基于智能喚醒算法的泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙廣輝，溫焱明

（中山嘉明電力有限公司，廣東中山 528403）

0 引言

泵機(jī)設(shè)備是各類發(fā)電站中的核心設(shè)備，泵機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行直接關(guān)系到發(fā)電企業(yè)的安全。近幾年來，由于工作環(huán)境逐漸惡劣、泵機(jī)設(shè)備使用人員操作不規(guī)范等問題的存在，使泵及設(shè)備事故頻繁發(fā)生，而泵及設(shè)備事故無論大小都會對整個行業(yè)的工作效率造成嚴(yán)重影響。因此采取更加有效的保護(hù)措施和現(xiàn)代化的技術(shù)手段保證泵及設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，成為了當(dāng)前該行業(yè)領(lǐng)域提升工作效率和保證安全生產(chǎn)的有效途徑之一[1]。在受到更加惡劣的工作環(huán)境影響時，泵機(jī)設(shè)備不可避免地會產(chǎn)生各種故障問題，而故障時常會表現(xiàn)出異常的振動和溫度變化，這些振動信號和溫度信號中包含了大量泵機(jī)設(shè)備在日常運(yùn)行過程中由于沖擊、磨損、腐蝕等因素引起的劣化或失效狀態(tài)信息。若能夠針對這一類狀態(tài)信息進(jìn)行合理利用，可以更好地實(shí)現(xiàn)對泵機(jī)設(shè)備的高精度檢測，提高泵機(jī)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平[2]。基于此，本文開展泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

1 泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)對各類泵機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過程中狀態(tài)的監(jiān)測，開展對其監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究，構(gòu)建如圖1 所示的泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。從圖1 可以看出，在對各類泵機(jī)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測時，主要針對其振動和溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。因此，引入針對振動和溫度進(jìn)行參數(shù)采集的傳感器設(shè)備[3]。

圖1 泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

（1）振動監(jiān)測傳感器選用STMicroelectronics 系列振動傳感器。該型號振動傳感器靈敏度為0.061 mg/LSB；傳感軸為空間坐標(biāo)中的3 個軸線；工作過程中的電源電流為650 μA，電源電壓最小為1.62 V；工作溫度-40～+75 ℃；采用MouseReel 封裝結(jié)構(gòu)；分辨率為18 bit。STMicroelectronics 系列振動傳感器可應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、計算機(jī)領(lǐng)域中，已經(jīng)具備良好的應(yīng)用市場，因此將其作為本文監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中的監(jiān)測信號采集設(shè)備可以進(jìn)一步提高本文監(jiān)測系統(tǒng)的適用性。

（2）溫度監(jiān)測傳感器選用ADT75ARMZ-REEL7 型號溫度傳感器。該型號溫度傳感器采用MSOP-9 封裝結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對泵機(jī)設(shè)備溫度測量范圍為-15～+125 ℃，電源電壓變化范圍在3.0～5.5 V。將該傳感器安裝在各個泵機(jī)設(shè)備表面，針對運(yùn)行過程中的泵機(jī)設(shè)備，對其溫度進(jìn)行實(shí)時測量，并將測得的溫度信號數(shù)據(jù)以無線方式傳輸?shù)较到y(tǒng)上位機(jī)當(dāng)中。

2 泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于智能喚醒算法的泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信號傳輸

在完成硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行設(shè)計。為了滿足此系統(tǒng)的監(jiān)測需求，在進(jìn)行此部分設(shè)計時，引進(jìn)智能喚醒技術(shù)，進(jìn)行泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信號的傳輸設(shè)計。在此過程中，當(dāng)泵機(jī)設(shè)備處于一種關(guān)停狀態(tài)時，此時前端獲取的檢測數(shù)據(jù)屬于“零值”數(shù)據(jù)，即不具備研究價值的數(shù)據(jù)，而過度傳輸此類數(shù)據(jù)，不僅會占用信號傳輸信道，同時也會在一定程度上影響設(shè)備振動能量的獲取，導(dǎo)致傳輸信道內(nèi)大量冗余數(shù)據(jù)堆積。為了解決此種問題，提高系統(tǒng)對于泵機(jī)設(shè)備運(yùn)行信號的傳輸效率，可在處理程序中集成喚醒技術(shù)[4]。

