大型泵站机组远程状态监测平台设计与实现

邹红美 唐鸿儒 严国斐

(扬州大学能源与动力工程学院，扬州 225009)

泵站在我国已有几十年的发展历史，它在抗洪、排涝、灌溉、调水以及城乡供水、工业供水、航运和改善生态环境等方面发挥着极为重要的作用［1-2］，其运行状况是否完好，将直接影响到整个系统的效益.泵站机组的检修一般采取事后维修或者定期维修，前者可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故，而且库存备件也会使得投资增多;后者会导致过剩维修，过剩维修则会导致维修费用增加，引起人为维修故障，而且意外停机也会引起泵站机组的损坏.因此，对泵站运行状态监测是十分必要的.

随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展与应用，状态检修得到了越来越多的重视和研究，国内外的研究者也不乏其人［3-5］.目前，火力发电机组、水力发电机组等大型旋转机械广泛采用状态监测.如美国BENTLY公司研制的3500系列振动监测系统已经用于国内多座水电站的状态监测，它通过多种传感器采集数据，并提供连续、在线监测功能.北京华科同安监控技术有限公司的TN8000水电机组状态监测分析故障诊断系统，已成功运用于三峡左岸电站和电源电站的机组状态监测，为三峡电厂评估机组状态提供了坚实的技术保障.由清华大学研制的“水电机组状态检测与故障诊断研究与应用”已在30余家水电站得到了成功应用和推广，取得了巨大的经济效益和社会效益.但是，由于大型水泵机组的自身特点，这些系统并不完全适用于水泵机组，对大型泵站机组的状态监测的研究仍然处于初级阶段.

基于泵站监测的需要，本文根据泵站的特点，设计了一套以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度传感器为硬件，以LabWindows/CVI为现场监控系统的软件开发平台，以Measurement studio为远程监测Web服务器的软件平台的大型泵站机组远程状态监测系统，该系统具有以下功能:①能够测量泵站机组的状态参数，如振动测量(如推力瓦、导轴瓦等)、摆度测量、键相位测量以及转速测量等等;②能对监测信号进行幅值域分析、时域分析、频谱分析等，并根据给定的限值进行报警;③ 能按照预定的策略进行相关数据的存储与查询功能;④数据采集过程中能够实时监测数据采集系统中的硬件设备状态，及时进行错误报警;⑤能够通过网络远程监控机组的运行状态，并提供远程状态分析等平台.

1 硬件组成和体系结构

根据系统的功能需求规划并设计的硬件部分主要由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机四部分组成，其中数据采集卡和计算机均嵌在PXI-1042系统中，如图1所示.传感器负责采集泵站机组的各种信号量，如振动信号、摆度信号、键相信号、转速信号等，并转换为模拟量(电压、电流等)，然后经信号调理器的放大、隔离、滤波等处理后送入数据采集卡完成采样和量化，变成计算机所能识别的数字量，最后经计算机作进一步的处理，得到泵站机组的运行状态信息.

图1 系统硬件组成

图2为大型泵站机组远程状态监测系统体系结构图，系统采用Browser/Server模式，由现场监控计算机、远程监测Web服务器和远程客户计算机三部分组成:

1)现场监控计算机 实现常规监测系统功能的现场监控软件，通过NI公司的数据采集卡PXI-6070E，将各个传感器的信号送入现场计算机，计算机将接收上来的信号进行处理、分析，并将必要的历史数据、统计数据等以txt文件的格式存入计算机;作为远程监控代理，接受远程客户的命令和参数，并对这些命令进行解释执行，将远程客户所需的数据或者命令的执行结果反馈给远程客户.

2)远程监测Web服务器 负责发布现场的实时数据、历史数据以及分析结果等等，包括用户登录、与现场的通信、数据分析与处理、按需刷新实时数据以及查看某一时刻的历史数据.

图2 远程泵站机组状态监测平台体系结构图

3)远程客户计算机 为客户浏览现场所有机组的状态信息提供工具，只需具有Web浏览器，无需安装任何其他专用软件.

2 远程泵站机组状态监测平台设计

对系统的总体功能进行了总体规划，将系统分为2个部分:现场监控系统和远程监测Web服务器.

2.1 现场监控系统的内容和实现

以NI公司的LabWindows/CVI为开发平台，规划并设计了系统的软件程序结构，如图3所示，包括系统配置、数据采集、信号预处理、信号分析、数据存储以及与远程监控用户的通信等程序，下面详细介绍这6个模块的设计.

图3 现场监控软件结构图

1)系统配置

系统配置共有6部分:配置名称、基本信息、采集设置、通道设置、通道对设置和非测量参数设置，完成采样频率、采样点数、采样通道、增益大小、触发方式、存储方式、传感器技术指标等参数的设置.

2)数据采集

包括两种采集方式:连续采集和手动采集.连续采集方式是在连续的时间段内完成特定采样点数的数据采集方式;手动采集方式是用户手动触发一次特定采样点数的数据采集方式.

数据采集过程中，为了确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整，采用整周期采样［6-7］.定时采集转速信号，将转速频率的256倍作为振动信号的采样频率，并用转速信号来触发对振动信号的采样，从而获得转速和振动的整周期采样数据.

