吉慶偉，王業(yè)宇，黃毅，吉擁平，王秋華

(1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷，223800；2.鈦能科技股份有限公司，南京，210000)

引言

劉老澗泵站是南水北調(diào)東線第五梯級泵站，設計流量150m3/s，裝機4臺套，每臺37.5m3/s。2019年進行加固改造。為了監(jiān)測機組的穩(wěn)定性，在改造過程中，安裝了機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測機組大軸擺度、機架振動、葉輪的外殼振動、水導軸承的振動數(shù)據(jù)以及機組的溫度、氣隙等，可以發(fā)現(xiàn)各種參數(shù)的變化規(guī)律及其發(fā)展趨勢，借助于歷史數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)可以及早發(fā)現(xiàn)機組隱患。利用云平臺實現(xiàn)大量水泵機組的大數(shù)據(jù)分析能有效提高準確率，確保機組處于安全運行狀態(tài)，提高了設備管理效率，為調(diào)水、擋洪發(fā)揮更大作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

振動在線監(jiān)測系統(tǒng)通過在線監(jiān)測機組的振動、擺度、溫度、運行電流，并通過時域、頻域等分析方法，提取設備相關(guān)特征，并與相關(guān)標準進行比較，給出機組的健康狀態(tài)描述。如果超出相關(guān)的標準，則給予運行管理者以告警提示，對于超標原因，給出可能的來源。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號分析模塊、智能預警模塊、智能診斷模塊、預測性維護管理平臺構(gòu)成，具體模塊構(gòu)成如表1所示。

1.1 數(shù)據(jù)感知模塊

將機組的振動信號轉(zhuǎn)變成計算機可以處理的電信號，為系統(tǒng)處理基礎單元，是進行振動分析的基礎。為了準確將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號，我們選用高可靠性的傳感器，其具有動態(tài)特性好、頻響范圍寬、工作溫度量程大、多場合使用、測量范圍寬、信號分辨率高、響應速度快、抗干擾能力強、不受油污介質(zhì)影響的特點，為電機水泵振動在線監(jiān)測系統(tǒng)可靠運行打下了堅實的基礎。而溫度及電氣量則來源于其他LCU設備，大大減少了設備成本。在傳感器選定的情況下，其安裝位置及安裝方式，也能直接影響到系統(tǒng)的整體性能。在劉老澗泵站，我們選用了進口傳感器，監(jiān)測電動機機架、葉輪、水泵頂蓋、水導軸承的振動，泵軸的擺度等。劉老澗泵站在電動機機架、葉輪外殼、水泵頂蓋、水導軸承的振動以及大軸的擺渡上安裝了相應的傳感器作為感知模塊。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊可以將傳感器送出的模擬信號轉(zhuǎn)變成計算機可以識別的二進制數(shù)字信號，便于分析與保存。為了保證模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的過程中信息不失真，同時采樣的數(shù)字信號能夠反映振動信號的本質(zhì)，采樣頻率fs≥2fh(fh為振動信號中的最高頻率)。系統(tǒng)在設計時采用了最合適的采樣頻率，既保證了頻率采樣的真實性，也保證了設備的成本在合理范圍內(nèi)。為了便于分析，所有的振動信號需要同步采樣，這樣，進行相關(guān)性分析時才能準確反映振動的時序。本系統(tǒng)中針對機組暫態(tài)過程(包括瞬態(tài))，振動、擺度和壓力脈動采用連續(xù)采樣方式，采樣頻率為1kHz；空氣間隙采用連續(xù)采樣方式，采樣頻率為12.8kHz。

1.3 信號分析模塊

信號分析的方法為時域分析和頻域分析。信號分析前，對數(shù)據(jù)的合理性進行鑒別，剔除采樣的異常數(shù)據(jù)，提取信號的特征值，如最大值、最小值、峰值、有效值等。同時通過頻域分析法，分析信號中可能包含各次諧波的幅值、相位。一般情況下，導軸承的間隙、支架的松動、裂紋等故障，會通過機組機架的振動、導軸承的擺度、水泵葉輪外殼的振動，水導軸承擺度及其支撐機架的振動信號反映出來，結(jié)合溫度、電氣量等數(shù)據(jù)，則可以準確判斷相關(guān)故障狀態(tài)。