此過程的步驟為：啟動泵機(jī)設(shè)備運(yùn)行信號傳輸處理程序→信號傳輸信道初始化處理→定位傳感器并獲取系統(tǒng)端傳感器信號→傳感器信號的專項(xiàng)處理→傳輸?shù)男盘栔凳欠駶M足連續(xù)性傳輸需求→當(dāng)識別結(jié)果為“Y”時，跳轉(zhuǎn)下一程序，當(dāng)識別結(jié)果為“N”時，跳轉(zhuǎn)信號采集程序→喚醒系統(tǒng)內(nèi)無線傳輸模塊與信號通信信道→信號經(jīng)過多個收發(fā)模塊程序持續(xù)發(fā)送→分析此時傳輸?shù)倪B續(xù)性信號是否滿足信號傳輸需求→當(dāng)識別結(jié)果為“Y”時，繼續(xù)發(fā)送25.0～50.0 組數(shù)據(jù)，當(dāng)識別結(jié)果為“N”時，跳轉(zhuǎn)上個指令程序，進(jìn)行信號連續(xù)性的再次評估→輸出信號傳輸信道→關(guān)閉無線傳輸通信模塊后能耗進(jìn)入LPM（Link Power Management，鏈接電源管理）模式。

綜合上述分析可知，系統(tǒng)在傳輸泵機(jī)設(shè)備運(yùn)行信號過程中，是時刻處于運(yùn)行狀態(tài)的，而在此時獲取的信號便可以在很大程度上減少冗余信息的傳輸信道占用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)母咝Щ?/p>

2.2 泵機(jī)設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)報警

在確保傳輸?shù)谋脵C(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號處于一種連續(xù)性趨勢后，使用系統(tǒng)人機(jī)操作界面，進(jìn)行傳感信號的實(shí)時展示與預(yù)警。在此過程中，系統(tǒng)前端的信號接收器可將接收的信號傳輸?shù)较到y(tǒng)上機(jī)位程序，信號在此過程中，經(jīng)過了解碼處理→節(jié)點(diǎn)編號識別處理→信號專項(xiàng)處理→去噪處理→導(dǎo)入更新處理等過程。在確保處理后的設(shè)備運(yùn)行信號可以滿足系統(tǒng)監(jiān)測需求后，將數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。導(dǎo)入后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的閾值，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號比對，當(dāng)比對結(jié)果顯示監(jiān)測的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)超出安全預(yù)警范圍后，控制面板將自動進(jìn)行信號異常展示[5]。

此時，泵機(jī)設(shè)備在故障點(diǎn)前后數(shù)秒內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)將以波形圖的方式呈現(xiàn)在人機(jī)交互界面中。自動觸發(fā)前端系統(tǒng)的預(yù)警信號，預(yù)警信號將通過泵機(jī)設(shè)備運(yùn)行信號的傳輸信號進(jìn)行傳輸。完成預(yù)警信號的傳輸后，系統(tǒng)自動執(zhí)行設(shè)備報警，通過此種方式，便可以實(shí)現(xiàn)對泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。

綜合上述分析，完成本系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)為泵機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供一個相對真實(shí)的支撐決策。

2.3 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)的設(shè)計

基于智能喚醒算法的泵機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以監(jiān)測為主、控制為輔，其檢測系統(tǒng)的設(shè)計核心在于采用多診斷技術(shù)結(jié)合的方式，對泵機(jī)進(jìn)行多層次、多角度的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析，全方位監(jiān)測及優(yōu)化電機(jī)。遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)主要分為4 個主要功能。

（1）地理信息系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)。采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對于泵機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)、地理位置和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測并呈現(xiàn)，對于泵機(jī)的生產(chǎn)、運(yùn)行、故障及維修等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時查看，為后期的運(yùn)行服務(wù)、維修管理等工作提供依據(jù)。

（2）在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)將泵機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測、工藝過程狀態(tài)監(jiān)測、管理過程狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程在線集中監(jiān)測等進(jìn)行融合，并通過泵機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、采集和融合，為智能診斷系統(tǒng)的建設(shè)提供相關(guān)依據(jù)。

