源與動力工程學院，揚州 225009)

泵站在我國已有幾十年的發(fā)展歷史，它在抗洪、排澇、灌溉、調水以及城鄉(xiāng)供水、工業(yè)供水、航運和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著極為重要的作用［1-2］，其運行狀況是否完好，將直接影響到整個系統(tǒng)的效益.泵站機組的檢修一般采取事后維修或者定期維修，前者可能引起設備的二次損壞，甚至災難性事故，而且?guī)齑鎮(zhèn)浼矔沟猛顿Y增多;后者會導致過剩維修，過剩維修則會導致維修費用增加，引起人為維修故障，而且意外停機也會引起泵站機組的損壞.因此，對泵站運行狀態(tài)監(jiān)測是十分必要的.

隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的發(fā)展與應用，狀態(tài)檢修得到了越來越多的重視和研究，國內外的研究者也不乏其人［3-5］.目前，火力發(fā)電機組、水力發(fā)電機組等大型旋轉機械廣泛采用狀態(tài)監(jiān)測.如美國BENTLY公司研制的3500系列振動監(jiān)測系統(tǒng)已經用于國內多座水電站的狀態(tài)監(jiān)測，它通過多種傳感器采集數據，并提供連續(xù)、在線監(jiān)測功能.北京華科同安監(jiān)控技術有限公司的TN8000水電機組狀態(tài)監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)，已成功運用于三峽左岸電站和電源電站的機組狀態(tài)監(jiān)測，為三峽電廠評估機組狀態(tài)提供了堅實的技術保障.由清華大學研制的“水電機組狀態(tài)檢測與故障診斷研究與應用”已在30余家水電站得到了成功應用和推廣，取得了巨大的經濟效益和社會效益.但是，由于大型水泵機組的自身特點，這些系統(tǒng)并不完全適用于水泵機組，對大型泵站機組的狀態(tài)監(jiān)測的研究仍然處于初級階段.

基于泵站監(jiān)測的需要，本文根據泵站的特點，設計了一套以數據采集卡、信號調理電路和各類高精度傳感器為硬件，以LabWindows/CVI為現場監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，以Measurement studio為遠程監(jiān)測Web服務器的軟件平臺的大型泵站機組遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能:①能夠測量泵站機組的狀態(tài)參數，如振動測量(如推力瓦、導軸瓦等)、擺度測量、鍵相位測量以及轉速測量等等;②能對監(jiān)測信號進行幅值域分析、時域分析、頻譜分析等，并根據給定的限值進行報警;③ 能按照預定的策略進行相關數據的存儲與查詢功能;④數據采集過程中能夠實時監(jiān)測數據采集系統(tǒng)中的硬件設備狀態(tài)，及時進行錯誤報警;⑤能夠通過網絡遠程監(jiān)控機組的運行狀態(tài)，并提供遠程狀態(tài)分析等平臺.

1 硬件組成和體系結構

根據系統(tǒng)的功能需求規(guī)劃并設計的硬件部分主要由傳感器、信號調理器、數據采集卡和計算機四部分組成，其中數據采集卡和計算機均嵌在PXI-1042系統(tǒng)中，如圖1所示.傳感器負責采集泵站機組的各種信號量，如振動信號、擺度信號、鍵相信號、轉速信號等，并轉換為模擬量(電壓、電流等)，然后經信號調理器的放大、隔離、濾波等處理后送入數據采集卡完成采樣和量化，變成計算機所能識別的數字量，最后經計算機作進一步的處理，得到泵站機組的運行狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)硬件組成

圖2為大型泵站機組遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)體系結構圖，系統(tǒng)采用Browser/Server模式，由現場監(jiān)控計算機、遠程監(jiān)測Web服務器和遠程客戶計算機三部分組成:

1)現場監(jiān)控計算機 實現常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)功能的現場監(jiān)控軟件，通過NI公司的數據采集卡PXI-6070E，將各個傳感器的信號送入現場計算機，計算機將接收上來的信號進行處理、分析，并將必要的歷史數據、統(tǒng)計數據等以txt文件的格式存入計算機;作為遠程監(jiān)控代理，接受遠程客戶的命令和參數，并對這些命令進行解釋執(zhí)行，將遠程客戶所需的數據或者命令的執(zhí)行結果反饋給遠程客戶.

