概述

隨著信息技術(shù)的進(jìn)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(jù)自己的設(shè)備特點(diǎn)，探索“運(yùn)行狀態(tài)檢修”策略，即運(yùn)用機(jī)組在線監(jiān)測技術(shù)，在對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，主要以設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，根據(jù)科學(xué)分析的結(jié)果來安排檢修項(xiàng)目和時(shí)間，以達(dá)到既能確保設(shè)備運(yùn)行安全，又能最大限度地提高電站經(jīng)濟(jì)效益的目的。

   通過安裝機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，靈活運(yùn)用監(jiān)測和分析手段，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的問題。對(duì)故障進(jìn)行性發(fā)展的機(jī)組，實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測；對(duì)個(gè)別故障嚴(yán)重發(fā)展的機(jī)組，及早實(shí)施停機(jī)檢修，將事故消滅于萌芽狀態(tài)，做到防患于未然；而對(duì)運(yùn)行狀態(tài)良好的機(jī)組，可避免強(qiáng)迫性檢修，延長機(jī)組大修周期，減少大修費(fèi)用；對(duì)突發(fā)性故障，監(jiān)測系統(tǒng)能自動(dòng)記錄下故障過程的完整數(shù)據(jù)資料，通過監(jiān)測系統(tǒng)提供的分析工具進(jìn)行及時(shí)分析，就可以迅速找到故障原因，最終解決問題。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)長期積累的大量數(shù)據(jù)也為今后設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝與運(yùn)行提供了有力的參考，便于改進(jìn)和提高。

而在電廠進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝配置，是實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。由于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)一般放置在機(jī)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(jù)的實(shí)時(shí)可靠采集。我們根據(jù)水電廠的實(shí)際需求，應(yīng)用NI公司數(shù)據(jù)采集的PXI硬件平臺(tái)和LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套水電機(jī)組遠(yuǎn)程在線監(jiān)測分析系統(tǒng)（HM9000 2.0系統(tǒng)），該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了NI公司高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數(shù)據(jù)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(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)抗環(huán)境惡劣性、實(shí)時(shí)性和長期穩(wěn)定運(yùn)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(kuò)展)設(shè)備， 是一種堅(jiān)固的基于PC的測量和自動(dòng)化平臺(tái)，PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)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(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)，因此系統(tǒng)全線采用其PXI系列產(chǎn)品。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于不同用戶對(duì)水電機(jī)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(wǎng)的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。同組態(tài)監(jiān)測軟件不同的是，這種擴(kuò)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(yīng)電廠不同的基礎(chǔ)條件。

水電遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)雖然是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，但鑒于電廠對(duì)數(shù)據(jù)安全性和可靠性較高的要求，采用了本地版（Local Mode）和遠(yuǎn)程版（Remote Mode）相結(jié)合的模式，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或出現(xiàn)問題時(shí)，現(xiàn)地仍可以進(jìn)行監(jiān)測分析顯示，并能保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連續(xù)可靠存儲(chǔ)。與完全基于web網(wǎng)頁技術(shù)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(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化以后，過于依賴網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的問題。

監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)器層和客戶層，硬件分別包括信號(hào)傳感器、采集機(jī)柜（集成PXI采集設(shè)備）、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)測系統(tǒng)客戶端等幾個(gè)部分。

首先，安裝在機(jī)組各個(gè)部位的傳感器將信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)旁控制室的采集機(jī)柜，采集機(jī)柜的本地采集軟件即時(shí)分析保存數(shù)據(jù)，并通知本地入庫程序讀取本地?cái)?shù)據(jù)；同時(shí)，采集機(jī)柜將經(jīng)過分析處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)其整理儲(chǔ)存，以便定期提供機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)日志、信號(hào)趨勢和異常信息等。

