概述

隨著信息技術(shù)的進步和制造工業(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，探索“運行狀態(tài)檢修”策略,，即運用機組在線監(jiān)測技術(shù),，在對機組運行狀態(tài)進行分析的基礎(chǔ)上，主要以設(shè)備的實際運行狀態(tài)為依據(jù),，根據(jù)科學(xué)分析的結(jié)果來安排檢修項目和時間,，以達到既能確保設(shè)備運行安全，又能最大限度地提高電站經(jīng)濟效益的目的,。

   通過安裝機組在線監(jiān)測系統(tǒng),，靈活運用監(jiān)測和分析手段，可以及時發(fā)現(xiàn)機組存在的問題,。對故障進行性發(fā)展的機組,，實施重點監(jiān)測；對個別故障嚴重發(fā)展的機組,，及早實施停機檢修,，將事故消滅于萌芽狀態(tài)，做到防患于未然,；而對運行狀態(tài)良好的機組,，可避免強迫性檢修，延長機組大修周期,，減少大修費用,；對突發(fā)性故障，監(jiān)測系統(tǒng)能自動記錄下故障過程的完整數(shù)據(jù)資料,，通過監(jiān)測系統(tǒng)提供的分析工具進行及時分析,，就可以迅速找到故障原因，最終解決問題,。同時,，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、制造,、安裝與運行提供了有力的參考,，便于改進和提高。

而在電廠進行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝配置,，是實現(xiàn)機組狀態(tài)檢修的基礎(chǔ),。由于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺一般放置在機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)的實時可靠采集,。我們根據(jù)水電廠的實際需求,，應(yīng)用NI公司數(shù)據(jù)采集的PXI硬件平臺和LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設(shè)計開發(fā)了一套水電機組遠程在線監(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，不僅滿足了水電機組監(jiān)測系統(tǒng)對抗環(huán)境惡劣性,、實時性和長期穩(wěn)定運行的要求,，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擴展)設(shè)備， 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺,，PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性,，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化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺,，因此系統(tǒng)全線采用其PXI系列產(chǎn)品,。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于不同用戶對水電機組監(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)的可擴展結(jié)構(gòu),。同組態(tài)監(jiān)測軟件不同的是,，這種擴展性不僅體現(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,。

水電遠程監(jiān)測系統(tǒng)雖然是遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，但鑒于電廠對數(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，現(xiàn)地仍可以進行監(jiān)測分析顯示,，并能保證實時數(shù)據(jù)的連續(xù)可靠存儲,。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，硬件分別包括信號傳感器,、采集機柜（集成PXI采集設(shè)備）,、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,、監(jiān)測系統(tǒng)客戶端等幾個部分。

首先,，安裝在機組各個部位的傳感器將信號實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C旁控制室的采集機柜,，采集機柜的本地采集軟件即時分析保存數(shù)據(jù)，并通知本地入庫程序讀取本地數(shù)據(jù),；同時,，采集機柜將經(jīng)過分析處理的實時數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對其整理儲存,，以便定期提供機組運行狀態(tài)日志,、信號趨勢和異常信息等。

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)遠程版瀏覽、查詢,、分析數(shù)據(jù)服務(wù)器上的機組最新狀態(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

平臺設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)要適應(yīng)電廠復(fù)雜的運行環(huán)境，必須具有良好的硬件平臺,；同時又要利于開發(fā)人員進行模塊化擴展開發(fā),，因此必須具有良好的軟件開發(fā)支持。由于LabVIEW開發(fā)軟件對于采集平臺的良好支持,，而且采集部分有NI-DAQ驅(qū)動程序的支持,，能在保證采集部分穩(wěn)定性的情況下，較方便的進行后續(xù)開發(fā),，其開發(fā)軟件采用了LabVIEW 8.2,。

硬件平臺采用了PXI 1031機箱、PXI8185嵌入式控制器和PXI6229多功能M系列采集卡,。PXI 1031通用機箱采用了4個擴展槽,，支持3U PXI模塊，自動溫控風(fēng)扇速度,，經(jīng)過高加速壽命試驗（HALT）,，可在50°C環(huán)境中無風(fēng)險運行。集成PXI 1031機箱的采集機柜位于電廠廠房,，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)動程序,，不需要額外添加系統(tǒng)軟件購置費用,。在實際應(yīng)用中證明該配置能滿足本地數(shù)據(jù)采集軟件的硬件需求。