2)遠程監(jiān)測Web服務器 負責發(fā)布現場的實時數據、歷史數據以及分析結果等等，包括用戶登錄、與現場的通信、數據分析與處理、按需刷新實時數據以及查看某一時刻的歷史數據.

圖2 遠程泵站機組狀態(tài)監(jiān)測平臺體系結構圖

3)遠程客戶計算機 為客戶瀏覽現場所有機組的狀態(tài)信息提供工具，只需具有Web瀏覽器，無需安裝任何其他專用軟件.

2 遠程泵站機組狀態(tài)監(jiān)測平臺設計

對系統(tǒng)的總體功能進行了總體規(guī)劃，將系統(tǒng)分為2個部分:現場監(jiān)控系統(tǒng)和遠程監(jiān)測Web服務器.

2.1 現場監(jiān)控系統(tǒng)的內容和實現

以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，規(guī)劃并設計了系統(tǒng)的軟件程序結構，如圖3所示，包括系統(tǒng)配置、數據采集、信號預處理、信號分析、數據存儲以及與遠程監(jiān)控用戶的通信等程序，下面詳細介紹這6個模塊的設計.

圖3 現場監(jiān)控軟件結構圖

1)系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置共有6部分:配置名稱、基本信息、采集設置、通道設置、通道對設置和非測量參數設置，完成采樣頻率、采樣點數、采樣通道、增益大小、觸發(fā)方式、存儲方式、傳感器技術指標等參數的設置.

2)數據采集

包括兩種采集方式:連續(xù)采集和手動采集.連續(xù)采集方式是在連續(xù)的時間段內完成特定采樣點數的數據采集方式;手動采集方式是用戶手動觸發(fā)一次特定采樣點數的數據采集方式.

數據采集過程中，為了確保在采樣點數不變的情況下，采樣周期均勻，所采信號周期完整，采用整周期采樣［6-7］.定時采集轉速信號，將轉速頻率的256倍作為振動信號的采樣頻率，并用轉速信號來觸發(fā)對振動信號的采樣，從而獲得轉速和振動的整周期采樣數據.

3)信號預處理

在實際信號采集過程中，現場各種因素的影響會導致實際信號里含有高頻干擾，而且采集的信號經傳感器、放大器之后，也會增加大量的噪聲信號;另一方面，由于采集到的信號中往往包含直流分量，信號經兩次積分后將出現偏移，故需對信號進行必要的濾波處理，以濾除干擾信號原始信號，這里采用巴特沃斯帶通濾波器，將直流信號和高頻干擾濾掉，以保證信號的質量.

4)信號分析

由傳感器采集的信號包含了水泵機組狀態(tài)的大量信息，是信號分析的最初信息源.在泵站機組中，低頻隨機信號是機組運行的固有特點，而且反映機組設備運行狀態(tài)的周期較長，因而在信號分析中，不僅要包括通用設備的信號分析功能，而且還應具備有自己特點的信號分析功能.如圖3所示，本系統(tǒng)實現的信號分析處理功能主要包括時域分析、幅值域分析、頻域分析等.

由于LabWindows/CVI在系統(tǒng)辨識、模糊理論、神經網絡、魯棒控制、遺傳算法等先進理論和方法方面，尚未形成可用的函數，故利用ActiveX技術實現LabWindows/CVI與matlab的混合編程，從而揚長避短，很方便的實現信號的分析功能.該技術中，matlab作為ActiveX自動化服務器，通過調用matlab ActiveX提供的驅動庫與matlab進行交互.利用LabWindows/CVI提供的Create ActiveX Automation Control的開發(fā)向導，利用matlab ActiveX服務器生成所有接口函數的調用語句，并建立CVI驅動器形式的函數面板供用戶使用.

5)數據存儲與回放

數據保存是將采集到的數據以txt格式文件儲存到指定文件夾中.本系統(tǒng)采用三種數據存儲方式:手動存儲、定時存儲以及按轉速存儲.當轉速正常時，按時間間隔采集;當升、降速時，按轉速變化間隔采集.為方便查詢，文件以當前系統(tǒng)時間命名.另一方面，系統(tǒng)能夠讀取已存儲的數據文件，進行后期的觀察和分析.