3)信号预处理

在实际信号采集过程中，现场各种因素的影响会导致实际信号里含有高频干扰，而且采集的信号经传感器、放大器之后，也会增加大量的噪声信号;另一方面，由于采集到的信号中往往包含直流分量，信号经两次积分后将出现偏移，故需对信号进行必要的滤波处理，以滤除干扰信号原始信号，这里采用巴特沃斯带通滤波器，将直流信号和高频干扰滤掉，以保证信号的质量.

4)信号分析

由传感器采集的信号包含了水泵机组状态的大量信息，是信号分析的最初信息源.在泵站机组中，低频随机信号是机组运行的固有特点，而且反映机组设备运行状态的周期较长，因而在信号分析中，不仅要包括通用设备的信号分析功能，而且还应具备有自己特点的信号分析功能.如图3所示，本系统实现的信号分析处理功能主要包括时域分析、幅值域分析、频域分析等.

由于LabWindows/CVI在系统辨识、模糊理论、神经网络、鲁棒控制、遗传算法等先进理论和方法方面，尚未形成可用的函数，故利用ActiveX技术实现LabWindows/CVI与matlab的混合编程，从而扬长避短，很方便的实现信号的分析功能.该技术中，matlab作为ActiveX自动化服务器，通过调用matlab ActiveX提供的驱动库与matlab进行交互.利用LabWindows/CVI提供的Create ActiveX Automation Control的开发向导，利用matlab ActiveX服务器生成所有接口函数的调用语句，并建立CVI驱动器形式的函数面板供用户使用.

5)数据存储与回放

数据保存是将采集到的数据以txt格式文件储存到指定文件夹中.本系统采用三种数据存储方式:手动存储、定时存储以及按转速存储.当转速正常时，按时间间隔采集;当升、降速时，按转速变化间隔采集.为方便查询，文件以当前系统时间命名.另一方面，系统能够读取已存储的数据文件，进行后期的观察和分析.

6)与远程监测Web服务器的通信

Web服务器采用对TCP/IP协议底层高度封装的Network Variable通信技术，该技术提供的参数简单友好，能够接收和发送各种技术(OPC、FTTP、FTP或其他网络的Network Variable，包括Internet)提供的数据，用户可以像使用LabWindows/CVI中的其他数据类型一样使用Network Variable读写字符串、整形数、布尔量及数组数据等.

现场监控系统中的Network Variable一般处于侦听状态，服务器首先注册网络变量读事件(CNVCreateSubscriber())，当远程用户有连接请求时，调用DataCallback回调函数，建立TCP连接，并解析客户端的请求，最后服务器响应客户端的请求并将数据发送给客户端，断开连接.

2.2 远程监测Web服务器的实现

1)Web服务器软件实现

Web服务器端软件利用NI公司的Measurement studio 8.0开发，首先Web服务器通过网络变量实现与现场数据服务器的通信，获取现场的数据，能够根据客户的请求选择实时数据查看或者历史数据查看;其次利用软件自带的分析工具，对这些数据进行过滤，完成对数据的分析处理功能;最后将分析结果以WebPages(网页)形式进行发布，呈现给客户端用户.另外必须考虑必要的安全措施:①登录环节，只有注册过的用户才能够进行远程监测;②远程用户操作权限表环节，不同级别的用户有不同的操作权限;③由于本系统采用了MS组件技术，用户无需下载安装特定的ActiveX控件，避免了不良程序的风险.

在对信号分析的过程中，利用matlab这一功能强大的工具软件，实现信号的极坐标图分析、凝聚函数分析等复杂的功能.利用matlab将对应的.m文件生成COM组件，然后用Measurement studio调用COM组件，通过传参数的方式加以复用.该方法调用方便，生成的COM组件易于修改、扩展性好，利于系统的升级，而且系统运行速度也比较快.

2)客户端

本系统采用B/S(Browser/Server)模式，用户在任何客户端都可通过Microsoft IE网络浏览器访问Web服务器获得现场的数据.

3 实验结果

根据上述设计思路，完成了远程泵站机组状态监测平台的设计，并通过一系列实验测试了系统的功能.将转速信号和振动信号分别通过计数器0通道和模拟量输入0通道送入计算机，经采集处理与分析，得到信号波形图、频谱图与轴心轨迹图如图4和图5所示.

图4 现场监控系统的波形图

图5 远程客户端的频谱图

图4为现场监控系统的波形图，图中右侧上部分的为采样信号的波形图，右侧下部分为对应的频谱图，左侧为对应的轴心轨迹图.由频谱图可知，在频率为50和100 Hz附近幅值较大，这与所施加的信号频率一致，表明该系统能很好地完成信号分析功能.同时，通过轴心轨迹图可以将轴偏离轴心的轨迹直观的呈现给用户，方便用户分析机组状态.图5为远程客户端通道0的频谱图，该频谱图的原始信号为图4中的采样信号，可以看出信号幅值较大处同样出现在频率为50和100 Hz附近，这与图4中的频谱图结果一致，满足了频谱分析的要求.由此可见，系统能很好地完成数据分析和Web服务功能，满足系统设计要求.

4 结语

本系统根据大型泵站状态监测的功能需求，设计并实现了泵站机组的状态监测软件和远程监视平台，分别利用NI的LabWindows/CVI和Measurement studio 8.0软件，开发了现场监测系统和远程监测Web服务器系统，经过实验验证，该平台可以使得运行操作人员通过Internet随时随地监视泵站的运行工况，提高水利工程的运行维护水平，合理配置人力资源，同时对水利工程的运行管理模式的改变起着积极的推动作用.

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