概述

隨著信息技術的進步和制造工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的水電站正在根據自己的設備特點，探索“運行狀態(tài)檢修”策略，即運用機組在線監(jiān)測技術，在對機組運行狀態(tài)進行分析的基礎上，主要以設備的實際運行狀態(tài)為依據，根據科學分析的結果來安排檢修項目和時間，以達到既能確保設備運行安全，又能最大限度地提高電站經濟效益的目的。

   通過安裝機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，靈活運用監(jiān)測和分析手段，可以及時發(fā)現(xiàn)機組存在的問題。對故障進行性發(fā)展的機組，實施重點監(jiān)測；對個別故障嚴重發(fā)展的機組，及早實施停機檢修，將事故消滅于萌芽狀態(tài)，做到防患于未然；而對運行狀態(tài)良好的機組，可避免強迫性檢修，延長機組大修周期，減少大修費用；對突發(fā)性故障，監(jiān)測系統(tǒng)能自動記錄下故障過程的完整數(shù)據資料，通過監(jiān)測系統(tǒng)提供的分析工具進行及時分析，就可以迅速找到故障原因，最終解決問題。同時，監(jiān)測系統(tǒng)長期積累的大量數(shù)據也為今后設備的設計、制造、安裝與運行提供了有力的參考，便于改進和提高。

而在電廠進行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝配置，是實現(xiàn)機組狀態(tài)檢修的基礎。由于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據采集平臺一般放置在機組單元控制室或安放在現(xiàn)地，系統(tǒng)必須具有較好的抗振和抗干擾能力，才能保證數(shù)據的實時可靠采集。我們根據水電廠的實際需求，應用NI公司數(shù)據采集的PXI硬件平臺和LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設計開發(fā)了一套水電機組遠程在線監(jiān)測分析系統(tǒng)（HM9000 2.0系統(tǒng)），該系統(tǒng)綜合應用了NI公司高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數(shù)據采集硬件模塊和高可靠性的LabVIEW開發(fā)軟件，不僅滿足了水電機組監(jiān)測系統(tǒng)對抗環(huán)境惡劣性、實時性和長期穩(wěn)定運行的要求，也極大縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。

NI公司的PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展)設備， 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺，PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性。這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺，因此系統(tǒng)全線采用其PXI系列產品。

結構設計

由于不同用戶對水電機組監(jiān)測系統(tǒng)的要求也不盡相同，監(jiān)測系統(tǒng)采用了基于因特網的可擴展結構。同組態(tài)監(jiān)測軟件不同的是，這種擴展性不僅體現(xiàn)在監(jiān)測功能的自由定制組合上，還體現(xiàn)在能滿足不同的現(xiàn)場環(huán)境需求，最大限度適應電廠不同的基礎條件。

水電遠程監(jiān)測系統(tǒng)雖然是遠程網絡監(jiān)測系統(tǒng)，但鑒于電廠對數(shù)據安全性和可靠性較高的要求，采用了本地版（Local Mode）和遠程版（Remote Mode）相結合的模式，在網絡環(huán)境不佳或出現(xiàn)問題時，現(xiàn)地仍可以進行監(jiān)測分析顯示，并能保證實時數(shù)據的連續(xù)可靠存儲。與完全基于web網頁技術的監(jiān)測系統(tǒng)相比，擁有更高的可靠性，有效克服了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網絡化、遠程化以后，過于依賴網絡環(huán)境的問題。

監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據層、服務器層和客戶層，硬件分別包括信號傳感器、采集機柜（集成PXI采集設備）、數(shù)據庫服務器、監(jiān)測系統(tǒng)客戶端等幾個部分。

首先，安裝在機組各個部位的傳感器將信號實時數(shù)據傳輸?shù)綑C旁控制室的采集機柜，采集機柜的本地采集軟件即時分析保存數(shù)據，并通知本地入庫程序讀取本地數(shù)據；同時，采集機柜將經過分析處理的實時數(shù)據送往數(shù)據服務器，數(shù)據服務器對其整理儲存，以便定期提供機組運行狀態(tài)日志、信號趨勢和異常信息等。

電廠局域網內所有用戶和連接在互聯(lián)網上的用戶，只要擁有管理和查看權限，就可以通過監(jiān)測系統(tǒng)遠程版瀏覽、查詢、分析數(shù)據服務器上的機組最新狀態(tài)數(shù)據。

