榮浩天,朱曉東

(東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程中心,江蘇 南京 210096)

1 前 言

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站最關(guān)鍵的主設(shè)備,它的安全運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到水電站能否安全、經(jīng)濟(jì)地提供可靠的電力。隨著水電機(jī)組建設(shè)的高速發(fā)展,機(jī)組容量和尺寸在逐步增大,比轉(zhuǎn)速也相應(yīng)提高,機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)化程度越來越高,無人值班、少人值守、遠(yuǎn)程控制的水電廠日益增多,對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的研究日趨重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)的研究表明,許多機(jī)組振動(dòng)的振源來自水輪機(jī),往往由于水輪機(jī)振動(dòng)而限制其運(yùn)行工況,從而影響機(jī)組效益的發(fā)揮。為了提高水輪發(fā)電機(jī)組的健康水平和設(shè)備完好率,我們所開發(fā)的基于虛擬儀器的水輪機(jī)組監(jiān)測(cè)及故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、趨勢(shì)等各種分析,并可以初步判斷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)及各種可能存在的故障。

2 虛擬儀器

虛擬儀器(Virtual Instrument)是一種功能意義上而非物理意義上的儀器,它通過硬件接口和儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)控設(shè)備的硬件通信,通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件與儀器硬件有機(jī)地融合為一體,把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起,通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及分析處理。同其他技術(shù)相比,虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì):性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少和出色的集成性能[1]。

虛擬儀器用計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件功能,用戶可以根據(jù)需要定義儀器的功能,虛擬儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展也只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新,而不需要增添新的儀器。基于虛擬儀器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,具有如下的優(yōu)越性[2]:

(1)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低;

(2)技術(shù)更新周期短(0.5～1年);

(3)軟件是關(guān)鍵;

(4)價(jià)格低;

(5)開放、靈活與計(jì)算機(jī)同步,可重復(fù)使用和重新配置;

(6)可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器;

(7)自動(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸。

3 水輪機(jī)組監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其測(cè)點(diǎn)布置

水輪發(fā)電機(jī)組由于體積較大、運(yùn)行工況的多變性,其監(jiān)測(cè)內(nèi)容也相當(dāng)復(fù)雜,包括穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、空化噪聲監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)內(nèi)容,其中穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是水電廠最為注重的內(nèi)容。由于條件限制,所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)組監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)以穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)為主。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括[3-4]:

(1)大軸軸線姿態(tài)。通過對(duì)各導(dǎo)軸承擺度的監(jiān)測(cè),可對(duì)大軸軸線姿態(tài)的優(yōu)劣作出分析判斷,包括監(jiān)測(cè)大軸彎曲、法蘭連接不對(duì)中、法蘭螺栓松動(dòng)等。

(2)導(dǎo)軸承狀態(tài)。通過對(duì)各導(dǎo)軸承處擺度、各機(jī)架振動(dòng),以及各導(dǎo)軸承油溫、瓦溫的監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)各導(dǎo)軸承狀態(tài),判斷可能存在的缺陷,如軸瓦間隙不勻、導(dǎo)軸承不對(duì)中、潤(rùn)滑不良、碰磨等。

(3)過流部件狀態(tài)。通過對(duì)頂蓋振動(dòng)、壓力及脈動(dòng)的監(jiān)測(cè),分析判斷機(jī)組是否存在渦帶振動(dòng)過大、機(jī)械與水力共振、導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)不對(duì)稱等過流部件缺陷。

現(xiàn)以某水電站 210MW混流式水輪機(jī)為例說明。為保證水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行,該機(jī)組共布置有 43個(gè)測(cè)點(diǎn),包括 1個(gè)轉(zhuǎn)速/鍵相信號(hào)、8個(gè)擺度量、20個(gè)振動(dòng)量、11個(gè)壓力脈動(dòng)信號(hào)、8個(gè)發(fā)電機(jī)空氣間隙信號(hào)等。轉(zhuǎn)速/鍵相信號(hào)和擺度信號(hào)采用一體式渦流傳感器(北京波譜公司,型號(hào)為 85811-01+85745-01A-K)測(cè)量,振動(dòng)量測(cè)量采用低頻速度傳感器(上海歐丹儀器電子有限公司,型號(hào)為OD9300),采用壓力變送器測(cè)量壓力脈動(dòng)(長(zhǎng)沙盛恩,型號(hào)為 NMPM 480S)。其他工藝量從機(jī)組現(xiàn)有的二次儀表的輸出端子上拾取。