電廠局域網(wǎng)內(nèi)所有用戶和連接在互聯(lián)網(wǎng)上的用戶，只要擁有管理和查看權(quán)限，就可以通過監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程版瀏覽、查詢、分析數(shù)據(jù)服務(wù)器上的機(jī)組最新狀態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)要適應(yīng)電廠復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，必須具有良好的硬件平臺(tái)；同時(shí)又要利于開發(fā)人員進(jìn)行模塊化擴(kuò)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(duì)于采集平臺(tái)的良好支持，而且采集部分有NI-DAQ驅(qū)動(dòng)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(jìn)行后續(xù)開發(fā)，其開發(fā)軟件采用了LabVIEW 8.2。

硬件平臺(tái)采用了PXI 1031機(jī)箱、PXI8185嵌入式控制器和PXI6229多功能M系列采集卡。PXI 1031通用機(jī)箱采用了4個(gè)擴(kuò)展槽，支持3U PXI模塊，自動(dòng)溫控風(fēng)扇速度，經(jīng)過高加速壽命試驗(yàn)（HALT），可在50°C環(huán)境中無風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行。集成PXI 1031機(jī)箱的采集機(jī)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(chǎn)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(wǎng)及其他外設(shè)，采用了256MB SDRAM內(nèi)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(jīng)安裝好Windows操作環(huán)境和驅(qū)動(dòng)程序，不需要額外添加系統(tǒng)軟件購置費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中證明該配置能滿足本地?cái)?shù)據(jù)采集軟件的硬件需求。

目前信號(hào)測點(diǎn)數(shù)目為32個(gè)通道，因此采用一塊PXI6229 M系列采集卡進(jìn)行信號(hào)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(tái)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(jié)合較好，采集部分采用LabVIEW開發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并顯示基本的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息。界面如下圖所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集程序界面

數(shù)據(jù)采集程序充分考慮了采集程序的可擴(kuò)展性，可以通過選擇界面進(jìn)行采集卡的增加，以便監(jiān)測更多的機(jī)組項(xiàng)目。采集程序?qū)^來的信號(hào)進(jìn)行分析判斷，確認(rèn)傳感器信號(hào)是否有誤。采集通道出錯(cuò)的信號(hào)通道紅色顯示，以便在現(xiàn)地提醒運(yùn)行人員。32通道信號(hào)經(jīng)過采集后保存成波形文件，文件每2秒鐘更新一次。

擴(kuò)展分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)采用了Delphi編程開發(fā)工具，基于TCP/IP的遠(yuǎn)程連接模式，其中本地入庫軟件安裝在PXI 8185控制器中，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)入庫。其中，LabVIEW開發(fā)的本地采集軟件與Delphi開發(fā)的本地?cái)?shù)據(jù)入庫程序的交互模式，采用了本地采集軟件調(diào)用Windows API發(fā)送消息，提醒本地入庫程序更新數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件采用BS（瀏覽器/服務(wù)器）和CS（客戶端/服務(wù)器）結(jié)合的模式，用戶既可以直接打開網(wǎng)頁，連接Web服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，也可以安裝客戶端，進(jìn)行更加復(fù)雜的遠(yuǎn)程分析和監(jiān)測。

測點(diǎn)配置

測點(diǎn)的選取是水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，測點(diǎn)數(shù)量多少及布置的合理性將直接影響信號(hào)采集的真實(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的分析、診斷的可信度。系統(tǒng)在總結(jié)水電機(jī)組測試、電站運(yùn)行自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)眾多專家現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組本身的設(shè)計(jì)、運(yùn)行性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終選擇了具有代表性、能準(zhǔn)確捕捉設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測點(diǎn)。測點(diǎn)名稱和采集信號(hào)數(shù)據(jù)如下圖所示：