系統(tǒng)結構如下圖所示：

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

平臺設計

監(jiān)測系統(tǒng)要適應電廠復雜的運行環(huán)境，必須具有良好的硬件平臺；同時又要利于開發(fā)人員進行模塊化擴展開發(fā)，因此必須具有良好的軟件開發(fā)支持。由于LabVIEW開發(fā)軟件對于采集平臺的良好支持，而且采集部分有NI-DAQ驅動程序的支持，能在保證采集部分穩(wěn)定性的情況下，較方便的進行后續(xù)開發(fā)，其開發(fā)軟件采用了LabVIEW 8.2。

硬件平臺采用了PXI 1031機箱、PXI8185嵌入式控制器和PXI6229多功能M系列采集卡。PXI 1031通用機箱采用了4個擴展槽，支持3U PXI模塊，自動溫控風扇速度，經過高加速壽命試驗（HALT），可在50°C環(huán)境中無風險運行。集成PXI 1031機箱的采集機柜位于電廠廠房，因此必須有較好的耐溫和抗振能力，PXI 1031能較好的滿足此需求。

基于產品總體成本考慮，系統(tǒng)采用了中等配置的PXI 8185嵌入式控制器，該控制器集成了硬盤、USB、以太網及其他外設，采用了256MB SDRAM內存和1.2GHz Inter Celeron處理器，能夠通過PXI Advisor配置完整的PXI系統(tǒng)，而且控制器已經安裝好Windows操作環(huán)境和驅動程序，不需要額外添加系統(tǒng)軟件購置費用。在實際應用中證明該配置能滿足本地數(shù)據采集軟件的硬件需求。

目前信號測點數(shù)目為32個通道，因此采用一塊PXI6229 M系列采集卡進行信號采集。該采集卡采用了4路16位模擬輸出和最高48位數(shù)字輸出。

系統(tǒng)軟件平臺的開發(fā)采用了采集和分析監(jiān)測分離的模式，由于LabVIEW跟底層硬件結合較好，采集部分采用LabVIEW開發(fā)，進行數(shù)據采集和存儲，并顯示基本的數(shù)據狀態(tài)信息。界面如下圖所示：

圖2 數(shù)據采集程序界面

數(shù)據采集程序充分考慮了采集程序的可擴展性，可以通過選擇界面進行采集卡的增加，以便監(jiān)測更多的機組項目。采集程序對過來的信號進行分析判斷，確認傳感器信號是否有誤。采集通道出錯的信號通道紅色顯示，以便在現(xiàn)地提醒運行人員。32通道信號經過采集后保存成波形文件，文件每2秒鐘更新一次。

擴展分析和遠程監(jiān)測平臺采用了Delphi編程開發(fā)工具，基于TCP/IP的遠程連接模式，其中本地入庫軟件安裝在PXI 8185控制器中，實現(xiàn)本地數(shù)據入庫。其中，LabVIEW開發(fā)的本地采集軟件與Delphi開發(fā)的本地數(shù)據入庫程序的交互模式，采用了本地采集軟件調用Windows API發(fā)送消息，提醒本地入庫程序更新數(shù)據庫中實時數(shù)據，進而實現(xiàn)遠程實時在線監(jiān)測。

遠程監(jiān)測軟件采用BS（瀏覽器/服務器）和CS（客戶端/服務器）結合的模式，用戶既可以直接打開網頁，連接Web服務器，進行遠程在線監(jiān)測，也可以安裝客戶端，進行更加復雜的遠程分析和監(jiān)測。

測點配置

測點的選取是水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵問題，測點數(shù)量多少及布置的合理性將直接影響信號采集的真實性和整個系統(tǒng)的分析、診斷的可信度。系統(tǒng)在總結水電機組測試、電站運行自動化領域內眾多專家現(xiàn)場試驗經驗的基礎上，結合機組本身的設計、運行性能和結構特點，最終選擇了具有代表性、能準確捕捉設備狀態(tài)的監(jiān)測點。測點名稱和采集信號數(shù)據如下圖所示：

