基于多源信息融合的汽輪機油液監測研究

吳昭鵬， 顏江明， 王 軍， 徐東華， 蘇一丹， 李聚保

（1.中山市天乙能源有限公司， 廣東 中山 528400；2.廣州航海學院， 廣東 廣州 510725）

引言

我國發電廠以火力發電機組為主，多采用汽輪機組，是二氧化碳的主要排放來源。在國際和國內各種政策推動下，電廠在成本制約下，一方面必須逐步采用智能化設備改造，另一方面需要采用節能減排新技術。至今，我國統一的碳排放權交易市場已經運行了半年多，首批入圍的主要就是火力發電廠。新的市場機制下，火電廠的環保工作不達標就需要花資金購買碳交易配額。面對可能增加的成本，電廠必須真正地去加大節能改造，主動使用更加清潔的能源，我國才能真正的做到減少全球二氧化碳排放?？萍嫉倪M步，多傳感器技術的發展，使得本系統能圍繞多源信息融合的策略，進行汽輪機油液監測研究。能準確地監測關鍵零部件的實時狀態，科學決策，有效控制，保證電廠發電系統的運行可靠性和連續性，促進電廠各項生產活動的有序進行[1]。

1 多源信息融合

在設備的不同狀態監測和評估過程中，只對收集到的單個有用信息進行分析，做出的判斷和診斷結果可能是不準確的，甚至是錯誤的。為得到準確率比較高的結果，就需要采集多個有用的信息，比如設備正常運行時的狀態信息，近期的運行狀態信息，隨時間積累出的已有偏離值，故障發生時多個不同的狀態信息等等。通過對設備采集得到的時間和空間上的多源信息分析，能做出更加準確的狀態判斷結果[2]。

多源信息融合技術的起源于二次世界大戰末期，在軍事和民用需求的強勢推動下，如今已經在傳統和新興行業廣泛應用。多源信息融合技術具有前沿性，是一門高度交叉學科，其高度的實用價值帶來近些年持續的發展和研究[3]。

多源信息融合是研究發掘多個不同的信息源，通過多角度、多時段、多維度、多方面的處理，進行多源數據的不間斷收集、連接、合并、配對和預估，從而深入的研究和分析問題和狀態，提高決策的精度。多源信息融合是運用多個理論和方法對信息或數據進行綜合分析的過程，用來分析和評估實際設備狀態[4]。

2 實驗平臺搭建

在監測系統研發階段，實驗室中配置了一套汽輪機油液模擬循環裝置。本實驗平臺有一個循環油箱（帶粗濾器），油管（帶旁通冷卻裝置），動力油泵，閥門組（連接多個傳感器）。油液在泵的驅動下進入閥組，進而分配到每個傳感器，經過微調，保證達到傳感器的油液溫度和壓力在其工作量程內，且系統內的油液溫度和壓力能模擬工廠的多個實際工況。

系統啟動，汽輪機油液循環經過多個傳感器，完成工況數據采集，經過工業級智能網關完成數據格式的轉換和通信協議的封裝，自研開發的智能監控模塊實時顯示監控數據。同時，通過Lora 遠距離無線傳輸單元送到工廠的監控中心，監控中心上位機運行在線分析軟件，用多種儀表和圖表動態實時顯示數據，數據也同步到監控中心的數據中心長期保存，方便隨時查詢。多種報警功能，實時數據超過閥值時就觸發聲光報警，并在LOG 里記錄下報警事件和處理過程。另外，借助監控中心強大的算力，做出智能評估和預測。

3 監測系統的設計

汽輪機油液監測系統是基于多源信息融合技術，系統的硬件設計主要包括電控單元硬件方案設計、板載實時操作系統設計、多個傳感器選型、觸摸屏顯示單元和一些外圍電路設計等等。

3.1 電控單元硬件電路板設計

前期開發采用飛凌嵌入式產品，基于NXP 系列的開發板，考慮核心板+外圍板，大廠出品功能齊全，性能一如既往的穩定。核心板是CPU、RAM、FLASH和電源管理模塊等核心芯片高度集成封裝成一塊小PCB 電路板。外圍板上有很多種類的接口，如Ethernet、UART、IIC、USB、PWM、ADC 和CAN 等，非常方便進行多種外圍器件的選型、連接和調試。基于上述的方式，做了該電控模塊，并與整個監控系統聯調，進行了多種功能測試。

