大型水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李偉山

（山西萬家寨引黃水務(wù)集團有限公司偏關(guān)分公司，山西 偏關(guān) 036400）

1 引言

山西萬家寨引黃水務(wù)集團有限公司偏關(guān)分公司下轄5 座大型泵站，主要承擔著將萬家寨水利樞紐大壩內(nèi)的黃河水向省內(nèi)太原、朔州、大同等地提供生活、生態(tài)和工業(yè)用水的使命，同時擔負著向首都永定河提供生態(tài)供水的重要任務(wù)。其中，總干線3 座泵站的設(shè)計流量為48 m3/s,年供水量12 億m3；每座泵站安裝10 臺立式單級單吸離心泵，8 工2 備；單泵流量6.45 m3/s，配套電機功率12 MW，總裝機容量為120 MW。

如何確保公司轄區(qū)內(nèi)每臺機組的安全、穩(wěn)定、高效運行，關(guān)系到公司供水事業(yè)的興衰，更是關(guān)系到供水沿線各大城市的重大民生問題。公司總一泵站6 號機組多次發(fā)生水導擺度異常波動，擺度最大上升至150 μm，且瓦溫升高約1 ℃。雖然均未達到報警值，但后期試運行擺度仍在較高范圍內(nèi)波動，并有增大的趨勢；原因一直未能徹底查明。機組擺度不明原因波動增大，對機組安全運行構(gòu)成威脅，對公司的正常有序供水產(chǎn)生較大影響。且擺度長期異常波動運行還可能對水泵轉(zhuǎn)輪、密封等造成損壞，而現(xiàn)有的運行經(jīng)驗和手段不能完全解釋機組擺度增大發(fā)生的具體原因。目前只能將機組停運或拆解后檢查，這將會給穩(wěn)定輸水造成了較大影響，且拆解回裝費用較大。因此急需有一套智能診斷系統(tǒng)，對引起擺度增大的原因進行分析，避免故障誤判，并減少不必要的機組拆解和回裝產(chǎn)生的高額費用。

2 水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)

針對總一泵站6 號機組長期存在擺度異常波動故障，公司擬通過搭建一套針對機組的全信息監(jiān)測系統(tǒng)（如振動、電流、鍵相），并引入檢修相關(guān)靜態(tài)參量（如靜擺度、垂直同心度、軸瓦間隙、高程參數(shù)）。同時通過整體軸系的全信息擺度可視化監(jiān)控，結(jié)合軸系中心位置變化趨勢等信息綜合分析，將6 號與7 號機組進行對比，通過一段時間的跟蹤對比分析，找到導致6 號機組擺度異常的根本原因。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件和軟件設(shè)計框架，如圖1、2 所示，主要實現(xiàn)機組振擺監(jiān)測及其他相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲存，以及最終在基于B/S 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)展示、分析圖譜和診斷結(jié)論等。萬家寨引黃工程是維系晉北和首都地區(qū)用水安全的重要水利工程，泵站相關(guān)設(shè)備管理，特別是機組自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理非常嚴格。鑒于此種情況，將水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)單獨組網(wǎng)，使該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)獨立于泵站的其他系統(tǒng)之外，以確保泵站其他自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

圖1 系統(tǒng)硬件整體框架

圖2 系統(tǒng)軟件技術(shù)框架

圖3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

圖4 數(shù)據(jù)采集過程

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 總體軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件總體功能設(shè)計可分為系統(tǒng)設(shè)置層、機組配置層、基礎(chǔ)分析層、高級分析層及數(shù)據(jù)挖掘?qū)拥取?/p>

系統(tǒng)設(shè)置層：主要包括組織機構(gòu)、用戶設(shè)置、角色設(shè)置、權(quán)限設(shè)置、信息配置、操作日志等，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)置；

