泵站智慧巡检系统建设实践

李 扬 张 宇

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

目前，智慧巡检机器人应用于国内外各行各业，如国内高压输电线路自主巡检机器人[1]、高压变电站室内巡检机器人[2]、煤矿瓦斯抽采巡检机器人[3]等已大规模运用。但是，在水利行业泵站巡检机器人的研究运用才刚刚起步。

江都四站装有7台立式液压全调节轴流泵，叶轮直径2.9m，设计扬程7.8m，单机设计流量30m3/s，总抽水能力210m3/s，每台水泵装配3400kW立式同步电动机。随着智能泵站、无人泵站概念的发展，传统的泵站自动化控制系统已经不能满足国家工业4.0的战略方针。传统的自动化报警系统是对电压、电流、温度、开关量等数据进行监控，对设备故障报警，对温度等数据采取越限报警，值班人员接收到报警信息时只能采取停机措施，例如冷却水中断且短时间无法恢复，则必须立即停机。对于大型水利泵站机组，通过数据的趋势分析提前预判，从而对设备进行有计划的日常维护，减少非计划停机将是智慧泵站技术发展的重要方向之一。

通过采集水利泵站机组的振动、电流、电压、频率、转速以及泵组流量和重要部件的温度等数据对设备健康趋势进行预警分析，提供维护提醒是一种科学的并且经过实际项目认证的解决方案，然而传统的技术方案收集这些数据需要大量的信号电缆和电力电缆，对于已建成的泵站若再进行改造其工程量较大，需要大量的返修施工成本，施工周期大大增加的同时影响设备正常开机。

为解决运行中机组振动异常，滑环温度、受油器温度异常升高等隐患，江都四站进行了一系列的相关隐患预防、解决方案的分析、研究、实践，研发完成了由无线测振、巡检机器人、大数据平台等多个子系统模块构成的泵站智慧巡检系统[4]。

1 施工难点分析与创新

首先是数据采集设备的安装难度，传统方法有线式在线实时温度监控系统、振动监测系统，需在泵组需监测部位进行钻孔用于布线，对机组本身的密封性产生一定的破坏，同时增加了工作难度。对于已安装完成的单台泵组，只有在大修期间方可完成上下油缸等部位的钻孔，以及铂热电阻、测振传感器的安装，使整个泵站机组的改造安装施工工期同比增加。其次，滑环是转动部件，碳刷安装空间不够，采用铂热电阻无法测温。传统的方式是通过巡检人员手持红外测温枪每2h巡视一次。再次，受油器是液压调节系统的关键压力调节机构，对受油器的改造难度大，通常需要回厂。

江都四站采取了两种创新方式来解决这些难题：一是智慧巡检机器人，通过红外摄像头对机组需监测部位进行热成像[5]温度数据的采集，有效代替了人工巡检，降低了在每台机组各部位安装有限测温装置所需要的大量人力、物力、资金；二是无线测振系统，辅以钕铁硼强磁铁，实现测振装置半小时全站快速部署，有效减少了时间成本、资金成本。

巡检机器人在电力行业和计算机数据中心领域内的应用已经非常广泛，提供了许多可以借鉴的案例，在泵站使用智慧巡检机器人从技术层面而言完全可以实现。无线测振系统在水利行业暂无使用案例，现场的电磁干扰对于无线测振的影响有多大，无数据可验证。无线测振系统的内置电池使用时间也需要考虑。

2 试验验证

为了验证智慧巡检机器人以及无线测振系统在江都四站电磁干扰环境下通信可靠性，进行了全站7台机组全开、多点位48h连续通信试验。经过多种方式比对，无线信号最终选定了2.4GHz的免费频段，该频段发射功率小，畸变量小，抗电磁兼容性强，有利于复杂环境下的信号传输，并最大限度节省了无线传感器和巡检机器人的耗电量。经实测，即便在水泵层，各台机组间有混凝土墙隔离的情况下，仅需一台数据采集器，即可满足水泵层7台机组共计21个无线测振传感器的通信需要，但距离最远的装置耗电量较大。为此，在每层安装两台数据采集器，在有效保障通信可靠性的同时，降低无线测振传感器的能耗，延长使用时间。经过计算，按照5min采集一次的采样频率，无线测振传感器电池可用两年，如果降低采样频率，电池使用时间相应延长。同时采用非运行期间休眠、运行期自动激活的方式，可进一步延长更换电池或者定期充电的频率，这就使得无线测振装置具备了工程实际运用的可行性。智慧机器人主要运行在电机层，经测量主厂房各部位无线覆盖效果良好，为进一步提高无线通信的可靠性选用了工业级的无线AP作为机器人无线通信专用接入点。

