阜阳泵站机组状态智能在线监测系统的设计与应用

宋长松 彭恒义 王齐领 郭 将 陈 静

（1.安徽省引江济淮集团有限公司，合肥 230092；2.欣皓创展信息技术有限公司，上海200444）

引江济淮工程江水北送中的重要组成部分阜阳泵站工程位于安徽淮河以北，主要任务是向阜阳城区供应水资源，满足阜阳城乡居民生活和工业生产用水的需求。根据工程总体布置，阜阳城市供水工程通过了新建阜阳加压泵站的方案。阜阳加压泵站供水设计流量为7.74 m3·s-1，装机6台（其中备用2台）卧式单级双吸离心泵，单机功率为560 kW，总装机容量为3 360 kW。作为重要的供水工程泵站，阜阳泵站为机组配备了机组状态智能在线监测系统，用于实时监测、分析、诊断水泵机组的健康状态，为泵站的安全运行保驾护航。

1 系统概述

阜阳泵站机组状态智能在线监测系统通过监测和采集水泵机组相关部位在稳态和瞬态运行过程中的振动、摆度以及轴向位移等工况参数，联合设备运行过程量等参数变化，对设备的运行状态进行分析和诊断，以确定机组的健康状态[1]。若在机组运行过程中监测到数据异常情况，系统将自动启用数据分析工具分析、处理和诊断振动信号，感知机组实时运行状态，及时发出预警，减少运维成本。

2 系统结构

机组状态智能在线监测系统通过信息感知层、现地数据采集层以及上位机层等多层交互的系统架构，借助信号电缆对各硬件单元间进行稳态数据传输，实现分层分布式的数据采集、处理、分析的系统功能。

信息感知层与现地数据采集层组成现地系统。信息感知层包括系统用到的各种传感器及其附属设备。现地数据采集层包括数据采集器、触控一体机以及传感器电源等，集中安装于监测一体柜，能够自动收集和分析机组的振动、摆度等运行工况数据，最后以数值、图和表等方法进行展示，并具有采集、监测、显示和报警功能。

上位机层包括状态监测服务器和状态监测浏览站（布置在中控室内）等。服务器中包含相关数据分析和数据处理软件，侧重于运行快速检索和修改的数据库，并通过前置数据库和接口的方式与计算机监控系统、信息管理系统等泵站现有的管理系统进行数据互联互通，能够利用网络技术与云端层（欣皓远程中心服务器）进行信息交换，充分发挥远程中心的技术分析指导功能。系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

3 测点配置

每台机组分别在电机驱动端、电机非驱动端、水泵驱动端以及水泵非驱动端等机组关键部位安装有振动加速度传感器，用来监测关键部位的振动情况。在水泵主轴上安装有电涡流传感器，用来监测水泵主轴的运行摆度。在电机轴上安装电涡流传感器，专门监测电机的正反转转速。机组的测点配置如表1所示。单机组测点布置图如图2所示。

图2 阜阳泵站单机组测点布置图

表1 单台机组测点配置表

4 硬件选型及性能指标

每台机组设备配置一台机组在线监测柜（深600 mm×宽800 mm×高2 260 mm，板材厚度不小于2 mm），根据现场安装图纸要求布置在指定位置。机柜内安装有一台XH-MC6000数据采集器、15寸工业级触摸显示屏、工业级网络交换机、传感器电源以及接线端子等。

4.1 传感器

根据本站机组的测点布置和监测的特点，电机驱动端、电机非驱动端、水泵驱动端以及水泵非驱动端使用加速度传感器，正反转速、主轴摆度和轴位移使用电涡流传感器。传感器各主要性能指标如表2所示。

表2 传感器主要性能指标

4.2 XH-MC6000数据采集器

XH-MC6000数据采集器采用同步采集模式，将高速实时采集的数据进行异常特征数据判断和智能储存，避免数据出现冗余。使用模块化结构方式，根据实际情况允许灵活配置，可同时支持多达4个通道的键相信号、24个通道振动信号、99路工艺量数据（通过RS-485、Modbus协议通信）传输。

XH-MC6000数据采集器集在线监测、智能分析诊断、数据管理和长期存储多种功能于一身，可以出色完成机组稳定性试验，常用于机组的长期安全运行和数据对比，持续跟踪机组健康状况。

4.3 数据服务器

阜阳泵站配置有一台高性能大容量的状态监测专用服务器，放置于中心控制室。在线监测系统利用网络传输方式将系统采集的所有数据传输到服务器进行存储，从而为后续机组健康状态分析、设备故障诊断提供数据支撑。

数据服务器采用著名品牌产品，主要配置及性能不低于如下要求。

（1）中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：六核及以上规格处理器，64位，1 333 MHz及以上前端总线。