6)與遠程監(jiān)測Web服務器的通信

Web服務器采用對TCP/IP協議底層高度封裝的Network Variable通信技術，該技術提供的參數簡單友好，能夠接收和發(fā)送各種技術(OPC、FTTP、FTP或其他網絡的Network Variable，包括Internet)提供的數據，用戶可以像使用LabWindows/CVI中的其他數據類型一樣使用Network Variable讀寫字符串、整形數、布爾量及數組數據等.

現場監(jiān)控系統(tǒng)中的Network Variable一般處于偵聽狀態(tài)，服務器首先注冊網絡變量讀事件(CNVCreateSubscriber())，當遠程用戶有連接請求時，調用DataCallback回調函數，建立TCP連接，并解析客戶端的請求，最后服務器響應客戶端的請求并將數據發(fā)送給客戶端，斷開連接.

2.2 遠程監(jiān)測Web服務器的實現

1)Web服務器軟件實現

Web服務器端軟件利用NI公司的Measurement studio 8.0開發(fā)，首先Web服務器通過網絡變量實現與現場數據服務器的通信，獲取現場的數據，能夠根據客戶的請求選擇實時數據查看或者歷史數據查看;其次利用軟件自帶的分析工具，對這些數據進行過濾，完成對數據的分析處理功能;最后將分析結果以WebPages(網頁)形式進行發(fā)布，呈現給客戶端用戶.另外必須考慮必要的安全措施:①登錄環(huán)節(jié)，只有注冊過的用戶才能夠進行遠程監(jiān)測;②遠程用戶操作權限表環(huán)節(jié)，不同級別的用戶有不同的操作權限;③由于本系統(tǒng)采用了MS組件技術，用戶無需下載安裝特定的ActiveX控件，避免了不良程序的風險.

在對信號分析的過程中，利用matlab這一功能強大的工具軟件，實現信號的極坐標圖分析、凝聚函數分析等復雜的功能.利用matlab將對應的.m文件生成COM組件，然后用Measurement studio調用COM組件，通過傳參數的方式加以復用.該方法調用方便，生成的COM組件易于修改、擴展性好，利于系統(tǒng)的升級，而且系統(tǒng)運行速度也比較快.

2)客戶端

本系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)模式，用戶在任何客戶端都可通過Microsoft IE網絡瀏覽器訪問Web服務器獲得現場的數據.

3 實驗結果

根據上述設計思路，完成了遠程泵站機組狀態(tài)監(jiān)測平臺的設計，并通過一系列實驗測試了系統(tǒng)的功能.將轉速信號和振動信號分別通過計數器0通道和模擬量輸入0通道送入計算機，經采集處理與分析，得到信號波形圖、頻譜圖與軸心軌跡圖如圖4和圖5所示.

圖4 現場監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖

圖5 遠程客戶端的頻譜圖

圖4為現場監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖，圖中右側上部分的為采樣信號的波形圖，右側下部分為對應的頻譜圖，左側為對應的軸心軌跡圖.由頻譜圖可知，在頻率為50和100 Hz附近幅值較大，這與所施加的信號頻率一致，表明該系統(tǒng)能很好地完成信號分析功能.同時，通過軸心軌跡圖可以將軸偏離軸心的軌跡直觀的呈現給用戶，方便用戶分析機組狀態(tài).圖5為遠程客戶端通道0的頻譜圖，該頻譜圖的原始信號為圖4中的采樣信號，可以看出信號幅值較大處同樣出現在頻率為50和100 Hz附近，這與圖4中的頻譜圖結果一致，滿足了頻譜分析的要求.由此可見，系統(tǒng)能很好地完成數據分析和Web服務功能，滿足系統(tǒng)設計要求.

4 結語

本系統(tǒng)根據大型泵站狀態(tài)監(jiān)測的功能需求，設計并實現了泵站機組的狀態(tài)監(jiān)測軟件和遠程監(jiān)視平臺，分別利用NI的LabWindows/CVI和Measurement studio 8.0軟件，開發(fā)了現場監(jiān)測系統(tǒng)和遠程監(jiān)測Web服務器系統(tǒng)，經過實驗驗證，該平臺可以使得運行操作人員通過Internet隨時隨地監(jiān)視泵站的運行工況，提高水利工程的運行維護水平，合理配置人力資源，同時對水利工程的運行管理模式的改變起著積極的推動作用.

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