王富超

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司，云南 麗江 650228）

水電機(jī)組中單機(jī)容量的不斷提升以及“無人值班”的推廣實施，在很大程度上對發(fā)電機(jī)組的檢修方面提出了更高的要求，以往傳統(tǒng)的維修體制已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化的維護(hù)需求，需要于現(xiàn)代化設(shè)備和技術(shù)相結(jié)合，依靠信息技術(shù)從根本上解決設(shè)備維修中存在的不足問題，使設(shè)備的運(yùn)行效率得到顯著提升。

1 水電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 實時監(jiān)測

在系統(tǒng)的實施監(jiān)測模塊中，主要是對測點的分布情況、數(shù)據(jù)采集、實時顯示等方面進(jìn)行監(jiān)測。在測點的布置方面，需要選擇一些較為典型的測點，不但要考慮到監(jiān)測機(jī)組中的最大振動、擺動部位等，還需要體現(xiàn)出機(jī)組的工作量、工作情況等環(huán)境參數(shù)，為后續(xù)的故障推測提供極大的便利。在水電機(jī)組的運(yùn)行中，可能會受到現(xiàn)場較強(qiáng)的電磁波影響，使測量出的擺度、振動等結(jié)果受到干擾信號的影響，使其準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響，對此，需要對信號濾波中的干擾信號進(jìn)行過濾。

1.2 信號分析

對振動信號進(jìn)行分析主要包括頻域、時域、時差域、空間幾個方面。在頻域方面，對整個周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使FFT進(jìn)行變換，通過頻譜分析的下限要求，能夠得出低頻的水力因素；通過頻譜分析的上限要求，能夠得出高頻電氣因素。在時域信號方面，通過對實時數(shù)據(jù)變化圖進(jìn)行顯示，能夠?qū)Σ糠謹(jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計。在時差域方面，通過對變量之間的變化情況進(jìn)行描述，能夠?qū)ψ宰兞慨a(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，因此在一定程度上能夠反映出故障產(chǎn)生的原因。在相位分析方面，主要包括不同測點之間信號產(chǎn)生的相位差以及單個測點信號在不同的時間變化下產(chǎn)生的相位差。

1.3 故障診斷

在人工智能領(lǐng)域當(dāng)中，專家系統(tǒng)屬于其中活躍度較強(qiáng)的部分。在監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，規(guī)則庫與推理機(jī)二者處于相互分離的狀態(tài)，也就是一旦某個專業(yè)的數(shù)據(jù)庫或者推理機(jī)制被建成以后，該系統(tǒng)便能夠?qū)υ擃I(lǐng)域中的不同情況進(jìn)行處理，只需要對相應(yīng)的知識元進(jìn)行修改即可，其他推理機(jī)制可以不隨之發(fā)生改變，由此展示出系統(tǒng)具有強(qiáng)大的靈活性與適應(yīng)性。主要的推理步驟為：首先，專家系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫查找到故障征兆，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成便于推理機(jī)理解的參數(shù)，主要包括均值、偏度、方差、峭度、頻率分量值等，然后利用正反雙向混合的方式進(jìn)行推理，按照前提條件進(jìn)行推理，如若推測出的結(jié)論不具備確定性，考慮到運(yùn)行中的歷史特征，也就是對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。例如振動振幅能夠隨著轉(zhuǎn)速的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變，然后在逐步向下推理，如若得出的結(jié)論不正確，需要將一些用戶信息補(bǔ)充其中。例如將軸心軌跡圖的形狀補(bǔ)充其中，以此來完善推理過程，直至最終得出故障產(chǎn)生的原因。

2 振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在本文所研究的系統(tǒng)當(dāng)中，主要由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)所測量信號的不同，可以將傳感器組劃分為速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等，按照實際需求，將其安裝在水電機(jī)組的各個部位。傳感器組能夠?qū)λ姍C(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，包括壓力脈動、振動、擺度、有功功率等，并且將上述物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、脈沖信號、電流等多種形式，然后將其傳輸給下位機(jī)。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括振動監(jiān)測與故障診斷兩個模塊，在振動監(jiān)測模塊當(dāng)中，主要對機(jī)組當(dāng)前的振動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，包括軸心軌跡、波形顯示、棒圖等；故障診斷模塊中能夠通過對機(jī)組振動特征的監(jiān)測，確定出故障的產(chǎn)生類型，進(jìn)而對故障問題進(jìn)行分析。在下位機(jī)系統(tǒng)中，主要以TMS320F2812為主控芯片，對24路模擬信號與8路開關(guān)量進(jìn)行采集，所采集到的信號首先經(jīng)過調(diào)理電路濾波進(jìn)行擴(kuò)大，然后經(jīng)過A/D裝換成數(shù)字信號，最終傳輸給上位機(jī)。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與水電機(jī)組部件相互關(guān)聯(lián)，對機(jī)組在運(yùn)行過程中的擺度、振動、壓力、油壓、轉(zhuǎn)速等信號進(jìn)行收集，系統(tǒng)主要包括A/D模塊、DSP模塊、D/A模塊、CPLD模塊等，結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖

