鄒紅美 唐鴻儒 嚴(yán)國斐

(揚(yáng)州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，揚(yáng)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(diào)水以及城鄉(xiāng)供水、工業(yè)供水、航運(yùn)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(yùn)行狀況是否完好，將直接影響到整個系統(tǒng)的效益.泵站機(jī)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(shè)備的二次損壞，甚至災(zāi)難性事故，而且?guī)齑鎮(zhèn)浼矔沟猛顿Y增多;后者會導(dǎo)致過剩維修，過剩維修則會導(dǎo)致維修費(fèi)用增加，引起人為維修故障，而且意外停機(jī)也會引起泵站機(jī)組的損壞.因此，對泵站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是十分必要的.

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，狀態(tài)檢修得到了越來越多的重視和研究，國內(nèi)外的研究者也不乏其人［3-5］.目前，火力發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jīng)用于國內(nèi)多座水電站的狀態(tài)監(jiān)測，它通過多種傳感器采集數(shù)據(jù)，并提供連續(xù)、在線監(jiān)測功能.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司的TN8000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)，已成功運(yùn)用于三峽左岸電站和電源電站的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測，為三峽電廠評估機(jī)組狀態(tài)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障.由清華大學(xué)研制的“水電機(jī)組狀態(tài)檢測與故障診斷研究與應(yīng)用”已在30余家水電站得到了成功應(yīng)用和推廣，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.但是，由于大型水泵機(jī)組的自身特點(diǎn)，這些系統(tǒng)并不完全適用于水泵機(jī)組，對大型泵站機(jī)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(jù)泵站的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路和各類高精度傳感器為硬件，以LabWindows/CVI為現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，以Measurement studio為遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器的軟件平臺的大型泵站機(jī)組遠(yuǎn)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(jī)組的狀態(tài)參數(shù)，如振動測量(如推力瓦、導(dǎo)軸瓦等)、擺度測量、鍵相位測量以及轉(zhuǎn)速測量等等;②能對監(jiān)測信號進(jìn)行幅值域分析、時域分析、頻譜分析等，并根據(jù)給定的限值進(jìn)行報(bào)警;③ 能按照預(yù)定的策略進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲與查詢功能;④數(shù)據(jù)采集過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備狀態(tài)，及時進(jìn)行錯誤報(bào)警;⑤能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并提供遠(yuǎn)程狀態(tài)分析等平臺.

1 硬件組成和體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求規(guī)劃并設(shè)計(jì)的硬件部分主要由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)四部分組成，其中數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)均嵌在PXI-1042系統(tǒng)中，如圖1所示.傳感器負(fù)責(zé)采集泵站機(jī)組的各種信號量，如振動信號、擺度信號、鍵相信號、轉(zhuǎn)速信號等，并轉(zhuǎn)換為模擬量(電壓、電流等)，然后經(jīng)信號調(diào)理器的放大、隔離、濾波等處理后送入數(shù)據(jù)采集卡完成采樣和量化，變成計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)字量，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理，得到泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)硬件組成

圖2為大型泵站機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)采用Browser/Server模式，由現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶計(jì)算機(jī)三部分組成:

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

2)遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器 負(fù)責(zé)發(fā)布現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果等等，包括用戶登錄、與現(xiàn)場的通信、數(shù)據(jù)分析與處理、按需刷新實(shí)時數(shù)據(jù)以及查看某一時刻的歷史數(shù)據(jù).

圖2 遠(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測平臺體系結(jié)構(gòu)圖

3)遠(yuǎn)程客戶計(jì)算機(jī) 為客戶瀏覽現(xiàn)場所有機(jī)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(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)

對系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了總體規(guī)劃，將系統(tǒng)分為2個部分:現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器.

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)

以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，規(guī)劃并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、信號預(yù)處理、信號分析、數(shù)據(jù)存儲以及與遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶的通信等程序，下面詳細(xì)介紹這6個模塊的設(shè)計(jì).

圖3 現(xiàn)場監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)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(shè)置、通道設(shè)置、通道對設(shè)置和非測量參數(shù)設(shè)置，完成采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣通道、增益大小、觸發(fā)方式、存儲方式、傳感器技術(shù)指標(biāo)等參數(shù)的設(shè)置.

2)數(shù)據(jù)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(nèi)完成特定采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)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(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)采集方式.

數(shù)據(jù)采集過程中，為了確保在采樣點(diǎn)數(shù)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(zhuǎn)速信號，將轉(zhuǎn)速頻率的256倍作為振動信號的采樣頻率，并用轉(zhuǎn)速信號來觸發(fā)對振動信號的采樣，從而獲得轉(zhuǎn)速和振動的整周期采樣數(shù)據(jù).

3)信號預(yù)處理

在實(shí)際信號采集過程中，現(xiàn)場各種因素的影響會導(dǎo)致實(shí)際信號里含有高頻干擾，而且采集的信號經(jīng)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(jīng)兩次積分后將出現(xiàn)偏移，故需對信號進(jìn)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(zhì)量.