（3）智能診斷系統(tǒng)。智能診斷系統(tǒng)是泵機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)可以通過智能診斷板塊、數(shù)據(jù)融合決策和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵機(jī)故障的事前預(yù)測、故障位置定位和故障原因診斷等子功能，結(jié)合智能化技術(shù)對于泵機(jī)或部件的某部分狀態(tài)故障進(jìn)行自動運(yùn)行報警及故障推送工作，進(jìn)而生成泵機(jī)故障診斷結(jié)果及報告。

（4）泵機(jī)管理系統(tǒng)。泵機(jī)管理需要對于泵機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、上線時間、運(yùn)行時長、運(yùn)營時間等進(jìn)行實(shí)時管理，為泵機(jī)的故障分析、診斷及預(yù)測提供豐富的數(shù)據(jù)信息，為泵機(jī)的故障維修提供更加精確、科學(xué)的故障診斷及處理方案，為泵機(jī)壽命的增強(qiáng)、泵機(jī)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使泵機(jī)設(shè)備能夠在運(yùn)行過程中保持正常運(yùn)行。結(jié)合海量的系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立非線性映射、計算能力強(qiáng)、自學(xué)能力強(qiáng)的智能喚醒算法，結(jié)合泵機(jī)生產(chǎn)端的相應(yīng)管理數(shù)據(jù)，著力提升泵機(jī)的安全可控能力，培育經(jīng)濟(jì)增長新動能，促進(jìn)泵機(jī)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)融合、故障診斷、故障預(yù)測和故障診斷等技術(shù)促進(jìn)泵機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及智能診斷工作質(zhì)量的提升，促進(jìn)我國制造行業(yè)競爭工作的新優(yōu)勢。

3 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

通過硬件層面和軟件層面完成對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，為了驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果，選擇將該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到真實(shí)的發(fā)電站中，并針對其正在運(yùn)行的泵機(jī)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。根據(jù)不同泵機(jī)設(shè)備，分別設(shè)置3 個傳感器，對其編號為01#、02#、03#。其中，01#傳感器用于對泵機(jī)設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)測，02#和03#傳感器用于對泵機(jī)設(shè)備振動進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，得到如圖2 所示的監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)界面顯示結(jié)果。從顯示結(jié)果可以看出，本文提出的監(jiān)測方法能夠針對泵機(jī)設(shè)備的溫度和振動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且能夠?qū)?zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)當(dāng)中。同時，在現(xiàn)實(shí)界面中通過設(shè)定各個軸的上限閾值和下限閾值的方式，能夠在第一時間對泵及設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報警，并顯示在上位機(jī)界面上。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)界面顯示結(jié)果

3.3 存在的問題

在試驗(yàn)過程，通過數(shù)據(jù)接收裝置將各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)接收并上傳到上位機(jī)中時，不同溫度條件下，溫度監(jiān)測值與泵機(jī)設(shè)備實(shí)際溫度之間存在一定誤差，隨著監(jiān)測次數(shù)的增加，溫度誤差逐漸增加，說明監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，其監(jiān)測精度會受到監(jiān)測系統(tǒng)使用次數(shù)的影響，原因可能是監(jiān)測系統(tǒng)自身的自供電模塊存在異常。本監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計時，采用磁懸浮式電磁振動能量采集裝置與能源管理電路，對泵機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的逸散能量進(jìn)行采集，采用這種供電模式會造成監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性在后期頻繁使用中出現(xiàn)問題，影響到系統(tǒng)的應(yīng)用性能。針對這一問題，考慮利用無線傳感電路的方式為監(jiān)測系統(tǒng)提供電能，并充分考慮到周圍實(shí)際環(huán)境，融合更多尖端能量供應(yīng)技術(shù)，提升電源自身發(fā)電能力，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著各行業(yè)機(jī)械水平和自動化程度的不斷提高，泵機(jī)設(shè)備的維護(hù)、修理等也逐漸變得復(fù)雜和困難。本文提出一種全新的監(jiān)測系統(tǒng)，用于對泵機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在后續(xù)的研究中，還將針對監(jiān)測系統(tǒng)的功耗問題進(jìn)行深入研究，從而設(shè)計功耗更低、功能更強(qiáng)的監(jiān)測系統(tǒng)。