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隨著信息技術的進步和制造工業的不斷發展，越來越多的水電站正在根據自己的設備特點，探索“運行狀態檢修”策略，即運用機組在線監測技術，在對機組運行狀態進行分析的基礎上，主要以設備的實際運行狀態為依據，根據科學分析的結果來安排檢修項目和時間，以達到既能確保設備運行安全，又能最大限度地提高電站經濟效益的目的。 通過安裝機組在線監測系統，靈活運用監測和分析手段，可以及時發現機組存在的問題。對故障進行性發展的機組，實施重點監測；對個別故障嚴重發展的機組，及早實施停機檢修，將事故消滅于萌芽狀態，做到防患于未然；而對運行狀態良好的機組，可避免強迫性檢修，延長機組大修周期，減少大修費用；對突發性故障，監測系統能自動記錄下故障過程的完整數據資料，通過監測系統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，監測系統長期積累的大量數據也為今后設備的設計、制造、安裝與運行提供了有力的參考，便于改進和提高。 而在電廠進行狀態監測系統的安裝配置，是實現機組狀態檢修的基礎。由于狀態監測系統的數據采集平臺一般放置在機組單元控制室或安放在現地，系統必須具有較好的抗振和抗干擾能力，才能保證數據的實時可靠采集。我們根據水電廠的實際需求，應用NI公司數據采集的PXI硬件平臺和LabVIEW軟件開發平臺，設計開發了一套水電機組遠程在線監測分析系統（HM9000 2.0系統），該系統綜合應用了NI公司高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數據采集硬件模塊和高可靠性的LabVIEW開發軟件，不僅滿足了水電機組監測系統對抗環境惡劣性、實時性和長期穩定運行的要求，也極大縮短了開發周期，節約了開發成本。 NI公司的PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展)設備， 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺，PXI結合了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的高性能、低成本運載平臺，因此系統全線采用其PXI系列產品。 結構設計 由于不同用戶對水電機組監測系統的要求也不盡相同，監測系統采用了基于因特網的可擴展結構。同組態監測軟件不同的是，這種擴展性不僅體現在監測功能的自由定制組合上，還體現在能滿足不同的現場環境需求，最大限度適應電廠不同的基礎條件。 水電遠程監測系統雖然是遠程網絡監測系統，但鑒于電廠對數據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）相結合的模式，在網絡環境不佳或出現問題時，現地仍可以進行監測分析顯示，并能保證實時數據的連續可靠存儲。與完全基于web網頁技術的監測系統相比，擁有更高的可靠性，有效克服了狀態監測系統網絡化、遠程化以后，過于依賴網絡環境的問題。 監測系統分為數據層、服務器層和客戶層，硬件分別包括信號傳感器、采集機柜（集成PXI采集設備）、數據庫服務器、監測系統客戶端等幾個部分。 首先，安裝在機組各個部位的傳感器將信號實時數據傳輸到機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據，并通知本地入庫程序讀取本地數據；同時，采集機柜將經過分析處理的實時數據送往數據服務器，數據服務器對其整理儲存，以便定期提供機組運行狀態日志、信號趨勢和異常信息等。 電廠局域網內所有用戶和連接在互聯網上的用戶，只要擁有管理和查看權限，就可以通過監測系統遠程版瀏覽、查詢、分析數據服務器上的機組最新狀態數據。 系統結構如下圖所示： 圖1 監測系統結構圖 平臺設計 監測系統要適應電廠復雜的運行環境，必須具有良好的硬件平臺；同時又要利于開發人員進行模塊化擴展開發，因此必須具有良好的軟件開發支持。由于LabVIEW開發軟件對于采集平臺的良好支持，而且采集部分有NI-DAQ驅動程序的支持，能在保證采集部分穩定性的情況下，較方便的進行后續開發，其開發軟件采用了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，自動溫控風扇速度，經過高加速壽命試驗（HALT），可在50°C環境中無風險運行。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。 基于產品總體成本考慮，系統采用了中等配置的PXI 8185嵌入式控制器，該控制器集成了硬盤、USB、以太網及其他外設，采用了256MB SDRAM內存和1.2GHz Inter Celeron處理器，能夠通過PXI Advisor配置完整的PXI系統，而且控制器已經安裝好Windows操作環境和驅動程序，不需要額外添加系統軟件購置費用。在實際應用中證明該配置能滿足本地數據采集軟件的硬件需求。 目前信號測點數目為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位數字輸出。 系統軟件平臺的開發采用了采集和分析監測分離的模式，由于LabVIEW跟底層硬件結合較好，采集部分采用LabVIEW開發，進行數據采集和存儲，并顯示基本的數據狀態信息。