機組配置層：主要包括機組設(shè)置、測點設(shè)置、傳感器設(shè)置、采集器設(shè)置等，以實現(xiàn)對機組測點信息的配置；

基礎(chǔ)分析層：主要包括波形分析、頻譜分析、故障頻率分析、趨勢分析等，以實現(xiàn)對監(jiān)測點的基礎(chǔ)振動分析；

數(shù)據(jù)挖掘分析層：主要包括振動分析、智能診斷等，以實現(xiàn)對設(shè)備振動異常深度分析、設(shè)備故障部位確認；

展示層：對上述5 大功能模塊所對應(yīng)的子功能的分析結(jié)果進行形象化展示。

2.2.2 核心功能設(shè)計

⑴狀態(tài)檢測：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機組運行狀態(tài)的自動在線監(jiān)測，及時進行故障預(yù)測，同時支持在線數(shù)據(jù)處理和分析判斷。借助多種監(jiān)測和分析方法，使運維人員能夠快速準確地了解機組運行狀況，并及時調(diào)整維護策略。在線監(jiān)測帶有報警功能，可以及時提醒用戶設(shè)備運行狀態(tài)上的問題。

⑵基本分析：系統(tǒng)圖譜分析有波形分析、頻譜分析、故障頻率分析等功能模塊。

⑶全矢譜分析：該技術(shù)榮獲得1999 年度的國家科技進步獎，是當今世界范圍內(nèi)三大旋轉(zhuǎn)機械同源數(shù)據(jù)融合分析體系之一，也是同源信息融合程度最高、體系最完善的分析技術(shù)，充分應(yīng)用多渠道數(shù)據(jù)的互補性，利用對同源信息的融合提取技術(shù)，解決機組的疑難雜癥。

⑷智能診斷：本系統(tǒng)通過部署一套全信息智能診斷專家（IDES），提供自動化的智能診斷服務(wù)。智能診斷以智能報警作為觸發(fā)機制，每次報警事件后自動啟動智能診斷服務(wù)。系統(tǒng)安裝和調(diào)試階段將為本系統(tǒng)服務(wù)機組建立專用的知識庫。每次故障診斷推理后自動生成故障診斷報告，報告內(nèi)容主要涵蓋：機組名稱、時間、故障名稱、故障部件、故障可信度、可能的處理措施列表等信息。

2.2.3 硬件設(shè)施設(shè)計

系統(tǒng)采用基于嵌入式平臺設(shè)計的智能振動數(shù)據(jù)采集模塊，用于實現(xiàn)對泵站關(guān)鍵設(shè)備振動信號的數(shù)據(jù)采集、特征參數(shù)計算和提取，并通過以太網(wǎng)絡(luò)通信接口將關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器。

⑴智能數(shù)據(jù)采集器：可完成振動信號及轉(zhuǎn)速等傳感器信號的采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過TCP/IP協(xié)議將振動的數(shù)字信號傳輸至中心服務(wù)器。

⑵低頻振動速度傳感器：具有寬頻響應(yīng)、高靈敏度、優(yōu)動態(tài)特性、低橫向靈敏度，以及抗干擾能力強等特點；應(yīng)用于水泵蝸殼振動測量點。

⑶電渦流擺度傳感器：是一種非接觸式的線性化測量元件。具有長期工作可靠性好，測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點；應(yīng)用于電機和水泵中間的連接軸測量點。

3 系統(tǒng)實施

經(jīng)前期的現(xiàn)場查勘和反復論證，最終確定該系統(tǒng)分三步實施：傳感器安裝、表計接入和聯(lián)網(wǎng)診斷。

3.1 傳感器安裝

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，每臺機組新增2 只電渦流傳感器、2 只振動速度傳感器及3 只電流互感器。

3.1.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器能測量被測金屬體與探頭端面的相對位置。其長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、不受油水等介質(zhì)的影響， EEG01 系列一體化電渦流傳感器作為擺度測量傳感器，無前置器,傳感器信號線可直接接入采集器。新增擺度傳感器測點安裝于泵軸與電機軸聯(lián)接處，如圖5所示。

圖5 中間軸擺度傳感器安裝位置

安裝支架采用角鐵或槽鋼焊接，主支架成淺U型。支架制作需保證兩傳感器的在中間軸橫截面內(nèi)互為90°。支架安裝，需保證傳感器在軸縱剖面平面內(nèi)與軸線垂直。

3.1.2 振動速度傳感器

振動速度傳感器與被測物通過M10 螺栓連接，并焊接在水泵蝸殼上，監(jiān)測蝸殼振動情況，如圖6所示。水泵轉(zhuǎn)速為600 r/min，工頻為10 Hz，為有效監(jiān)測、診斷故障時的特征信號，采用低頻速度傳感器。

