榮浩天,朱曉東

(東南大學 火電機組振動國家工程中心,江蘇 南京 210096)

1 前 言

水輪發(fā)電機組是水電站最關鍵的主設備,它的安全運行狀態(tài)直接關系到水電站能否安全、經(jīng)濟地提供可靠的電力。隨著水電機組建設的高速發(fā)展,機組容量和尺寸在逐步增大,比轉(zhuǎn)速也相應提高,機組運行的自動化程度越來越高,無人值班、少人值守、遠程控制的水電廠日益增多,對機組運行穩(wěn)定性的研究日趨重要。國內(nèi)外對水電機組振動的研究表明,許多機組振動的振源來自水輪機,往往由于水輪機振動而限制其運行工況,從而影響機組效益的發(fā)揮。為了提高水輪發(fā)電機組的健康水平和設備完好率,我們所開發(fā)的基于虛擬儀器的水輪機組監(jiān)測及故障振動監(jiān)測系統(tǒng),可對實時采集的數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、趨勢等各種分析,并可以初步判斷機組的運行狀態(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)動實現(xiàn)與測控設備的硬件通信,通過軟件將計算機硬件與儀器硬件有機地融合為一體,把計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起,通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析處理。同其他技術相比,虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢:性能高、擴展性強、開發(fā)時間少和出色的集成性能[1]。

虛擬儀器用計算機軟件代替?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和功能擴展也只需進行相關軟件的設計更新,而不需要增添新的儀器?；谔摂M儀器的監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,具有如下的優(yōu)越性[2]:

(1)開發(fā)和維護費用低;

(2)技術更新周期短(0.5～1年);

(3)軟件是關鍵;

(4)價格低;

(5)開放、靈活與計算機同步,可重復使用和重新配置;

(6)可用網(wǎng)絡聯(lián)絡周邊各儀器;

(7)自動化、智能化、多功能、遠距離傳輸。

3 水輪機組監(jiān)測項目及其測點布置

水輪發(fā)電機組由于體積較大、運行工況的多變性,其監(jiān)測內(nèi)容也相當復雜,包括穩(wěn)定性監(jiān)測、發(fā)電機空氣間隙監(jiān)測、發(fā)電機磁場強度監(jiān)測、空化噪聲監(jiān)測、局部放電監(jiān)測等多項內(nèi)容,其中穩(wěn)定性監(jiān)測是水電廠最為注重的內(nèi)容。由于條件限制,所設計的水輪機組監(jiān)測診斷系統(tǒng)以穩(wěn)定性監(jiān)測為主。

監(jiān)測內(nèi)容包括[3-4]:

(1)大軸軸線姿態(tài)。通過對各導軸承擺度的監(jiān)測,可對大軸軸線姿態(tài)的優(yōu)劣作出分析判斷,包括監(jiān)測大軸彎曲、法蘭連接不對中、法蘭螺栓松動等。

(2)導軸承狀態(tài)。通過對各導軸承處擺度、各機架振動,以及各導軸承油溫、瓦溫的監(jiān)測,評價各導軸承狀態(tài),判斷可能存在的缺陷,如軸瓦間隙不勻、導軸承不對中、潤滑不良、碰磨等。

(3)過流部件狀態(tài)。通過對頂蓋振動、壓力及脈動的監(jiān)測,分析判斷機組是否存在渦帶振動過大、機械與水力共振、導葉關閉不嚴、轉(zhuǎn)輪結構不對稱等過流部件缺陷。

現(xiàn)以某水電站 210MW混流式水輪機為例說明。為保證水輪發(fā)電機組安全運行,該機組共布置有 43個測點,包括 1個轉(zhuǎn)速/鍵相信號、8個擺度量、20個振動量、11個壓力脈動信號、8個發(fā)電機空氣間隙信號等。轉(zhuǎn)速/鍵相信號和擺度信號采用一體式渦流傳感器(北京波譜公司,型號為 85811-01+85745-01A-K)測量,振動量測量采用低頻速度傳感器(上海歐丹儀器電子有限公司,型號為OD9300),采用壓力變送器測量壓力脈動(長沙盛恩,型號為 NMPM 480S)。其他工藝量從機組現(xiàn)有的二次儀表的輸出端子上拾取。