1.4 智能預警模塊

智能預警模塊主要實現(xiàn)報警閾值的設定，模塊具備四種報警閾值設定，具體如下：

(1)根據(jù)標準進行配置，主要依據(jù)是ISO標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準等；

(2)沒有標準參考，基于統(tǒng)計模型的自適應閾值預警；

(3)趨勢增長判斷，基于回歸算法的趨勢增長率預警；

(4)變工況設備，基于數(shù)據(jù)建模的的多變量建模預警。

1.5 智能診斷模塊

智能診斷模塊主要包括機理模型和機器學習模型兩種智能判斷方式。機理模型主要依據(jù)理論知識、專家經(jīng)驗進行建模，在模型建立之初機組工況較為良好，有著較高的準確率。但隨著設備的長時間運行，外部環(huán)境變化，且更新周期慢，故障判斷的準確率會不斷降低。通過一定案例的積累后，需要建立機器學習模型，隨著案例的增加，準確率會逐漸提升。

圖1 智能診斷模型進化

1.6 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)存儲和管理策略是振動在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術(shù)。機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是實時監(jiān)測系統(tǒng)，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法滿足機組狀態(tài)的要求。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要的功能定位于管理靜態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)性，而機組在線監(jiān)測系統(tǒng)需要時刻不斷地產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫無法大量存儲這些數(shù)據(jù)。另一方面，關(guān)系數(shù)據(jù)庫的查詢功能無法滿足時序動態(tài)數(shù)據(jù)的查詢要求。關(guān)系數(shù)據(jù)庫雖然能夠高效地檢索多表之間的關(guān)鍵字關(guān)聯(lián)信息，但是對單個數(shù)據(jù)容量太大的表，其信息檢索性能會大大降低。結(jié)合現(xiàn)場的實際經(jīng)驗來看，若需長時間存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)并且獲取較高的檢索效率，最佳方案是采用“實時數(shù)據(jù)庫”。實時數(shù)據(jù)庫在進行定制深度設計后，既可以滿足大容量存儲，又可以保證快速存取及檢索，同時，還可以提供開放的數(shù)據(jù)接口，便于其他系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和調(diào)用。

實時數(shù)據(jù)庫存儲機組當前的所有振動、擺度、壓力脈動、氣隙、工況參數(shù)和過程量參數(shù)，包括特征數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)。

歷史存儲庫存儲經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮后的機組正常運行的數(shù)據(jù)，供用戶分析機組長期運行后機組的狀態(tài)變化。歷史數(shù)據(jù)庫采用實時歷史數(shù)據(jù)庫進行管理，可保留最近2個月內(nèi)的所有原始數(shù)據(jù)以及最近10年內(nèi)經(jīng)過壓縮的原始數(shù)據(jù)，存儲間隔為不間斷存儲，可最大限度地保證機組所有歷史信息不丟失。

1.7 預測性維護管理平臺

系統(tǒng)可以通過自動和人工兩種方式來采集不同工況下的壓力、壓力脈動、振動和擺度等穩(wěn)定性運行數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)提供的各種專用分析工具分析不同流量對機組運行穩(wěn)定性的影響，分析水力因素對水泵運行穩(wěn)定性的影響以及水壓脈動與水泵振動的關(guān)聯(lián)性，并作為機組安全運行的重要技術(shù)依據(jù)。通過對機組運行穩(wěn)定性特性的在線監(jiān)測可直觀反映和真實記錄機組的實際運行情況，為將來制定機組的優(yōu)化運行和穩(wěn)定運行區(qū)域積累必要的資料。此外，通過必要的試驗取得的數(shù)據(jù)資料，可為機組在發(fā)生不利情況下采取相應的對策提供科學的決策依據(jù)，極大地縮短處理問題的時間。

2 系統(tǒng)功能

機組狀態(tài)在線分析系統(tǒng)具備良好的開放性、擴展性、智能診斷與處理能力以及大規(guī)模數(shù)據(jù)管理和深層次數(shù)據(jù)挖掘能力。該系統(tǒng)具有強大的系統(tǒng)整合和數(shù)據(jù)接入能力，實現(xiàn)了設備管理分層可視化。同時高度的開放性，則實現(xiàn)了與信息管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)等工程運行管理相關(guān)系統(tǒng)的無縫對接，為泵站實現(xiàn)優(yōu)化運行和狀態(tài)檢修提供全方位的技術(shù)支持，具有較強的針對性和實用性。主要功能如下。

