引灤大張莊泵站機組改造中應用在線監測系統探討

楊 科，劉福春

（1.天津水務集團有限公司，天津 300042；2.天津市水務規劃勘測設計有限公司，天津 300204）

1 項目概況

引灤入津工程是天津城市供水的生命線，引灤入津輸水明渠工程是引灤入津工程的重要組成部分，大張莊泵站是引灤入津輸水明渠工程的終點提升泵站，該泵站為緩解城市供用水緊張、促進天津市經濟社會發展發揮了重要的作用。大張莊泵站輸水規模30 m3/s，共設5 臺1.8 ZLQ-100 型立式全調節軸流泵，配用TL900-24/2150型同步電機，工作方式為3用2備。

水泵機組為泵站的核心，其狀態監控對泵站的運行極為重要，可及時掌握泵站運行狀態，對提升泵站運行管理水平、節能環保效益和確保機組安全運行有著重要的現實意義。對水泵機組而言，振動問題占機組全部機械故障的60%～70%，針對振動異常的偶發性特點，本工程設1套機組在線監測系統，可以挖掘水泵機組早期故障征兆，準確判斷故障部位，提供水泵機組狀態發展趨勢、故障嚴重程度以及問題解決方案，從而結合泵站實際運行狀況制定決策、計劃維護時間和方式，選擇在水泵機組問題較輕、維護成本較低時解決問題。

2 在線監測系統結構及組成分析

在項目改造中，經過綜合分析，機組在線監測系統采用3層分布式結構，由現地監測層、信息采集及處理層、服務器及用戶終端層組成?，F地監測層由安裝于泵組及電機內的傳感器組成；信息采集及處理層包括機組數據采集單元，設置于現地機旁柜內；服務器及用戶終端層設中心服務器，布置在控制室。前端探測器振動信號采用標準4-20 mA模擬信號，通過專用傳輸通道上傳至機組數據采集單元；機組數據采集單元與中心服務器之間通過光纜采用標準以太網通信連接。

3 在線監測系統主要配置及測量參數探討

根據引灤大張莊泵站的工程特征、運行方式及泵站功能作用，本次研究采用的機組在線監測系統具有針對性地配置了所需要的系統功能，包括監控點位、點數、測量量類別、軟件硬件配置等，具體包括以下幾方面。

（1）每臺電機上機架設置2 只振動傳感器、電機下機架設置2只振動傳感器、葉輪外殼處設置2只振動傳感器，主要用于測量機組殼體振動速度和軸承箱體、殼體或結構的絕對（相對于自由表面）振動量。

（2）每臺電機水泵聯軸器處設置2 只電渦流傳感器、電機下機架處設置2只電渦流傳感器，主要采用非接觸式探頭、延長電纜、前置器等非接觸式裝置，測量徑向振動、軸向振動、轉速、鍵相、偏心、差脹、殼脹、軸向位移等運行數據。

（3）每臺機組設置1套機組數據采集單元，配備高性能處理器，具備獨立執行高速、大容量數據采集等能力，基于傳感器技術、信號處理技術、中斷技術、人機交互技術，采用四路同步監測模式，對機組的運行工況進行有效的監控，并將相關數據進行特征參數提取，得到機組狀態數據，完成機組故障的預警和報警，為機組建立一套嚴密的振動監測診斷分析體系，通過連續監測機組運行的重要狀態參數，及時了解機組的運行狀況，為事故征兆的預診斷提供重要的數據資料，為機組的安全運行提供可靠的保障。另外，機組數據采集單元還具備傳感器故障報警、擴展的自檢和備份系統，支持通信故障下繼續數據采集和存儲功能。

（4）每臺機組設置2 只轉速傳感器，用于測量水泵機組實時轉速。

（5）本泵站設置2 面機旁柜，機旁柜安裝于大張莊泵站機組LCU 柜旁。5 臺機組數據采集單元安裝在2 面柜內，另外，柜內設有采集和分析模塊、電源和開關模塊、通信模塊、液晶觸摸控制屏等裝置，可以顯示數據和簡易圖形，并可以進行報警設置。

（6）本泵站設置1 臺中心服務器，包括相關網絡設備、智能數據庫軟件、振動分析和處理軟件等。中心服務器具有良好的擴展性和兼容性，對傳輸的數據進行處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕上顯示，同時存儲和管理機組實時狀態數據、歷史狀態數據及各特征數據。