（1）A/D模塊。在A/D模塊中能夠完成模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的過程包括量化編碼與采樣，在本文所研究的系統(tǒng)當(dāng)中，A/D轉(zhuǎn)換芯片為MAX1168芯片，該芯片具有8通道模擬輸入，分辨率為16位、性能較高、功耗較低，能夠充分滿足系統(tǒng)在采樣與轉(zhuǎn)換速率方面的要求。

（2）通信模塊。該模塊主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的通信，該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式，通過TCP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要芯片為W1500網(wǎng)口芯片，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性能、成本較低。支持10/100Mbps數(shù)據(jù)傳輸，在內(nèi)部集成了IP協(xié)議，使用戶的開發(fā)流程得到有效的精簡，同時也降低了DSP的負(fù)擔(dān)。

（3）DSP模塊。屬于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心內(nèi)容，主要功能是對系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制、數(shù)據(jù)處理等，主要由DSP芯片以及外圍電路構(gòu)成。該系統(tǒng)采用TMS320F2812作為主芯片，具備三個獨立的32位的CPU定時器，56個獨立編程的GPIO引腳，工作主頻可達(dá)150MHz。在外圍支持電路中，包括復(fù)位電路、時鐘電路、電源電路等功能，能夠有效的輔助DSP，向其中提供電源、復(fù)位信號、時鐘信號等等。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化編輯，主要開發(fā)平臺是C++，具有多種圖形顯示功能能，夠?qū)C(jī)組振動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并且對簡單的故障問題進(jìn)行判斷，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)見圖3。

2.3.1 數(shù)據(jù)通信模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架圖

該模塊主要作用是實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信與傳輸。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信，通過TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在IP協(xié)議當(dāng)中，共包括兩種傳輸協(xié)議，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP與傳輸控制協(xié)議TCP，其中TCP協(xié)議主要是針對于數(shù)據(jù)連接方面，并且具備超時重傳、擁塞控制等功能，能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性。而UDP協(xié)議主要是針對非連接，更加側(cè)重于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。在C++平臺當(dāng)中，Internet組件中對Winsock編程接口進(jìn)行封裝，為網(wǎng)絡(luò)編程提供便利，其中ServerSocket控件代表了服務(wù)器，通過對該控件屬性進(jìn)行設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)通信端口等基本設(shè)置，通過對時間事件進(jìn)行響應(yīng)，能夠?qū)⒎?wù)器與客戶端相連接，實現(xiàn)請求、數(shù)據(jù)傳輸、斷開等功能。

2.3.2 分析設(shè)置模塊

該模塊主要功能分為以下幾個方面。

（1）“通道設(shè)置”主要是對圖形類別、通道名稱、窗函數(shù)類別、校正譜線數(shù)等。

（2）“機(jī)組轉(zhuǎn)速信息源”主要是對機(jī)組轉(zhuǎn)速的獲取方式進(jìn)行選擇，通常情況下，通過獲取鍵相信號來獲取到機(jī)組的轉(zhuǎn)速，在本文所研究的系統(tǒng)中，主要通過“DI4”對通道信號進(jìn)行測量。

（3）“FFT點數(shù)”主要對每次FFT計算點數(shù)進(jìn)行選擇，其中“自定義”代表由用戶所自定義FFT計算點數(shù)，“自動”代表的是由系統(tǒng)按照機(jī)組轉(zhuǎn)動周期對數(shù)據(jù)點數(shù)進(jìn)行計算。

（4）“顏色設(shè)置”主要用來對波形的顏色進(jìn)行調(diào)整。對于不同類型的圖形來說，用戶可以選擇多種顏色，也可以直接使用系統(tǒng)缺省值。

2.3.3 故障診斷模塊

先對振動信號頻譜進(jìn)行分析，將其中各頻率分量幅值進(jìn)行提取，計算各個幅值的隸屬度。通過人機(jī)對話的方式獲取系統(tǒng)各個部位振動情況。然后將上述信息所對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣相乘，在多元擴(kuò)展原則的基礎(chǔ)上，對振動故障的隸屬度值進(jìn)行計算。最后根據(jù)隸屬度值對故障類型進(jìn)行判斷。

3 結(jié)語

綜上所述，振動故障屬于水電機(jī)組中十分常見的故障類型，對機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對水電站的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大的不利影響。對此，應(yīng)對水電機(jī)組的振動故障進(jìn)行有效的監(jiān)測，并且通過C++開發(fā)平臺，對機(jī)組振動監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，使其能夠保障水電機(jī)組的安全順利運(yùn)行。