3 系统框架设计

大型泵站结构复杂，信号障碍区多，因此考虑接收和发送传感器的网关设备采用可移动的形式，用以躲避信号阻碍区。数据寄存方式根据巡检时间以及数据量进行科学配置，由于该系统设计为健康趋势预警系统，最终都是考核阶段性数据链，而不是数据点，因此系统可以接受局部延时，如图1所示。巡检机器人可以根据实际采集任务以及外部传感器布置设置巡检路线，也就是说机器人既是一种共享的移动监测和采集设备，又是一种外部无线数据的接收、处理和发送的载体。机器人巡检的过程中，同步接收外部无线传感器数据，收集完毕后，自动选择局域网信号通信良好的地点，通过路由器端把数据送到服务器，在服务器端进行组态，分析、预警等工作。

图1 自动巡检以及无线信号收发装置工作流程

巡检机器人设置为开机自动巡检，如果机组运行信号无法送达机器人，则通过无线振动传感器信号进行联锁控制，当振动数值超过某一设定数值后，自动发出巡检指令，机器人按照设定的路线进行巡检，获取热成像温度值、噪声值以及多普勒测振值等等。如要最大限度提高数值有效率，也可精确联锁到某个任务点，如1号泵振动值大于设定值，那么机器人只需走到1号泵的任务点进行数据采集。

无线传感器的布置以振动传感器为例，考虑无线网关的搭载率，以及现场网络通信状况，选用可拓扑的网关结构，如在电机层、联轴器层、水泵层每层布置两台无线中继器，当网关无法触及传感器信号时，采用在两个元件通信共同白点处安装无线中继以保证信号通信正常。

系统设计重点是整个工业无线局域网的搭建工作，这是智慧水利无线解决方案的基石。搭建无线局域网综合考虑5G商用后对扩展性的要求，选用光纤通信、工业路由器等加强系统的稳定性。因数据需要上传到第三方专家系统进行专业的数据建模分析，用于无线状态监测的网络尽可能和原有的自动化控制网络独立，以保证原工控系统的安全性。

4 泵站智慧巡检机器人

智慧巡检机器人结构如图2所示，主要由功能模块部分(温湿度采集、热成像传感器、高清摄像头)和底盘总成部分(激光导航、行进控制)等组成。

图2 智能巡检机器人结构

4.1 功能模块部分

热成像温度监测模块：该模块在巡检路线过程中对预设的任务点进行温度提取，在江都四站选取了对上油缸、碳刷、集电环、受油器等部位进行热成像拍摄，在服务器端提取所需部位最高温度及平均温度等数值记录在数据库中，将数据与电流、振动数据一起进行对比分析，找出设备运行的基本规律并设置健康预警。当实时温度过高时，立刻输出报警给值班人员。

高清视频监控：在巡检机器人显示屏、中控室服务器显示屏、控制用平板电脑上实时显示巡视检查时的高清视频，便于管理人员了解现场情况。

触摸屏：用于对机器人的控制，并显示传感器所测数值的现地分析、预警情况。当对外网络通信中断时，起到本地服务器功能，确保机器人正常巡检，无线测振装置正常工作。

4.2 底盘总成部分

底盘总成部分包含驱动电机、电池、充电器、控制器、激光导航等主要元器件。激光导航和驱动电机实现闭环控制，首先，根据现场总布置图、原人工巡检路线、手工或者3D扫描绘制出现场的总图以及机器人巡检路线，巡检线路在坐标系内是坐标点的集合线性数组，整个地图扫描存储于导航控制器程序内，从地图程序内巡检路线的坐标集合输出到驱动伺服电机控制器内，控制伺服电机左右转向(电机速度值为0.8m/s)。过程中激光雷达实时反馈信号重复确认是否吻合预设路线坐标点(精确度0.1m)，如果偏差路径延时3s报警，主动根据反馈信号与实际位置信号对比进行伺服电机控制，以修复路径，使机器人重新回到预设轨道，直到回到了预设点集合内后，延时1s，报警自动复位。当巡检路线中遇到障碍时，激光雷达提前预判，内部及时报警并自动进行右侧或者左侧避障，驱动伺服电机自动转向45°，行进时间根据三角函数计算，完成行进时间后，如果雷达报警自动复位，伺服电机反方向45°进行下一个路径循环，直到完成整个巡检过程。自动激光导航工作流程如图3所示。

图3 自动激光导航工作流程

5 无线测振系统

对于全生命周期健康预警分析系统，设备振动是重要的考量参数之一。根据ISO 10816:2000 振动监测评估标准，对于大型旋转机械在非旋转部位测量的振动值有2个考核指标：速度均方根和轴的位移值，其考核参数见表1。

表1 测点考核参数

根据ISO标准的选择传感器类型为测量振动均方根速度的传感器，前期套用ISO标准(见图4)进行衡量，同时记录实时曲线和历史曲线用于判断振动趋势，当系统运行一段时间有实际运行数据支撑后，可进一步提高系统对机组运转状态的判断能力，提高对故障的预判水平。

图4 ISO标准

传感器采用自行设计磁性基座直接固定在上机架(见图5)、叶轮外壳(见图6)的三个方向，以减少结构开孔和施工难度。传感器选择x、z双轴测振传感器，一可降低一半的传感器数量，二可多传感器互为备用，数值互为验证。