最終產品的功能定型后，電控單元硬件電路也必須完全定下來，仍舊采用之前的核心板，只需重新設計外圍板。電子器件選型，準備元件庫，設計原理圖，PCB 結構設計和布局，其中充分了考慮阻抗和疊層等性能問題。本方案的設計思路已在業內廣泛應用，久經考驗，成熟的核心板+自研外圍板模式，提高系統穩定性，方便產品升級換代，縮短研發周期，降低開發成本（如圖1 所示）。

3.2 嵌入式操作系統開發

電子監控單元外接多個傳感器，實時進行多種數據處理和狀態顯示，且有大量數據實時通信的需求，這些任務帶都帶有某種程度的緊迫性，采用高速響應和高可靠性的實時操作系統是最有效的實現方式。處理后的結果能在極短的時效期內來去決定進一步的控制動作或觸發下一個控制任務，這種快速響應能抓取一切能利用的資源完成實時任務，又兼顧實時任務間的協調一致性。

FreeRTOS 操作系統是RTOS 領域的老兵，在全世界范圍內大量使用，開發文檔相當齊全，最重要是免費和開放源碼，方便全局把握，針對自己開發的硬件量身定做、深度裁剪。并且商業產品上也是可以完全免費。現今FreeRTOS 歸屬于科技界的巨頭亞馬遜，有了強大的靠山，更加規范的管理，也更加開發和自由。

電子監控單元有圖形化多方式實時顯示狀態數據，本系統采用emXGUI 圖形軟件庫開發的人機交互界面程序。該圖形套件針對FreeRTOS 有豐富接口，兩者搭配性能充分發揮。除常規控件，emXGUI 有大量的虛擬儀表控件，包括實時曲線、旋鈕、開關、可改形狀的儀表和動態滑塊等工業用儀表。emXGUI 能做出多樣的圖形界面具有，工業風濃厚、風格新穎、功能性強和開發的程序小巧等優點，適合作為本系統的嵌入式GUI 界面。

3.3 傳感器的選擇

根據電廠汽輪機油液本身特性，機器的工作狀態和工作的環境，選擇工業級的傳感器，主要考慮靈敏度高、精度高、量程大、響應快、功率小、體積小和工作可靠等因素。

3.4 工業智能網關的選擇

工業智能網關能接入企業內不同種類的工業現場設備，方便數據大量采集，最終進行設備監控。智能網關的邊緣計算能力強大，擁有多種主流的接口，如RS485、RS232、以太網和CAN 等，能通過2G/3G/4G網絡和以太網接入，能滿足大部分的工業場景應用。采用工業智能網關，能精簡設備種類，提高單個設備的智能化水平，優化工控系統的流程，提高整體性能。

3.5 Lora 遠距離通信

考慮監測設備是后期安裝，傳感器安裝的位置不是太容易接近，或布線不方便等因素，可增加采用超遠距離模塊進行數據傳輸。LoRa 無線射頻模塊采用先進的調制技術，無需中繼就可以實現無線遠距離傳輸，抗干擾能力強，是傳統的無線射頻調制方式無法媲美的。

3.5 上位機的設計

MCGS 組態軟件是深圳昆侖通態科技公司多年開發的工控產品，能實現現場設備監控和企業網絡監控管理?？煽焖贅嬙靾D形界面，減少開發時間，內置大量的繪圖工具、虛擬儀表、工控曲線等。支持國內外主流的工控設備，如PLC、智能儀表、采集板、稱重儀表、智能模塊、網絡設備和變頻器等等。本系統開發的上位機是C/S 架構的，采用上述組件，在界面上能實時顯示汽輪機油的溫度、粘度、水分、顆粒度等數據，各變量還能以變化曲線的形式多樣展示。同時，對部分控件采用漸進色和旋轉流動等動畫效果，監控界面友好美觀，同時，采用ODBC 接口，與后臺的MYSQL 數據庫連接，能同時查詢和導出多種狀態數據并以XLS、CSV 等格式保存。該組態軟件支持眾多主流的網絡通訊方式，后期更容易擴展維護（如圖2 所示）。

4 結語

上述介紹的基于多源信息融合的汽輪機油液監測系統，經過測試實現了主要功能。在策略控制方面需考慮加入BP 神經網絡功能模塊，給客戶提供更多的選擇。