界面如下圖所示： 圖2 數據采集程序界面 數據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，以便監測更多的機組項目。采集程序對過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，以便在現地提醒運行人員。32通道信號經過采集后保存成波形文件，文件每2秒鐘更新一次。 擴展分析和遠程監測平臺采用了Delphi編程開發工具，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，實現本地數據入庫。其中，LabVIEW開發的本地采集軟件與Delphi開發的本地數據入庫程序的交互模式，采用了本地采集軟件調用Windows API發送消息，提醒本地入庫程序更新數據庫中實時數據，進而實現遠程實時在線監測。 遠程監測軟件采用BS（瀏覽器/服務器）和CS（客戶端/服務器）結合的模式，用戶既可以直接打開網頁，連接Web服務器，進行遠程在線監測，也可以安裝客戶端，進行更加復雜的遠程分析和監測。 測點配置 測點的選取是水電機組狀態監測系統的關鍵問題，測點數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的分析、診斷的可信度。系統在總結水電機組測試、電站運行自動化領域內眾多專家現場試驗經驗的基礎上，結合機組本身的設計、運行性能和結構特點，最終選擇了具有代表性、能準確捕捉設備狀態的監測點。測點名稱和采集信號數據如下圖所示： 表1 系統測點表
硬件率定 狀態監測系統的可用性以及給電廠帶來的經濟價值，既取決于其在電廠的應用程度和使用人員的專業水平，也取決于硬件系統的采集可靠性。試想一下，一套采集信號數據不準確甚至錯誤的監測系統，根本無法為電廠運行或檢修提供分析依據，最終只會在現場荒廢或被拆卸掉。但現階段而言，水電廠每年都有例行的檢修任務，因此每次的檢修工作，都會對狀態監測系統安裝的傳感器有一定程度的影響，有時甚至會進行相關傳感器的拆卸和再安裝工作。 因此，我們采用LabVIEW 8.2開發了整個狀態監測系統安裝階段的信號調節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驅動后簡易的數據采集編程，能夠讓電廠人員，在最短時間內熟悉傳感器的率定和信號檢測任務，從而大大保證了采集系統的數據可靠性。軟件具體界面如下所示： 圖3 傳感器率定界面 系統功能 水電發電機組狀態監測綜合分析系統的設計構思，是通過實用而有效的功能定位和開放式的構成體系，分步、分塊有計劃逐步實現機組全狀態監測的藍圖。系統在功能上突出了監測、查詢和分析三部分，其中監測部分包括主監視圖、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： 主監視圖：用形象的圖示方法，給出了監測系統中各個傳感器實時傳回的數據，并且給出機組當前的運行狀態和基本參數，如果有報警信息，對應的通道數據會變紅報警，并且狀態欄顯示當前所有的報警信息； 圖4 系統主監視圖 振動波形圖：詳細顯示當前選定信號的實時波形，區別于靜態的曲線圖片，這里的波形可以自由放大縮小和數據導出； 振動棒圖：將所有的監測信號，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小； 軸心軌跡圖：根據水輪機組上導擺度、下導擺度、水導擺度的實時數據，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，所以根據差壓傳感器測的差壓值得到指數流量，再結合實測水頭值、發電機功率等數據，得到當前時刻的機組相對效率，并以動態點的形式，顯示在效率曲線中。圖示如下： 圖6 機組效率監測界面 監測系統還具有強大的離線數據分析功能，提供一套完整的分析工具，可以對系統監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。它也是發現機組長期運行后的狀態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及瞬態過程的特征。 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及瞬態過程的特征，并可對頻率、相位、峰峰值等各種參數輸出趨勢曲線，也可按時間、功率、水頭和運行工況等參數進行數據檢索后生成趨勢曲線。 圖7 三維瀑布圖界面 監測系統能夠提供完善的相關趨勢分析功能，可以分析任意兩個或多個參數之間的相互關系，其中橫軸和縱軸可任意選定，時間段可任意設定，既可以以時間作為坐標軸，也可以選擇某一過程參數作為坐標軸。如振動擺度和轉速、負荷、水頭、勵磁電流、勵磁電壓之間的相互關系，為查找故障原因提供分析手段。 總結 水電機組狀態監測綜合分析系統以狀態監測為基礎，將本地和遠程監測相結合，通過完善和可靠的狀態監測軟件，以及強大實用的數據分析工具，為水電廠的設備狀態檢修提供一個高效、智能化的運行狀態評價平臺。 隨著設備監測手段和技術的提高，從現在的狀態監測到以后的狀態檢修，是一項長期而艱巨的工作，現場數據和信息的積累也需要一個長期的過程，我們需要結合計算機技術和水輪機試驗技術，揚長避短的綜合各種方法，在充分總結運行維護經驗的基礎上，繼續發展監測系統的功能，最終為推進機組實現狀態檢修而努力。 |