（2）内存容量：不小于16 GB，2 400 MHz，容量可扩展。

一个年纪已经过了六十的老人扛了一对大傀儡从后海走来，到了场坪，四下望人，似乎很明白这不是玩傀儡的地方，但莫可奈何的停顿下来。

（3）硬盘存储器：不小于10 TB，集成独立磁盘冗余阵列管理。

（4）操作系统：Windows Server 2012R2。

（5）接口：网络接口至少2路，串行接口1路，同步时钟接口1个，内置2个100/1 000 Mb·s-1RJ45以太网接口。

（6）显示器：采用27英寸屏，分辨率不低于1 920×1 080，且具有抗电磁干扰能力。

4.4 触摸显示屏

触摸显示屏采用15寸工业级触摸显示屏。触摸显示屏上能通过三维模型的方式展示机组测点位置和实时数据，并能以数字化图表、文字形式直观显示当前机组的工况、运行状态，对异常报警数据进行声光提示。

4.5 网络交换机

网络交换机使用性质和功能突出的工业级冗余环网光纤交换机。

5 系统功能

机组状态智能在线监测系统具备智能监测、分析、诊断、预报以及评估功能[2]，可对机组进行智能预测维护和健康评价。该系统具备良好的兼容性、扩展性、大规模数据管理和实时数据分析能力，深入分析非平稳、非周期、非线性数据之间的关系，提前感知故障发生的机率。系统有良好的系统兼容和数据接入能力，采用开放式体系结构，实现设备管理数字化、智能化与可视化，可与企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统、办公自动化（Office Automation，OA）系统等相关管理系统实现双向衔接和无缝对接。

5.1 智能监测

系统通过实时采集分析各测点的数据，将实时数据在三维模型上进行动态展示，并通过不同的颜色标识各测点的实时状态。例如，绿色表示实时数据正常，暗黄色表示低报和高报，暗红色表示实时数据异常。当发生报警时，系统能明确指示发生报警的部件位置。

5.2 智能分析

系统具备对数据进行智能分析的能力，能以数值、图和表等形式展示各专业的数据分析工具[3]，并根据监测机组运行过程中和历史运行的振动、摆度、轴向位置等参量变化，结合机组的运行工况[4]，对机组的运行状态进行评判。

系统提供以下的分析工具如表3所示，分析工具频谱瀑布图如图3所示。

表3 分析工具

图3 频谱瀑布图

同时，系统根据泵组的主要性能参数绘制专业曲线，表示机组运行各状态的区域，从而为阜阳城市供水工程的协调给水、系统运行提供科学依据。

5.3 智能诊断

系统可根据振摆监测等参量数据，综合分析处理机组规律性的故障，根据各频率分量，结合振动和工况，通过机器学习、模型训练等人工智能技术，建立故障诊断数学模型，对机组早期故障进行分类识别，智能给出诊断结果，自动识别和诊断常见故障，并将结论提供给运行管理单位[5]。

设备运行初期建立了设备初期运行档案，设有设备振动的特征频率。后期运行中，系统会自动检测奇异频率，并根据奇异频率的出现情况判断是偶然还是故障，为事故诊断提供基础。运行一段时间后，根据运行情况，系统可以生成案例及诊断报告的条文，智能生成故障统计记录[6]。对于无法智能分析的部分，系统可以通过人工输入诊断结果。

5.4 智能预报

系统对每台机组运行时间、累计运行时长和出厂后使用时间进行监测、存储和累计，将主机组的关键部件的使用寿命、使用维护周期录入每台机组档案。系统内录入设备关键部件的维修更换周期，在某个关键零部件到达维修更换周期前，系统会自动给出维修更换预报，提醒用户维修更换零部件，避免因某个部件的失效导致设备的故障停车[7]。

5.5 智能预警

系统对机组的各个测点进行数据预测，对未来可能发生的故障进行预警，在故障发生前预测到可能发生的危险发出预警，通知用户进行检查和维修，将机组故障隐患消除于萌芽状态。某一测点的预警如图4所示。

图4 1#机组-电机驱动端X方向针对的智能预警

5.6 智能评估

机组健康状态评估功能模块根据智能监测模块、智能分析模块和智能诊断模块的信息，采用特定的算法，对机组的振动、摆度以及工况等参数建立健康状态评价模型，对采集的实时和历史数据提取健康状态评价参数，计算当前的健康状态评价参数分值，调用相应的健康状态评价模型，得出机组的健康状态评估状态和结果[8-10]。

5.7 数据报表

系统能对机组运行的数据按天、周、月及季进行统计展示，内容包括出现的测点名称、平均值、最大值、最小值、开机时间段以及一天（周、月、季）当中数据的变化率等，在一定程度上反映了机组的运行状态变化，同时支持报表导出功能，方便本地检索查看。

6 结语

阜阳泵站机组状态智能在线监测系统在机组运行过程中采集各个测点的数据，利用专业的数据分析工具分析整理数据，直观感受泵组各测点的变化过程，同时感知泵站水泵机组的运行状态，通过机器学习、模型训练等人工智能技术建立故障诊断和状态评估的数学模型，实现了异常早期预警、维护提前预报、故障及时预判、处理措施有预案，做到了预测性维护，避免了重大事故的发生，大大减少了泵站机组维护成本。