表1 系統(tǒng)測點表

硬件率定

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可用性以及給電廠帶來的經濟價值，既取決于其在電廠的應用程度和使用人員的專業(yè)水平，也取決于硬件系統(tǒng)的采集可靠性。試想一下，一套采集信號數(shù)據不準確甚至錯誤的監(jiān)測系統(tǒng)，根本無法為電廠運行或檢修提供分析依據，最終只會在現(xiàn)場荒廢或被拆卸掉。但現(xiàn)階段而言，水電廠每年都有例行的檢修任務，因此每次的檢修工作，都會對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝的傳感器有一定程度的影響，有時甚至會進行相關傳感器的拆卸和再安裝工作。

因此，我們采用LabVIEW 8.2開發(fā)了整個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝階段的信號調節(jié)和硬件率定模塊軟件，基于LabVIEW良好的人機界面控件，和集成DAQ驅動后簡易的數(shù)據采集編程，能夠讓電廠人員，在最短時間內熟悉傳感器的率定和信號檢測任務，從而大大保證了采集系統(tǒng)的數(shù)據可靠性。軟件具體界面如下所示：

圖3 傳感器率定界面

系統(tǒng)功能

水電發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)的設計構思，是通過實用而有效的功能定位和開放式的構成體系，分步、分塊有計劃逐步實現(xiàn)機組全狀態(tài)監(jiān)測的藍圖。系統(tǒng)在功能上突出了監(jiān)測、查詢和分析三部分，其中監(jiān)測部分包括主監(jiān)視圖、振動波形圖、振動棒圖、軸心軌跡圖、效率曲線等，以2～5s的速度即時刷新。功能介紹如下：

主監(jiān)視圖：用形象的圖示方法，給出了監(jiān)測系統(tǒng)中各個傳感器實時傳回的數(shù)據，并且給出機組當前的運行狀態(tài)和基本參數(shù)，如果有報警信息，對應的通道數(shù)據會變紅報警，并且狀態(tài)欄顯示當前所有的報警信息；

圖4 系統(tǒng)主監(jiān)視圖

振動波形圖：詳細顯示當前選定信號的實時波形，區(qū)別于靜態(tài)的曲線圖片，這里的波形可以自由放大縮小和數(shù)據導出；

振動棒圖：將所有的監(jiān)測信號，用棒條圖的形式顯示出來，可以更直觀的看到各個信號的大??；

軸心軌跡圖：根據水輪機組上導擺度、下導擺度、水導擺度的實時數(shù)據，計算并顯示出實時的軸心軌跡圖，如圖4所示；

圖5 軸心軌跡功能界面

效率曲線圖：由于事先不知道機組的k值，所以根據差壓傳感器測的差壓值得到指數(shù)流量，再結合實測水頭值、發(fā)電機功率等數(shù)據，得到當前時刻的機組相對效率，并以動態(tài)點的形式，顯示在效率曲線中。圖示如下：

圖6 機組效率監(jiān)測界面

監(jiān)測系統(tǒng)還具有強大的離線數(shù)據分析功能，提供一套完整的分析工具，可以對系統(tǒng)監(jiān)測到的信息進行深入、全面的分析，從而輔助找到機組潛在問題的實質。它也是發(fā)現(xiàn)機組長期運行后的狀態(tài)變化和查找慢變劣化故障的有力工具，以利于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。

通過提供實時趨勢分析和瀑布圖分析，可以幫助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，并可對頻率、相位、峰峰值等各種參數(shù)輸出趨勢曲線，也可按時間、功率、水頭和運行工況等參數(shù)進行數(shù)據檢索后生成趨勢曲線。

圖7 三維瀑布圖界面

監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供完善的相關趨勢分析功能，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。如振動擺度和轉速、負荷、水頭、勵磁電流、勵磁電壓之間的相互關系，為查找故障原因提供分析手段。

總結

水電機組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測為基礎，將本地和遠程監(jiān)測相結合，通過完善和可靠的狀態(tài)監(jiān)測軟件，以及強大實用的數(shù)據分析工具，為水電廠的設備狀態(tài)檢修提供一個高效、智能化的運行狀態(tài)評價平臺。

隨著設備監(jiān)測手段和技術的提高，從現(xiàn)在的狀態(tài)監(jiān)測到以后的狀態(tài)檢修，是一項長期而艱巨的工作，現(xiàn)場數(shù)據和信息的積累也需要一個長期的過程，我們需要結合計算機技術和水輪機試驗技術，揚長避短的綜合各種方法，在充分總結運行維護經驗的基礎上，繼續(xù)發(fā)展監(jiān)測系統(tǒng)的功能，最終為推進機組實現(xiàn)狀態(tài)檢修而努力。