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

4 系統(tǒng)硬件構成

監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要由采集振動(包括擺度、振動位移、壓力脈動等)、相位及轉(zhuǎn)速的傳感器、高性能數(shù)據(jù)采集卡、現(xiàn)場監(jiān)測工作站、數(shù)據(jù)庫服務器、故障診斷服務器和工程師站等組成。系統(tǒng)圖見圖1。

現(xiàn)場采集監(jiān)測工作站由工控機、高速 A/D數(shù)據(jù)采集卡組成。工控機選用臺灣研華 IPC-610/P42.0G。轉(zhuǎn)速和振動信號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?，F(xiàn)場采集監(jiān)測子系統(tǒng)具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、報警和數(shù)據(jù)存儲等功能。采集的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)絡存儲在數(shù)據(jù)庫服務器,當網(wǎng)絡中斷時,數(shù)據(jù)存入本地硬盤,網(wǎng)絡恢復正常后由服務器調(diào)用。

遠程監(jiān)控及故障診斷工作站放置于廠監(jiān)測診斷中心或廠設備管理人員和技術人員的值班室。它選用臺灣研華 IPC-610H/P42.8G工控機,操作平臺為 W indows2000,監(jiān)視軟件采用 LabVIEW 8.0開發(fā)。遠程監(jiān)視計算機調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),將機組的運行狀態(tài)遠程實時再現(xiàn),可以使有關人員及時了解機組的運行信息;同時,遠程監(jiān)測計算機可以對現(xiàn)場采集監(jiān)測參數(shù)進行遙控。

5 系統(tǒng)功能及遠程監(jiān)測

5.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)軟件主要由采集監(jiān)測軟件和網(wǎng)絡傳輸、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、實時監(jiān)測、啟停機分析、數(shù)據(jù)管理、診斷助手、運行日志和幫助 7個模塊(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,從基本的數(shù)學函數(shù)到高級分析庫適合于分析設備故障診斷中的平穩(wěn)信號及瞬態(tài)信號,用戶可以根據(jù)需要綜合使用,可以有效捕捉水輪機運行中的故障信息。這些功能包括:波形分析(時基圖分析)、相關分析、頻譜分析(幅值譜、功率譜)、倒頻譜分析、選頻細化分析、軸心軌跡分析、多通道波形頻譜、統(tǒng)計特征分析、回歸分析、高精度幅值頻譜和功率頻譜、高精度對數(shù)功率頻譜、時域細化分析、聚類分析。

(1)系統(tǒng)管理。進行軟件系統(tǒng)的測點參數(shù)組態(tài),對監(jiān)測采集系統(tǒng)的各種關鍵參數(shù)進行設置。

(2)實時監(jiān)測。對水輪機組運行狀況進行監(jiān)測,對采集到的數(shù)據(jù)進行頻譜分析、軸心軌跡分析、全息譜分析,并對異常報警和事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進行記錄與追憶。

(3)啟、停機分析。監(jiān)測水輪機啟、停機過程中的瞬態(tài)變化,包括 bode圖分析、極坐標圖分析、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、定時間間隔采樣存盤和手動采樣存盤。數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫服務器中。

(4)數(shù)據(jù)管理。對時域波形數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、異常記錄數(shù)據(jù)庫等進行生成、查詢及備份等操作,對異常報警和事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進行記錄與追憶。

(5)診斷助手。包括動平衡計算、大軸擺度計算和故障診斷。故障診斷方法基于模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法,在機組出現(xiàn)異常時,應用診斷模塊可以提供初步的診斷結論,結合系統(tǒng)的其它精密分析手段可進一步實現(xiàn)對故障的確診,為設備的預知維修提供指導性建議。智能自動診斷模塊具有自學習功能,隨著在現(xiàn)場的進一步使用,系統(tǒng)將提高故障識別的準確率。

(6)運行日志。對機組所有通道生成日報表、月報表,內(nèi)容包括各測點的最大 /最小值、平均值、報警次數(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)絡化振動狀態(tài)監(jiān)測與實現(xiàn)