圖6 蝸殼振動速度傳感器安裝示意

3.1.3 電流互感器

電流互感器安裝在電機進線端，電機風洞旁電氣盤柜內(nèi)，臨近電機原裝電流互感器位置?；ジ衅餍盘柧€通過電機風洞，引入電纜橋架下的采集箱內(nèi)。

3.2 表計接入

現(xiàn)場已安裝振動監(jiān)測系統(tǒng)AN5800，該模塊前面板有BNC 數(shù)據(jù)緩存輸出和后面板端子緩存輸出。兩處緩存均能獨立輸出傳感器原始信號。因此可直接將數(shù)據(jù)采集器接入AN5800。經(jīng)回路測試如有信號衰減，可補償衰減系數(shù)進行調(diào)整。

3.3 聯(lián)網(wǎng)診斷

該系統(tǒng)由智能報警策略監(jiān)測機組振動信號，當振動信號某項指標超過報警閾值時，將進入智能報警判定邏輯，系統(tǒng)產(chǎn)生報警，并觸發(fā)智能診斷機制。智能診斷系統(tǒng)讀取振動和電氣信號，提取故障征兆，在本地規(guī)則庫中匹配處置規(guī)則，確定處置的故障范圍。當在本地規(guī)則庫中無法匹配處置規(guī)則時，系統(tǒng)會申請遠程聯(lián)網(wǎng)診斷或申請專家人工診斷。當每次診斷驗證后，系統(tǒng)將診斷知識及時同步補充到本地規(guī)則庫，以便更好地完善本地規(guī)則數(shù)據(jù)庫。

為確保泵站內(nèi)其他自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，該系統(tǒng)在設(shè)計之初就完全獨立于其他系統(tǒng)之外。聯(lián)網(wǎng)診斷功能僅限于遠程監(jiān)測機泵的振動和擺度參數(shù)，數(shù)據(jù)異常時及時診斷故障，給出處理建議，不參與機泵的控制邏輯。

4 應(yīng)用成效

大型水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)，充分結(jié)合引黃工程大型立式離心水泵機組的特點，研究論證機組振擺監(jiān)測方案，通過接入現(xiàn)場表計數(shù)據(jù)及安裝擺度、振動傳感器、采集器等，建立機組全信息監(jiān)測系統(tǒng)。運用智能故障診斷技術(shù)，強化診斷推理機制，優(yōu)化診斷邏輯，形成一套基于機組振擺特征判定機組故障原因的方法，研發(fā)水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)實時監(jiān)測機組振擺動態(tài)參數(shù)[1，2]。當設(shè)備振擺狀態(tài)發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)能夠及時輔助判定故障原因和位置，以預(yù)防惡性事故的發(fā)生。這為機組的運行和維修決策提供了重要依據(jù)。

該系統(tǒng)采用實時監(jiān)測，實時報警方式，一旦發(fā)生異常立刻通過監(jiān)測終端提醒監(jiān)控人員。同時本系統(tǒng)的智能診斷模塊，針對機組的振擺異常以及其他情況，通過獨有的基于部件的智能診斷評價系統(tǒng)，自動給出機組的診斷結(jié)果，以高可信度的方式給出機組故障部位、故障嚴重程度、處理建議等診斷結(jié)論，運維人員可參考智能診斷結(jié)果安排后續(xù)工作，從而實現(xiàn)對水泵的主動管理。同時提供全套信號分析體系，包括波形圖、頻譜圖、功率譜以及軸心位置、軸心軌跡、振型趨勢等分析方法，方便運維人員深入分析。極大地提升公司機組安全、穩(wěn)定、可靠、高效運行的運維能力和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

大型水泵電機振擺異常智能診斷系統(tǒng)的研究、設(shè)計與應(yīng)用，促進廣大運維人員及時準確掌握機泵的運行健康狀況，并為設(shè)備振擺異常故障提出科學處理建議，縮短檢修周期。同時，可為大型泵組及水電機組的狀態(tài)監(jiān)測與診斷檢修提供更加完善和便捷的研究思路；其強大的聯(lián)網(wǎng)診斷、自學更新和智能診斷功能，也為大型工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測指明了設(shè)計方向。