图5 电机层安装的无线传感器

图6 水泵层安装的无线传感器

6 系统软件部分设计

软件分为控制部分和数据分析显示部分。两个部分内部结构相对独立，人机交换界面综合成一体，具有很好的扩展性以及逻辑安全性。

控制部分其核心(见图7)是巡检机器人的巡检路线控制以及采集点数据的上传控制，整个软件调用导航控制器和驱动伺服电机的底层API协议。API采用 TCP问答的方式, 机器人作为服务器接受客户端的请求并向客户端作出响应。当机器人状态反馈已经到达任务点后，上位机应该向指定任务模块发出工作命令，当数据完整回传后再发送给机器人到下一个任务点的行走命令。依次循环完成整个巡检路径的检查。

图7 红外摄像界面

数据分析显示部分(见图8)通过modbus/TCP 协议读取无线网关采集的振动温度数据或者其他传感器的压力数据等，通过实时曲线、历史曲线以及FFT、瀑布图计算和显示手段，使操作人员清晰地看到设备健康状态，作出更专业的判断。所有读取的数据应该遵循分别独立存储、综合在线分析的整体思路，以保证原始数据的可再造性和各数据之间的可对比性。发掘数据规律，为后期软件更新升级做好数据基础。

图8 振动信号图形显示界面

智慧巡检机器人通过采集到的实时数据，对异常信号进行提前预警和实时报警。状态量通常采用“双上限报警”，如水导温度是60°C报警，65°C停机。由于机组个性化差异，信号量在低于报警限制时，有相对稳定的特征值，且该值是变化的。数据报警系统(见图9)通过整合、分析数据，在系统中设定信号阈值。若检测到信号量的实时数据偏离特征数据，超过阈值触发异常报警，而此时实时值并未触发国家相关标准的报警，但其状态已不正常，单击图9中报警信号列表，左侧即会显示与该信号关联性最大的前几个信号量(即为主要影响因素)，辅助运行人员诊断决策。

图9 数据处理报警界面

通过对历史数据的查询，并评估其前一段时间的连续数据，预测未来一定时间内哪个信号会报警，真正实现“治之于未乱”。

7 使用效果

智慧巡检机器人通过对泵组的主电机滑环温度、油缸温度实时监测、分析，能及时发现设备异常，进行报警和智能分析，减少设备维修成本，确保工程安全运行和效益充分发挥。此系统同时是一个状态监测解决方案，实现对机组运行状态持续跟踪,帮助运行管理人员掌握水泵机组运行过程中的振动变化趋势，同时帮助泵站机组实现预测性维护，提高巡检自动化程度，远程监测泵站内所有机组的运行状态，协助运行管理人员充分了解机组设备状态。根据大量的机组状态生成“大数据”[6]，为泵站的运营优化和能耗优化提供实测数据。

a.重点巡检部位多次巡检。巡检设备可以根据现场管理需要设置巡检周期。实现了全过程高清可视化巡检、全局红外测温，通过对可见光和红外视频的录制与分析，以机器人代替了人工巡检的部分工作。对重点巡检部位，可提高巡检频次，提高了泵站维护作业工作的工作效率和可靠性。

b.及时发现设备异常。运行管理人员通过发布巡视命令，可在控制室通过服务器显示屏或者pad实时查看智慧巡检机器人巡检的高清视频。无人监控时，巡检机器人自动采集温度、振动数值，通过自身触摸屏电脑、中控室服务器进行越限报警，并可进一步通过云端大数据平台进行机组状态判断和趋势分析，有效提高巡检的效率和智能化水平。

c.减少设备维修成本。预防性维护可以减少故障停机，状态监测系统可以在故障发生之前检测出并判断出主电机故障，可事先计划并实施正确的措施，以避免成本高昂的故障以及计划外停机。

d.提高巡检智能化程度。由于机组的主电机集电环、受油器、上油缸温度是周期性热成像监测，一旦发生故障将及时报警，同时数据也上传到数据交互、分析平台进行储存分析。采用智慧巡检机器人进行拍摄，可减少人工巡检成本以及提高巡检准确性，整个过程智能程度非常高。

8 总结与展望

智慧巡检系统通过对泵组的主电机滑环温度、油缸温度的实时监测、分析，能及时发现设备异常，进行报警和智能分析，减少设备维修成本，确保工程安全运行和效益充分发挥。此系统同时是一个状态监测解决方案，实现对机组运行状态持续跟踪，帮助运行管理人员掌握水泵机组服役过程中的振动变化趋势，同时帮助对泵站机组实现预测性维护，提高巡检自动化程度，远程监测泵站内所有机组的运行状态，协助运行管理人员充分了解机组设备状态。根据大量的机组状态生成“大数据”，为泵站的运营优化和能耗优化铺平道路。

泵站的安全可靠运行关系到灌溉、排涝、泄洪、通航、发电、生态环境等领域的安全，设备全生命周期健康监测有着非常重要的意义，鉴于无线互联技术和工业锂电池技术的进步，智慧巡检无线监测系统在已建成泵站不停机改造中有着更加广阔的应用前景。