4 在線監測系統的主要功能探討

機組在線監測系統涵蓋傳感器技術、大數據技術、計算機技術以及人工智能等，各類傳感器采集機組振動、擺度、壓力、工況參數等數據，通過模擬信號上傳至機組數據采集單元，數據采集單元對數據進行初步處理，通過以太網傳送至中心服務器；中心服務器集中管理泵站所有數據采集設備，對監控機組進行設置，包括各水泵機組名稱、地址設置，各機組鍵相、擺度、振動、壓力、工藝量的設置，接受各機組傳輸參數，通過專用軟件，結合接收到的數據對水泵機組的狀態進行分析，生成機組總貌、單值棒圖、多值棒圖、軸心軌跡圖、波形頻譜圖、軸心位置圖、極坐標圖、振動趨勢圖、過程振動趨勢圖、多頻譜圖、轉速時間圖、波德圖、頻譜瀑布圖等圖表，給出機組的統計報表及日志，并通過診斷軟件對機組狀態進行分析、診斷、報警，給出指示與合理化建議。同時，機組在線監測系統可以實現與泵站計算機監控系統就地聯接，并負責與遠程監測中心服務器的通信，實現數據共享。

（1）實時監測。數據采集單元通過安裝在電機、水泵相應位置的傳感器采集數據并初步處理，在控制室以多種圖形顯示方式進行動態顯示實時數據的狀態，自動識別水泵機組的工作狀態，監測振動幅度、擺度、壓力、轉速等實時運行的數據，作為軟件進行分析判斷的基礎數據。

（2）趨勢分析。通過數據采集單元傳送的運行數據，分析水泵機組多個參量的變化趨勢，將每個參量按設定的時間形成對應參量的走勢分析，結合分析結果及現場運行工況，判斷機組故障發展趨勢。

（3）事故追憶。根據要求可在中心服務器中保存所設置年限的歷史數據，記錄機組開停機時間、運行累計時長、故障時間及運行參數異常、維修等情況，可自動或人工記錄，并根據訪問權限提供調閱參考。

（4）振動分析。針對每臺電機上機架、下機架、葉輪外殼、水泵聯軸器等監測點位，進行時域、頻域、變速過程等多種分析，根據振動類別分析可能存在的故障點。

（5）故障診斷?？商峁? 臺水泵機組常見故障的診斷，如設備不平衡、不對中、地基松動等各種涉及水泵、電機的故障。

（6）動平衡計算。振動分析和處理軟件中具有多種不平衡計算方法，為系統分析處理異常情況提供支持。

（7）時序分析。對重要開關量嚴格區分動作先后時序、分辨率不小于1 m/s。

（8）事件列表。記錄每一件事件的詳細情況，包括發生時間、參數異常情況、持續事件等內容，為運行管理人員的維護維修提供決策支持。

（9）數據管理。在中心服務器中自動存儲有關數據，形成歷史數據庫、實時數據庫和特征數據庫，具備數據采集、數據存儲、數據管理和數據查詢等基本功能，對機組現場數據、故障報警記錄、操作事件、設備管理信息等數據進行有效存取，為大張莊泵站機組運行管理提供基礎數據。

（10）報表打印。可定時打印報表、自動打印操作記錄、屏幕拷貝等，提高運行管理單位辦公效率。

（11）網絡通信?？膳c計算機監控系統進行通信，實現運行數據共享。

（12）Web瀏覽。支持內網、外網，在有權限的前提下通過瀏覽器進行監測分析操作。

5 結語

本泵站為天津市引灤入津工程一部分，機組在線監測系統設計在符合國家有關標準、規范前提下，遵循引灤入津工程對監控系統的有關要求及國際標準和國家有關的規范要求，符合計算機、網絡通信技術和自動控制技術的最新發展潮流，可以滿足工程整體自動化調度與管理要求，提升管理水平，節約運行成本，提高管理效益。

本泵站設置機組在線監測系統后，將明顯提高泵站的工作效率，提高機組運行的安全可靠程度，充分發揮泵站供水能力，滿足向中心城區供水要求，保障天津市生活和生產用水需要，促進經濟社會可持續發展。