4)信號分析

由傳感器采集的信號包含了水泵機(jī)組狀態(tài)的大量信息，是信號分析的最初信息源.在泵站機(jī)組中，低頻隨機(jī)信號是機(jī)組運(yùn)行的固有特點(diǎn)，而且反映機(jī)組設(shè)備運(yùn)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(shè)備的信號分析功能，而且還應(yīng)具備有自己特點(diǎn)的信號分析功能.如圖3所示，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制、遺傳算法等先進(jìn)理論和方法方面，尚未形成可用的函數(shù)，故利用ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)LabWindows/CVI與matlab的混合編程，從而揚(yáng)長避短，很方便的實(shí)現(xiàn)信號的分析功能.該技術(shù)中，matlab作為ActiveX自動化服務(wù)器，通過調(diào)用matlab ActiveX提供的驅(qū)動庫與matlab進(jìn)行交互.利用LabWindows/CVI提供的Create ActiveX Automation Control的開發(fā)向?qū)?，利用matlab ActiveX服務(wù)器生成所有接口函數(shù)的調(diào)用語句，并建立CVI驅(qū)動器形式的函數(shù)面板供用戶使用.

5)數(shù)據(jù)存儲與回放

數(shù)據(jù)保存是將采集到的數(shù)據(jù)以txt格式文件儲存到指定文件夾中.本系統(tǒng)采用三種數(shù)據(jù)存儲方式:手動存儲、定時存儲以及按轉(zhuǎn)速存儲.當(dāng)轉(zhuǎn)速正常時，按時間間隔采集;當(dāng)升、降速時，按轉(zhuǎn)速變化間隔采集.為方便查詢，文件以當(dāng)前系統(tǒng)時間命名.另一方面，系統(tǒng)能夠讀取已存儲的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行后期的觀察和分析.

6)與遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器的通信

Web服務(wù)器采用對TCP/IP協(xié)議底層高度封裝的Network Variable通信技術(shù)，該技術(shù)提供的參數(shù)簡單友好，能夠接收和發(fā)送各種技術(shù)(OPC、FTTP、FTP或其他網(wǎng)絡(luò)的Network Variable，包括Internet)提供的數(shù)據(jù)，用戶可以像使用LabWindows/CVI中的其他數(shù)據(jù)類型一樣使用Network Variable讀寫字符串、整形數(shù)、布爾量及數(shù)組數(shù)據(jù)等.

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中的Network Variable一般處于偵聽狀態(tài)，服務(wù)器首先注冊網(wǎng)絡(luò)變量讀事件(CNVCreateSubscriber())，當(dāng)遠(yuǎn)程用戶有連接請求時，調(diào)用DataCallback回調(diào)函數(shù)，建立TCP連接，并解析客戶端的請求，最后服務(wù)器響應(yīng)客戶端的請求并將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，斷開連接.

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

1)Web服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器端軟件利用NI公司的Measurement studio 8.0開發(fā)，首先Web服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)客戶的請求選擇實(shí)時數(shù)據(jù)查看或者歷史數(shù)據(jù)查看;其次利用軟件自帶的分析工具，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，完成對數(shù)據(jù)的分析處理功能;最后將分析結(jié)果以WebPages(網(wǎng)頁)形式進(jìn)行發(fā)布，呈現(xiàn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測;②遠(yuǎn)程用戶操作權(quán)限表環(huán)節(jié)，不同級別的用戶有不同的操作權(quán)限;③由于本系統(tǒng)采用了MS組件技術(shù)，用戶無需下載安裝特定的ActiveX控件，避免了不良程序的風(fēng)險(xiǎn).

在對信號分析的過程中，利用matlab這一功能強(qiáng)大的工具軟件，實(shí)現(xiàn)信號的極坐標(biāo)圖分析、凝聚函數(shù)分析等復(fù)雜的功能.利用matlab將對應(yīng)的.m文件生成COM組件，然后用Measurement studio調(diào)用COM組件，通過傳參數(shù)的方式加以復(fù)用.該方法調(diào)用方便，生成的COM組件易于修改、擴(kuò)展性好，利于系統(tǒng)的升級，而且系統(tǒng)運(yùn)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(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問Web服務(wù)器獲得現(xiàn)場的數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，完成了遠(yuǎn)程泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)，并通過一系列實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)的功能.將轉(zhuǎn)速信號和振動信號分別通過計(jì)數(shù)器0通道和模擬量輸入0通道送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)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(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖

圖5 遠(yuǎn)程客戶端的頻譜圖

圖4為現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖，圖中右側(cè)上部分的為采樣信號的波形圖，右側(cè)下部分為對應(yīng)的頻譜圖，左側(cè)為對應(yīng)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(xiàn)給用戶，方便用戶分析機(jī)組狀態(tài).圖5為遠(yuǎn)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(xiàn)在頻率為50和100 Hz附近，這與圖4中的頻譜圖結(jié)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(shù)據(jù)分析和Web服務(wù)功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)語

本系統(tǒng)根據(jù)大型泵站狀態(tài)監(jiān)測的功能需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了泵站機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測軟件和遠(yuǎn)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(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測Web服務(wù)器系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該平臺可以使得運(yùn)行操作人員通過Internet隨時隨地監(jiān)視泵站的運(yùn)行工況，提高水利工程的運(yùn)行維護(hù)水平，合理配置人力資源，同時對水利工程的運(yùn)行管理模式的改變起著積極的推動作用.

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