表1 系統(tǒng)測點(diǎn)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(jīng)濟(jì)價(jià)值，既取決于其在電廠的應(yīng)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(hào)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的監(jiān)測系統(tǒng)，根本無法為電廠運(yùn)行或檢修提供分析依據(jù)，最終只會(huì)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(wù)，因此每次的檢修工作，都會(huì)對(duì)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(shí)甚至?xí)M(jìn)行相關(guān)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(gè)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝階段的信號(hào)調(diào)節(jié)和硬件率定模塊軟件，基于LabVIEW良好的人機(jī)界面控件，和集成DAQ驅(qū)動(dòng)后簡易的數(shù)據(jù)采集編程，能夠讓電廠人員，在最短時(shí)間內(nèi)熟悉傳感器的率定和信號(hào)檢測任務(wù)，從而大大保證了采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jī)組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，是通過實(shí)用而有效的功能定位和開放式的構(gòu)成體系，分步、分塊有計(jì)劃逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)組全狀態(tài)監(jiān)測的藍(lán)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(dòng)波形圖、振動(dòng)棒圖、軸心軌跡圖、效率曲線等，以2～5s的速度即時(shí)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(gè)傳感器實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)，并且給出機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和基本參數(shù)，如果有報(bào)警信息，對(duì)應(yīng)的通道數(shù)據(jù)會(huì)變紅報(bào)警，并且狀態(tài)欄顯示當(dāng)前所有的報(bào)警信息；

圖4 系統(tǒng)主監(jiān)視圖

振動(dòng)波形圖：詳細(xì)顯示當(dāng)前選定信號(hào)的實(shí)時(shí)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(jù)導(dǎo)出；

振動(dòng)棒圖：將所有的監(jiān)測信號(hào)，用棒條圖的形式顯示出來，可以更直觀的看到各個(gè)信號(hào)的大?。?/p>

軸心軌跡圖：根據(jù)水輪機(jī)組上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算并顯示出實(shí)時(shí)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(jī)組的k值，所以根據(jù)差壓傳感器測的差壓值得到指數(shù)流量，再結(jié)合實(shí)測水頭值、發(fā)電機(jī)功率等數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前時(shí)刻的機(jī)組相對(duì)效率，并以動(dòng)態(tài)點(diǎn)的形式，顯示在效率曲線中。圖示如下：

圖6 機(jī)組效率監(jiān)測界面

監(jiān)測系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的離線數(shù)據(jù)分析功能，提供一套完整的分析工具，可以對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測到的信息進(jìn)行深入、全面的分析，從而輔助找到機(jī)組潛在問題的實(shí)質(zhì)。它也是發(fā)現(xiàn)機(jī)組長期運(yùn)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(yùn)行人員及時(shí)掌握機(jī)組最新的運(yùn)行狀態(tài)及瞬態(tài)過程的特征。

通過提供實(shí)時(shí)趨勢分析和瀑布圖分析，可以幫助運(yùn)行人員及時(shí)掌握機(jī)組最新的運(yùn)行狀態(tài)及瞬態(tài)過程的特征，并可對(duì)頻率、相位、峰峰值等各種參數(shù)輸出趨勢曲線，也可按時(shí)間、功率、水頭和運(yùn)行工況等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(guān)趨勢分析功能，可以分析任意兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系，其中橫軸和縱軸可任意選定，時(shí)間段可任意設(shè)定，既可以以時(shí)間作為坐標(biāo)軸，也可以選擇某一過程參數(shù)作為坐標(biāo)軸。如振動(dòng)擺度和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、水頭、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓之間的相互關(guān)系，為查找故障原因提供分析手段。

總結(jié)

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，將本地和遠(yuǎn)程監(jiān)測相結(jié)合，通過完善和可靠的狀態(tài)監(jiān)測軟件，以及強(qiáng)大實(shí)用的數(shù)據(jù)分析工具，為水電廠的設(shè)備狀態(tài)檢修提供一個(gè)高效、智能化的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)平臺(tái)。

隨著設(shè)備監(jiān)測手段和技術(shù)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(xiàng)長期而艱巨的工作，現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息的積累也需要一個(gè)長期的過程，我們需要結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和水輪機(jī)試驗(yàn)技術(shù)，揚(yáng)長避短的綜合各種方法，在充分總結(jié)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)展監(jiān)測系統(tǒng)的功能，最終為推進(jìn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修而努力。