相配套的信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)鍵相信號(hào)、擺度、振動(dòng)等信號(hào)的隔離、放大、濾波、轉(zhuǎn)換等預(yù)處理,采用模塊化、總體式設(shè)計(jì)。信號(hào)調(diào)理箱電路包括擺度振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路和鍵相信號(hào)調(diào)理電路兩部分。前者主要壓縮信號(hào)中的直流分量和放大交流信號(hào),以確保在采用一定位數(shù)的 ADC條件下,提高被測(cè)信號(hào)的分辨率和精度。鍵相信號(hào)調(diào)理電路將鍵相信號(hào)整形為方波信號(hào)。其調(diào)理參數(shù)由采集監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通過串口進(jìn)行程控,模塊主要元件選用國(guó)外高精度、集成化芯片,可靠性高。

4 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要由采集振動(dòng)(包括擺度、振動(dòng)位移、壓力脈動(dòng)等)、相位及轉(zhuǎn)速的傳感器、高性能數(shù)據(jù)采集卡、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、故障診斷服務(wù)器和工程師站等組成。系統(tǒng)圖見圖1。

現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)工作站由工控機(jī)、高速 A/D數(shù)據(jù)采集卡組成。工控機(jī)選用臺(tái)灣研華 IPC-610/P42.0G。轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào)選用北京阿爾泰公司 PCI-8606數(shù)據(jù)采集卡(采樣速率 1.25MHz,16通道,12Bit)采集。現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。采集的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí),數(shù)據(jù)存入本地硬盤,網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后由服務(wù)器調(diào)用。

遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷工作站放置于廠監(jiān)測(cè)診斷中心或廠設(shè)備管理人員和技術(shù)人員的值班室。它選用臺(tái)灣研華 IPC-610H/P42.8G工控機(jī),操作平臺(tái)為 W indows2000,監(jiān)視軟件采用 LabVIEW 8.0開發(fā)。遠(yuǎn)程監(jiān)視計(jì)算機(jī)調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù),將機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)再現(xiàn),可以使有關(guān)人員及時(shí)了解機(jī)組的運(yùn)行信息;同時(shí),遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行遙控。

5 系統(tǒng)功能及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

5.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)軟件主要由采集監(jiān)測(cè)軟件和網(wǎng)絡(luò)傳輸、分析診斷軟件兩大部分組成,系統(tǒng)功能主要包括:系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、啟停機(jī)分析、數(shù)據(jù)管理、診斷助手、運(yùn)行日志和幫助 7個(gè)模塊(見圖2)。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框架

LabVIEW提供了豐富的函數(shù)及子程序庫(kù),從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)適合于分析設(shè)備故障診斷中的平穩(wěn)信號(hào)及瞬態(tài)信號(hào),用戶可以根據(jù)需要綜合使用,可以有效捕捉水輪機(jī)運(yùn)行中的故障信息。這些功能包括:波形分析(時(shí)基圖分析)、相關(guān)分析、頻譜分析(幅值譜、功率譜)、倒頻譜分析、選頻細(xì)化分析、軸心軌跡分析、多通道波形頻譜、統(tǒng)計(jì)特征分析、回歸分析、高精度幅值頻譜和功率頻譜、高精度對(duì)數(shù)功率頻譜、時(shí)域細(xì)化分析、聚類分析。

(1)系統(tǒng)管理。進(jìn)行軟件系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)參數(shù)組態(tài),對(duì)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)的各種關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、軸心軌跡分析、全息譜分析,并對(duì)異常報(bào)警和事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與追憶。

(3)啟、停機(jī)分析。監(jiān)測(cè)水輪機(jī)啟、停機(jī)過程中的瞬態(tài)變化,包括 bode圖分析、極坐標(biāo)圖分析、階次圖和三維頻譜圖分析等。采樣的存盤方式分為定轉(zhuǎn)速間隔采樣存盤、定時(shí)間間隔采樣存盤和手動(dòng)采樣存盤。數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

(4)數(shù)據(jù)管理。對(duì)時(shí)域波形數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、異常記錄數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行生成、查詢及備份等操作,對(duì)異常報(bào)警和事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與追憶。

(5)診斷助手。包括動(dòng)平衡計(jì)算、大軸擺度計(jì)算和故障診斷。故障診斷方法基于模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,在機(jī)組出現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)用診斷模塊可以提供初步的診斷結(jié)論,結(jié)合系統(tǒng)的其它精密分析手段可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的確診,為設(shè)備的預(yù)知維修提供指導(dǎo)性建議。智能自動(dòng)診斷模塊具有自學(xué)習(xí)功能,隨著在現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步使用,系統(tǒng)將提高故障識(shí)別的準(zhǔn)確率。

