高港泵站机组振动摆度在线监测系统设计与应用

黄 蔚 王宇凡 干佳馨

（江苏省泰州引江河管理处 泰州 225300）

1 引言

泰州引江河高港枢纽是江苏省东部地区引江供水口门，也是国家南水北调东线水源工程之一，由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、船闸和110kV 专用变电所等组成。高港泵站安装立式开敞式轴流泵9 台套，设计正反向抽排能力300m³/s，总装机容量18000kW。自1999年投入运行以来，机组共抽水运行57294 台时，抽排涝水52.24 亿m³，抽水北送3.95亿m³，向通南地区送水18.75 亿m³。高港泵站在建成时就已经配置了自动化监控系统，实现泵站运行的自动监测、控制和保护。2011年，高港枢纽联合扬州大学开发了基于互联网的泵站信息管理系统，实现了泵站自动化与信息化的无缝集成，管理人员能够随时随地利用电脑或移动设备查看泵站运行的状态，查询相关信息。高港泵站机组振动摆度监测系统的建设，可以实现机组振动摆度的实时在线监测、数据分析及报警，同时能够长期记录保存各种监测数据，便于发生事故时调查分析原因。

2 系统设计方案

2.1 系统拓扑结构图

高港泵站机组振动摆度监测系统结构如图1所示。共划分为3 层：采集感知层、数据中心层以及应用展示层。采集感知层是由分布在泵站现场的9个采集箱和多只传感器组成,每个数据采集箱内装有数据采集器，用于连接加速度、电涡流、电流等各种传感器,实现泵站机组振动、摆度、相位等参数的就地采集。数据中心层由机组振摆监测服务器、单向隔离装置、防火墙及OPC 服务器组成。机组振摆监测服务器实时采集现场各个数据采集箱的监测数据，并通过OPC 服务器采集计算机监控系统的监测信息(流量、上下导温度、推力瓦温度、油温、有功功率、无功功率、上下游水位等)，将数据信息存入数据库，并提供机组振摆监测的服务。应用展示层可以是计算机或便携式移动设备，通过互联网经防火墙等网络安全设备与机组振动摆度服务器连接，进行机组振动摆度监测和分析。数据采集箱之间通过双绞线经交换机相连，最后在1 号采集箱通过单模光纤经光纤收发器与机组振摆监测服务器相连接。

图1 高港泵站机组振动摆度监测系统结构示意图

2.2 测点布置

测点布置的合理性以及测点数量的多少直接关系到振动摆度监测信号采集的真实性与运行状态判断的可靠性。根据高港泵站机组立式轴流泵的特点设计传感器安装位置，各种传感器就近接入相应采集箱。传感器的监测点、监测类型、传感器数量见表1。

表1 测点配置表

2.3 测量设备

（1）振动监测传感器。振动监测选用了全密封不锈钢双层屏蔽结构，频率响应为0.5-10000Hz、灵敏度为100mV/g±20%、横向灵敏度≤5%的加速度传感器。加速度计是一种惯性式传感器，产生正比于被测机械加速度的输出信号，一般来说，加速度计安装在机器的固定（非旋转）结构上。振动传感器的安装直接影响到信号的获取和分析，因此采用了打孔安装方式，将安装面打磨光滑、平整，打磨直径大于传感器直径10mm，表面粗糙度小于1μm，在安装中心打一安装螺纹孔。安装传感器后检查传感器底面是否与机组安装面充分接触、接触面积不小于传感器底面积的2/3。

（2）摆度监测传感器。对于泵站机组轴线摆度监测，选用电涡流传感器。摆度传感器是非接触测量，采用不锈钢支架固定安装，在泵体基座上安装支架，支架必须有足够的刚性，以防机组运行振动时变形，传感器固定在支架上，安装时固定牢固，防止松动或晃动引起的测试误差，传感器安装位置在量程线性中心点附近，按照说明书保证量程、间隙电压值符合标准规范。