目前信號測點數(shù)目為32個通道,，因此采用一塊PXI6229 M系列采集卡進行信號采集,。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)，進行數(shù)據(jù)采集和存儲,，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展性，可以通過選擇界面進行采集卡的增加,，以便監(jiān)測更多的機組項目,。采集程序?qū)^來的信號進行分析判斷，確認傳感器信號是否有誤,。采集通道出錯的信號通道紅色顯示,，以便在現(xiàn)地提醒運行人員,。32通道信號經(jīng)過采集后保存成波形文件,，文件每2秒鐘更新一次。

擴展分析和遠程監(jiān)測平臺采用了Delphi編程開發(fā)工具,，基于TCP/IP的遠程連接模式,，其中本地入庫軟件安裝在PXI 8185控制器中，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)入庫,。其中,，LabVIEW開發(fā)的本地采集軟件與Delphi開發(fā)的本地數(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)庫中實時數(shù)據(jù),，進而實現(xiàn)遠程實時在線監(jiān)測。

遠程監(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，進行遠程在線監(jiān)測,，也可以安裝客戶端,，進行更加復(fù)雜的遠程分析和監(jiān)測。

測點配置

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

表1 系統(tǒng)測點表

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)濟價值，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，一套采集信號數(shù)據(jù)不準確甚至錯誤的監(jiān)測系統(tǒng),，根本無法為電廠運行或檢修提供分析依據(jù),，最終只會在現(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，都會對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝的傳感器有一定程度的影響,，有時甚至?xí)M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)了整個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝階段的信號調(diào)節(jié)和硬件率定模塊軟件,，基于LabVIEW良好的人機界面控件,，和集成DAQ驅(qū)動后簡易的數(shù)據(jù)采集編程，能夠讓電廠人員,，在最短時間內(nèi)熟悉傳感器的率定和信號檢測任務(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)電機組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)思,，是通過實用而有效的功能定位和開放式的構(gòu)成體系,，分步、分塊有計劃逐步實現(xiàn)機組全狀態(tài)監(jiān)測的藍圖,。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,、振動波形圖,、振動棒圖、軸心軌跡圖,、效率曲線等,，以2～5s的速度即時刷新。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)中各個傳感器實時傳回的數(shù)據(jù),，并且給出機組當前的運行狀態(tài)和基本參數(shù),，如果有報警信息，對應(yīng)的通道數(shù)據(jù)會變紅報警,，并且狀態(tài)欄顯示當前所有的報警信息,；

圖4 系統(tǒng)主監(jiān)視圖

振動波形圖：詳細顯示當前選定信號的實時波形，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,；

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

軸心軌跡圖：根據(jù)水輪機組上導(dǎo)擺度,、下導(dǎo)擺度,、水導(dǎo)擺度的實時數(shù)據(jù)，計算并顯示出實時的軸心軌跡圖,，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)合實測水頭值,、發(fā)電機功率等數(shù)據(jù)，得到當前時刻的機組相對效率,，并以動態(tài)點的形式,，顯示在效率曲線中。圖示如下：

圖6 機組效率監(jiān)測界面

監(jiān)測系統(tǒng)還具有強大的離線數(shù)據(jù)分析功能,，提供一套完整的分析工具,，可以對系統(tǒng)監(jiān)測到的信息進行深入,、全面的分析,，從而輔助找到機組潛在問題的實質(zhì)。它也是發(fā)現(xiàn)機組長期運行后的狀態(tài)變化和查找慢變劣化故障的有力工具,，以利于運行人員及時掌握機組最新的運行狀態(tài)及瞬態(tài)過程的特征,。

通過提供實時趨勢分析和瀑布圖分析，可以幫助運行人員及時掌握機組最新的運行狀態(tài)及瞬態(tài)過程的特征,，并可對頻率,、相位、峰峰值等各種參數(shù)輸出趨勢曲線,，也可按時間,、功率、水頭和運行工況等參數(shù)進行數(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,，可以分析任意兩個或多個參數(shù)之間的相互關(guān)系,，其中橫軸和縱軸可任意選定，時間段可任意設(shè)定,，既可以以時間作為坐標軸,，也可以選擇某一過程參數(shù)作為坐標軸。如振動擺度和轉(zhuǎn)速,、負荷,、水頭、勵磁電流,、勵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，以及強大實用的數(shù)據(jù)分析工具,，為水電廠的設(shè)備狀態(tài)檢修提供一個高效,、智能化的運行狀態(tài)評價平臺。

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長期的過程,，我們需要結(jié)合計算機技術(shù)和水輪機試驗技術(shù),，揚長避短的綜合各種方法，在充分總結(jié)運行維護經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,，繼續(xù)發(fā)展監(jiān)測系統(tǒng)的功能,，最終為推進機組實現(xiàn)狀態(tài)檢修而努力。