2.1 實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)實時監(jiān)測功能可實現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集站、服務器顯示器以及相關(guān)用戶終端上以數(shù)值、曲線、圖表等各種形式同步監(jiān)視機組當前的運行狀態(tài)，分層次地顯示出機組的各種狀態(tài)信息，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測功能。

系統(tǒng)提供多種分析手段，可用于分析機組在穩(wěn)態(tài)運行過程和暫態(tài)過程中系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)，以評價機組在穩(wěn)態(tài)運行時和暫態(tài)過程中的狀態(tài)變化，以幫助用戶及時掌握機組的運行狀況以便及時發(fā)現(xiàn)故障。

系統(tǒng)可實時同步采集機組振動、擺度、壓力脈動等相關(guān)工況參數(shù)數(shù)據(jù)，以結(jié)構(gòu)示意圖、棒圖、表格、實時趨勢等形式實時顯示所監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)，并能在線顯示振動、擺度、壓力脈動等快變參數(shù)的波形、頻譜圖，擺度軸心軌跡圖等。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可提供時域波形分析、頻域分析、軸心軌跡圖、多軸心軌跡圖、空間軸線圖、瀑布圖、極坐標圖、級聯(lián)圖、軸心位置圖、趨勢分析、啟停機曲線等專業(yè)分析工具，分析機組在穩(wěn)態(tài)運行和暫態(tài)運行時的振動擺度數(shù)據(jù)，以評價機組動穩(wěn)態(tài)特性。

圖2 3#機組瀑布圖

2.2 報警和預警功能

系統(tǒng)可提供二級報警功能，報警參數(shù)及定值大小均可設置，報警邏輯和延遲時間可組態(tài)。當設定的狀態(tài)監(jiān)測量參數(shù)超過設定限值后系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)了報警/預警平臺，提供實時的機組報警信息一覽表，從中可方便瀏覽到機組的報警信息。當機組出現(xiàn)報警/預警或系統(tǒng)模塊出現(xiàn)故障時，報警平臺窗口將自動彈出，并以醒目的顏色變化引起相關(guān)人員的注意，同時系統(tǒng)還可以根據(jù)相關(guān)報警信息提供相應的處理意見和可能的故障原因。所有報警事件均會自動存儲，用戶可通過事件列表調(diào)取事件記錄。系統(tǒng)所有報警信息還可以短信形式發(fā)布到相關(guān)人員的手機上。

2.3 趨勢分析功能

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供完備的趨勢分析功能，可以分析系統(tǒng)監(jiān)測的振動、擺度、壓力及脈動、空氣間隙和荷重等參量的所有特征參數(shù)、工況參數(shù)以及從監(jiān)控通訊過來的過程量參數(shù)的趨勢變化。趨勢分析功能包含實時趨勢分析功能、歷史趨勢分析功能和相關(guān)趨勢分析功能。

實時趨勢分析供運行人員及時掌握機組最新的運行狀態(tài)及瞬態(tài)過程的特征。圖3是以線方式展示的劉老澗泵站4#機組的振動趨勢圖。

圖3 以線方式展示的振動趨勢分析

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可提供完備的相關(guān)分析功能，可對系統(tǒng)長期自動積累的機組不同工況下的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)進行分析，自動形成各種特性曲線。相關(guān)趨勢分析功能可以分析任意兩個或多個參數(shù)之間的相互關(guān)系，其中橫軸和縱軸可任意選定，時間段可任意設定，既可以以時間作為坐標軸，也可以選擇某一過程參數(shù)作為坐標軸，為查找故障原因提供分析手段。通過各性能曲線可掌握機組振動區(qū)，幫助機組優(yōu)化運行。利用各種專業(yè)分析工具，生成機組動、穩(wěn)態(tài)性能的試驗報告和各種特性曲線。