(6)運(yùn)行日志。對(duì)機(jī)組所有通道生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表,內(nèi)容包括各測(cè)點(diǎn)的最大 /最小值、平均值、報(bào)警次數(shù)等。

(7)幫助。本軟件使用的幫助文檔。

圖2 系統(tǒng)功能

5.2 網(wǎng)絡(luò)化振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷的特點(diǎn)是測(cè)試數(shù)據(jù)、分析方法和診斷知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)共享。因此,必須使診斷技術(shù)的核心部分(如信號(hào)采集、信號(hào)處理和分析)能夠在網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程運(yùn)行?；?Web的虛擬儀器的益處是明顯的,用于設(shè)備監(jiān)測(cè)和分析的昂貴硬件儀器可以被低廉的基于軟件的虛擬儀器代替,通過在 Internet服務(wù)器上安裝虛擬儀器,可使當(dāng)前用于工廠的冗余儀器精簡(jiǎn)到最小。通過 Web的交互式維護(hù)變得容易。軟件正是結(jié)合了 LabVIEW的 DataSocket技術(shù)以及 Web數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸以及基于 B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)功能。

DataSocket是 National Instrument提供的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),它建立在 TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上,而不用進(jìn)行復(fù)雜的底層 TCP編程,就可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)遠(yuǎn)端的終端同時(shí)廣播現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。DataSocket技術(shù)專門為滿足測(cè)試與自動(dòng)化的需求而設(shè)計(jì),不必像 TCP/IP編程那樣把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)化的字節(jié)流,而是以自己特有編碼格式傳輸各種類型的數(shù)據(jù),包括字符串、數(shù)字、布爾量以及波形等,還可以在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和用戶自定義屬性之間建立聯(lián)系一起傳輸。DataSocket由 DataSocket API和 DataSocket Server兩部分組成。DataSocket傳遞數(shù)據(jù)具有三個(gè)角色,即數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)接收和 DataSocket Serv-er。DataSocket Server是一個(gè)小巧的獨(dú)立運(yùn)行的程序,發(fā)布數(shù)據(jù)的程序通過它進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出,接收數(shù)據(jù)的程序通過它接收數(shù)據(jù)。

使用 LabVIEW的 Web服務(wù)器可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布 LabVIEW程序前面板的圖像或 HTML(HypertextMarkup Language,超文本鏈接標(biāo)示語言)文件供本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)瀏覽;還可以在網(wǎng)絡(luò)上打開其他計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的 LabVIEW程序面板。隨著網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)向 Internet/Intranet的遷移,出現(xiàn)了WWW技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的 Web數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用,即 Brow se/Server瀏覽器/服務(wù)器計(jì)算模型。Browse/Server結(jié)構(gòu)模式是在傳統(tǒng) Client/Server結(jié)構(gòu)模式的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的,它將 Web技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合,擴(kuò)展了 C/S模式的分布計(jì)算特性,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài) Web應(yīng)用。因此,本振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用B/S模式。采用這種網(wǎng)絡(luò)模式,用戶端只需安裝一個(gè)瀏覽器,直接訪問該測(cè)控網(wǎng)站的地址,就可以監(jiān)視遠(yuǎn)程測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作是在服務(wù)器端程序的開發(fā),不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)問題。

6 故障診斷

故障診斷系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)模糊聚類分析法[5]進(jìn)行機(jī)組故障診斷,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力與模糊故障診斷方法相結(jié)合,即利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力來建立征兆和故障集之間的模糊關(guān)系矩陣,再建立故障與征兆的模糊關(guān)系方程,然后用動(dòng)態(tài)ISODATA方法分析機(jī)組振動(dòng)故障原因,再用專家系統(tǒng)反向推理,從而得到可信的結(jié)果。動(dòng)態(tài) ISODATA分析方法適合于水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性分析之優(yōu)點(diǎn)在于它不受先驗(yàn)信息多少的限制,并且故障征兆的提取無需人的干預(yù)。

7 結(jié)束語

開發(fā)基于虛擬儀器的水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng),不僅具有開發(fā)周期短、操作方便、性價(jià)比高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好等特點(diǎn),而且集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、在線數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)與分析診斷于一體,能夠迅速有效地反映水輪發(fā)電機(jī)組的各種狀態(tài)信息,使機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行趨勢(shì)一目了然,其強(qiáng)大的軟件功能為專業(yè)人員進(jìn)行狀態(tài)分析和故障診斷提供了十分方便的工具。

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