遠程監(jiān)測和診斷的特點是測試數(shù)據(jù)、分析方法和診斷知識的網(wǎng)絡共享。因此,必須使診斷技術的核心部分(如信號采集、信號處理和分析)能夠在網(wǎng)絡上遠程運行?；?Web的虛擬儀器的益處是明顯的,用于設備監(jiān)測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服務器上安裝虛擬儀器,可使當前用于工廠的冗余儀器精簡到最小。通過 Web的交互式維護變得容易。軟件正是結合了 LabVIEW的 DataSocket技術以及 Web數(shù)據(jù)庫技術,實現(xiàn)了振動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸以及基于 B/S結構的遠程故障監(jiān)測功能。

DataSocket是 National Instrument提供的一種網(wǎng)絡傳輸技術,它建立在 TCP/IP協(xié)議的基礎上,而不用進行復雜的底層 TCP編程,就可以通過計算機網(wǎng)絡向多個遠端的終端同時廣播現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)。DataSocket技術專門為滿足測試與自動化的需求而設計,不必像 TCP/IP編程那樣把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非結構化的字節(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是一個小巧的獨立運行的程序,發(fā)布數(shù)據(jù)的程序通過它進行數(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服務器可以在網(wǎng)絡上發(fā)布 LabVIEW程序前面板的圖像或 HTML(HypertextMarkup Language,超文本鏈接標示語言)文件供本地或遠程計算機瀏覽;還可以在網(wǎng)絡上打開其他計算機內(nèi)存中的 LabVIEW程序面板。隨著網(wǎng)絡信息管理系統(tǒng)向 Internet/Intranet的遷移,出現(xiàn)了WWW技術與數(shù)據(jù)庫技術相結合的 Web數(shù)據(jù)庫應用,即 Brow se/Server瀏覽器/服務器計算模型。Browse/Server結構模式是在傳統(tǒng) Client/Server結構模式的基礎上發(fā)展形成的,它將 Web技術與數(shù)據(jù)庫技術相結合,擴展了 C/S模式的分布計算特性,實現(xiàn)了動態(tài) Web應用。因此,本振動監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S模式。采用這種網(wǎng)絡模式,用戶端只需安裝一個瀏覽器,直接訪問該測控網(wǎng)站的地址,就可以監(jiān)視遠程測點的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作是在服務器端程序的開發(fā),不存在客戶端程序的開發(fā)和維護問題。

6 故障診斷

故障診斷系統(tǒng)采用動態(tài)模糊聚類分析法[5]進行機組故障診斷,將神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力與模糊故障診斷方法相結合,即利用神經(jīng)網(wǎng)絡強大的自學習能力來建立征兆和故障集之間的模糊關系矩陣,再建立故障與征兆的模糊關系方程,然后用動態(tài)ISODATA方法分析機組振動故障原因,再用專家系統(tǒng)反向推理,從而得到可信的結果。動態(tài) ISODATA分析方法適合于水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性分析之優(yōu)點在于它不受先驗信息多少的限制,并且故障征兆的提取無需人的干預。

7 結束語

開發(fā)基于虛擬儀器的水輪發(fā)電機組監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),不僅具有開發(fā)周期短、操作方便、性價比高、可擴展性強、工作穩(wěn)定性好等特點,而且集實時數(shù)據(jù)采集與處理、在線數(shù)據(jù)分析與存儲、監(jiān)測與分析診斷于一體,能夠迅速有效地反映水輪發(fā)電機組的各種狀態(tài)信息,使機組的運行狀態(tài)和運行趨勢一目了然,其強大的軟件功能為專業(yè)人員進行狀態(tài)分析和故障診斷提供了十分方便的工具。

[1]楊樂平,李海濤,趙勇,等.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2]National Instruments.Using LabV IEW to CreatM ultithreaded V Is for Maxium Performance and Reliability,2000.

[3]王海.水輪發(fā)電機組狀態(tài)檢修技術[M].北京:中國電力出版社,2004.

[4]馬震岳,董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[5]陳鐵華,陳啟卷.模糊聚類分析在水電機組振動故障診斷中的應用[J].中國電機工程學報,2002,22(3):43-47.