圖4 以點方式展示的振動趨勢分析

2.4 性能試驗和性能評估

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在設計時充分考慮了泵組性能試驗的需要，并做出了相關(guān)針對性的設計。機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)采集的轉(zhuǎn)速、負荷等工況參數(shù)，自動判斷機組的運行工況，并自動存儲試驗期間的所有數(shù)據(jù)。每次試驗完畢后，機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠自動分析和處理相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，提取相關(guān)量化分析數(shù)據(jù)和曲線，利用系統(tǒng)提供的自動狀態(tài)分析報告軟件，可以簡便地生成各種性能試驗報告。

利用系統(tǒng)長期自動積累的機組不同工況下數(shù)據(jù)和系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)提供的各種分析工具，可以動態(tài)評估機組的動、穩(wěn)態(tài)性能；利用多維相關(guān)趨勢分析功能可生成機組穩(wěn)定性參數(shù)和轉(zhuǎn)速、負荷、揚程之間的相互關(guān)系性能曲線，為了解機組特性和查找故障原因提供直接依據(jù)。系統(tǒng)能通過自動或人工輔助完成與機組狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)相關(guān)的各種現(xiàn)場試驗。

通過機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供的性能曲線自動生成工具，用戶不需復雜的操作即可獲得機組各種動穩(wěn)態(tài)性能的特性曲線，曲線包括但不限于如下：

(1)振動、擺度、壓力脈動隨負荷瀑布圖；

紅腫漸漸地消除了，可那種癢癢并沒有消失，相反有加劇的感覺。毛辣子似乎消失了，取而代之的則是螞蟻，成群結(jié)隊的螞蟻，從脖子上到整個身子就像有無數(shù)螞蟻爬一樣，又癢又痛，難受死了。那時候，他還真的去掏過螞蟻窩，把一泡熱辣辣的尿撒到螞蟻窩里面，那尿液帶著咸味夠它們受的，他還拿根樹枝一陣亂攪，攪成水泥漿那種樣子，那些螞蟻幾乎被他折磨死了，現(xiàn)在想起來，真的造了不少的殺孽，罪過！罪過！

(2)振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙連續(xù)波形分析圖；

(3)振動、擺度、壓力脈動、荷重、空氣間隙隨負荷變化曲線；

(4)振動、擺度、壓力脈動、荷重、空氣間隙隨轉(zhuǎn)速變化曲線；

(5)振動、擺度、壓力脈動、荷重、空氣間隙隨揚程變化曲線；

(6)瓦溫、油溫變化曲線。

機組開機過程與惰性停機過程轉(zhuǎn)速變化特性采用級聯(lián)圖的方式來放映。級聯(lián)圖是描述泵組變轉(zhuǎn)速過程中振動頻譜變化情況，主要用于分析啟停機過程振動頻譜的演變過程。功能操作與瀑布圖基本一致。

2.5 狀態(tài)報告自動生成

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)配套提供一套實用的自動狀態(tài)分析報告生成軟件，可以自動生成各種狀態(tài)分析報告，便于用戶方便地了解和掌握機組的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)機組的狀態(tài)檢修和優(yōu)化運行。系統(tǒng)可根據(jù)需要對狀態(tài)監(jiān)測運行報表(日報、月報)進行定制，并可以按時間自動生成。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動狀態(tài)分析報告生成軟件結(jié)合了機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)自動診斷技術(shù)和相關(guān)分析工具，可自動根據(jù)設定的狀態(tài)報告分析模板選取相關(guān)的數(shù)據(jù)，進行相應的計算并提取特征數(shù)據(jù)，同時根據(jù)特征數(shù)據(jù)給出相應的處理意見。相關(guān)結(jié)果將以現(xiàn)場人員易于理解和接受的文字、表格、曲線和圖形方式嵌套在定制的狀態(tài)報告分析模板中，形成自動狀態(tài)分析報告。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動狀態(tài)分析報告采用與Word等標準處理程序兼容的文件格式存儲，可以提供全面反映機組動穩(wěn)態(tài)特性和機組各部件運行狀態(tài)的變化數(shù)據(jù)，無需用戶繁瑣地操作即可得到完整的報告。狀態(tài)報告單的格式及內(nèi)容還可根據(jù)泵站機組特點由業(yè)主定制開發(fā)。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動狀態(tài)分析報告可根據(jù)設定的周期由軟件自動生成，也可人工啟動。選用自動生成模式時，系統(tǒng)提供的每個狀態(tài)分析報告能自動選取滿足條件的最新一個或一批數(shù)據(jù)進行分析，并生成報告；選用人工啟動模式時，系統(tǒng)默認選用最新的滿足條件的數(shù)據(jù)，人工還可以根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)選擇界面挑選最新的或以前的歷史數(shù)據(jù)生成狀態(tài)分析報告。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動生成的狀態(tài)分析報告全面兼容Word格式，用戶可方便地利用Word等標準處理程序?qū)ζ溥M行二次編輯。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所提供所有監(jiān)測和分析界面都可轉(zhuǎn)換成圖形或表格進行存儲。