（3）键相监测传感器。采用电感式接近传感器测量转速信号，电感式接近传感器具有不易受大轴摆度过大或轴心偏移过大等影响，安装和维护较为方便等优点。键相片用强力耐高温胶水粘于泵轴上。传感器和摆度监测传感器安装在同一不锈钢支架上，最后根据探头参数调整传感器与键相片的距离。

（4）数据采集器。采用基于嵌入式系统平台设计的智能振摆数据采集模块，能够连接不同类型及不同型号的传感器，对传感器的信号进行采集，实现机组振动、摆度、转速的数据采集及特征参数计算与提取，并通过以太网络通信接口将数据传送至服务器。

3 软件设计

3.1 软件架构

机组振摆监测服务器中装有数据库、数据采集软件应用服务、数据通讯等软件。数据采集软件自动读取数据采集器中原始高保真监测数据，同时通过OPC 协议读取计算机监控系统中机组运行数据，实现数据共享，读取后将这些数据进行整合存储到SQLServer 数据库中，并按照静态配置数据、实时数据、历史数据、业务数据进行分类。基于互联网的B/S 结构，开发能够可视化展示实时数据和历史数据的人机交互页面。同时利用java 语言开发手机APP 与电脑端互通。

3.2 软件功能

（1）状态监测。状态监测模块包括三维图立体展示和列表展示。三维立体展示是以不同颜色立体展示机组当前的运行状态，同时可以显示测点以及测点上的实时监测数据，并以不同颜色标识测点数据报警状态。列表展示则是以列表方式显示机组以及对应机组下的测点测量结果，选择不同机组，查看对应机组下的测量结果，以柱状图的形式展示机组的当前监测信息。

（2）数据分析。数据分析模块是根据实时监测数据进行振动分析的模块，包括波形分析、频谱分析、波形频谱分析、轴心轨迹分析、轴心位置分析及趋势分析。管理人员可以自由选择任意时间点进行波形的对比，例如通过识别轴心轨迹的形状，分析设备振动的原因；通过轴心位置图，可以看出轴承的偏位角、偏心距，从而判断转子运行是否平稳。进入到趋势分析界面，通过勾选页面树状结构的测量位置分析趋势图谱，可单个测点的历史趋势分析，也可多个测点的历史趋势变化对比分析。

（3）实时报警。实时报警模块主要依据《泵站技术管理规程》《大型泵站主机组检修技术规程》等规程内相关标准及高港泵站多年手动测量数据而设立的阈值报警模块，能进行振摆限值和变化率报警的推动，显示出所有已报警的机组、通道、当前值信息。支持实时报警监控和历史报警查询功能。支持报警产生、报警确认、报警消除等环节的信息查看，包括报警名称、报警描述、优先级、产生时间、确认时间、缺陷处理状态、缺陷处理时间等信息。

（4）监测报表。监测报表模块分为报警报表和日常报表。报警报表：根据选定的时间段，查看时间区间内的报警信息、报警信息详情，导出报警报表。日常报表：根据选取的时间段，查看测点的历史监测结果报表。

（5）移动应用。管理人员可以通过手机、平板等便携式移动设备在移动端APP 对各个测点的实时数据查看、历史数据的追踪及报警信息的查询，当监测点数据达到报警限值时，能够自动报警提示相关人员。

4 结语

2019年底正式投入运行以来，高港泵站机组振动摆度在线监测系统的应用为高港泵站机组的安全运行提供了保障。通过对机组振动摆度运行特征量及其关联量的长期实时监测和分析，可以发现机组潜在隐患与运行缺陷，控制设备运行风险，并为高港泵站建设中的基于一体化平台的机组故障智能诊断以及全生命周期管理系统积累数据基础，提供数据来源。经过近两年的使用，系统使用情况良好，实现了既定的目标，可在类似水利枢纽推广普及■