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)均可以以Excel表格數(shù)據(jù)的形式進行存儲。

3 發(fā)展方向

現(xiàn)行的機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以通過時域和頻域的方法對機組的振動狀態(tài)進行監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)機組的振動狀態(tài)、振動頻譜，根據(jù)國家對機組振動監(jiān)測的標準，可以為機組提供基本的狀態(tài)評估，判定機組是否處于安全運行狀態(tài)。如果僅僅將振動監(jiān)測系統(tǒng)用來判斷機組是否處于運行狀態(tài)，那么監(jiān)測系統(tǒng)的意義就不能充分展現(xiàn)出來。振動監(jiān)測系統(tǒng)需要將大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、專家系統(tǒng)技術(shù)應用起來，通過振動監(jiān)測，精準定位機組的故障，尋找機組可能出現(xiàn)問題的原因，這是機組振動監(jiān)測系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。

第一、需要建立、豐富維護數(shù)據(jù)庫。這是振動監(jiān)測系統(tǒng)精準定位故障的基本條件，沒有這個數(shù)據(jù)庫，振動監(jiān)測系統(tǒng)要做到精準定位就成了無源之水，無本之木。機組的故障種類很多，呈現(xiàn)出來的振動狀態(tài)千差萬別，需要在維護過程中，持續(xù)、準確完善數(shù)據(jù)庫，記錄故障狀態(tài)、振動特征以及他們的對應關(guān)系。

第二、要加強溝通交流。現(xiàn)場人員需要與設備廠家加強交流，保證維護數(shù)據(jù)庫的準確性?，F(xiàn)場人員經(jīng)驗多，振動監(jiān)測系統(tǒng)的廠家有較多的理論水平，需要將理論和實際經(jīng)驗結(jié)合起來，維護數(shù)據(jù)才能準確。在機組出現(xiàn)異常狀態(tài)后，現(xiàn)場運行維護人員不僅僅需要對異常情況進行了解，還需要找到機組故障的原因。對于一般性故障，現(xiàn)場運行維護人員可根據(jù)數(shù)據(jù)判定故障原因，而對于非一般性故障，則需要專業(yè)的技術(shù)人員來幫助分析判斷。

第三、維護數(shù)據(jù)庫需要實時、共享、分類。各設備廠家的專業(yè)人員的維護記錄是一份寶貴的資料，若能建立一套完善的維護數(shù)據(jù)庫，結(jié)合泵站自動化信息系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和故障報警數(shù)據(jù)庫，形成專業(yè)的在線分析平臺，則可以為機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供堅實可靠的理論依據(jù)。該平臺可以和各種在線監(jiān)測系統(tǒng)相連，實現(xiàn)維護數(shù)據(jù)庫共享。與平臺相連的每個系統(tǒng)，可以及早發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。同時在解決的過程中形成新的數(shù)據(jù)庫，并持續(xù)更新相關(guān)數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫變得更豐富和詳盡，提高系統(tǒng)診斷的預見性和可靠性，從而使監(jiān)測系統(tǒng)真正變成故障診斷系統(tǒng)。

4 結(jié)語

振動在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，將發(fā)展成為具有綜合診斷功能的專業(yè)型系統(tǒng)。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)具備了更好的理論支撐，各種振動狀態(tài)的監(jiān)測精度及故障診斷效率必將得到更大的提高，實現(xiàn)準確率更高的故障預警，能創(chuàng)新機組維護模式從定期維護到預防性維護的轉(zhuǎn)變，為泵站機組的可靠運行提供最大的安全保障。