基于智能喚醒算法的泵機設備狀態監測系統設計

趙廣輝，溫焱明

（中山嘉明電力有限公司，廣東中山 528403）

0 引言

泵機設備是各類發電站中的核心設備，泵機設備的正常運行直接關系到發電企業的安全。近幾年來，由于工作環境逐漸惡劣、泵機設備使用人員操作不規范等問題的存在，使泵及設備事故頻繁發生，而泵及設備事故無論大小都會對整個行業的工作效率造成嚴重影響。因此采取更加有效的保護措施和現代化的技術手段保證泵及設備的安全可靠運行，成為了當前該行業領域提升工作效率和保證安全生產的有效途徑之一[1]。在受到更加惡劣的工作環境影響時，泵機設備不可避免地會產生各種故障問題，而故障時常會表現出異常的振動和溫度變化，這些振動信號和溫度信號中包含了大量泵機設備在日常運行過程中由于沖擊、磨損、腐蝕等因素引起的劣化或失效狀態信息。若能夠針對這一類狀態信息進行合理利用，可以更好地實現對泵機設備的高精度檢測，提高泵機設備的安全穩定運行水平[2]。基于此，本文開展泵機設備狀態監測系統設計。

1 泵機設備狀態監測系統硬件設計

為實現對各類泵機設備在運行過程中狀態的監測，開展對其監測系統的設計研究，構建如圖1 所示的泵機設備狀態監測系統硬件結構。從圖1 可以看出，在對各類泵機設備進行運行狀態監測時，主要針對其振動和溫度變化進行監測。因此，引入針對振動和溫度進行參數采集的傳感器設備[3]。

圖1 泵機設備狀態監測系統硬件結構

（1）振動監測傳感器選用STMicroelectronics 系列振動傳感器。該型號振動傳感器靈敏度為0.061 mg/LSB；傳感軸為空間坐標中的3 個軸線；工作過程中的電源電流為650 μA，電源電壓最小為1.62 V；工作溫度-40～+75 ℃；采用MouseReel 封裝結構；分辨率為18 bit。STMicroelectronics 系列振動傳感器可應用在工業領域、汽車領域、計算機領域中，已經具備良好的應用市場，因此將其作為本文監測系統當中的監測信號采集設備可以進一步提高本文監測系統的適用性。

（2）溫度監測傳感器選用ADT75ARMZ-REEL7 型號溫度傳感器。該型號溫度傳感器采用MSOP-9 封裝結構，可實現對泵機設備溫度測量范圍為-15～+125 ℃，電源電壓變化范圍在3.0～5.5 V。將該傳感器安裝在各個泵機設備表面，針對運行過程中的泵機設備，對其溫度進行實時測量，并將測得的溫度信號數據以無線方式傳輸到系統上位機當中。

2 泵機設備狀態監測系統軟件設計

2.1 基于智能喚醒算法的泵機設備狀態監測信號傳輸

在完成硬件結構設計后，對系統的軟件功能進行設計。為了滿足此系統的監測需求，在進行此部分設計時，引進智能喚醒技術，進行泵機設備狀態監測信號的傳輸設計。在此過程中，當泵機設備處于一種關停狀態時，此時前端獲取的檢測數據屬于“零值”數據，即不具備研究價值的數據，而過度傳輸此類數據，不僅會占用信號傳輸信道，同時也會在一定程度上影響設備振動能量的獲取，導致傳輸信道內大量冗余數據堆積。為了解決此種問題，提高系統對于泵機設備運行信號的傳輸效率，可在處理程序中集成喚醒技術[4]。

此過程的步驟為：啟動泵機設備運行信號傳輸處理程序→信號傳輸信道初始化處理→定位傳感器并獲取系統端傳感器信號→傳感器信號的專項處理→傳輸的信號值是否滿足連續性傳輸需求→當識別結果為“Y”時，跳轉下一程序，當識別結果為“N”時，跳轉信號采集程序→喚醒系統內無線傳輸模塊與信號通信信道→信號經過多個收發模塊程序持續發送→分析此時傳輸的連續性信號是否滿足信號傳輸需求→當識別結果為“Y”時，繼續發送25.0～50.0 組數據，當識別結果為“N”時，跳轉上個指令程序，進行信號連續性的再次評估→輸出信號傳輸信道→關閉無線傳輸通信模塊后能耗進入LPM（Link Power Management，鏈接電源管理）模式。

綜合上述分析可知，系統在傳輸泵機設備運行信號過程中，是時刻處于運行狀態的，而在此時獲取的信號便可以在很大程度上減少冗余信息的傳輸信道占用數量，實現信號傳輸的高效化。

2.2 泵機設備異常運行狀態報警

在確保傳輸的泵機設備運行狀態信號處于一種連續性趨勢后，使用系統人機操作界面，進行傳感信號的實時展示與預警。在此過程中，系統前端的信號接收器可將接收的信號傳輸到系統上機位程序，信號在此過程中，經過了解碼處理→節點編號識別處理→信號專項處理→去噪處理→導入更新處理等過程。在確保處理后的設備運行信號可以滿足系統監測需求后，將數據按照標準的格式進行數據庫導入。導入后根據系統設計的閾值，進行數據信號比對，當比對結果顯示監測的設備運行數據超出安全預警范圍后，控制面板將自動進行信號異常展示[5]。

此時，泵機設備在故障點前后數秒內的運行數據將以波形圖的方式呈現在人機交互界面中。自動觸發前端系統的預警信號，預警信號將通過泵機設備運行信號的傳輸信號進行傳輸。完成預警信號的傳輸后，系統自動執行設備報警，通過此種方式，便可以實現對泵機設備狀態的實時監控。

綜合上述分析，完成本系統的軟件功能設計，實現為泵機設備的穩定運行提供一個相對真實的支撐決策。

2.3 遠程在線監測及智能診斷系統的設計

基于智能喚醒算法的泵機設備狀態監測系統的設計應以監測為主、控制為輔，其檢測系統的設計核心在于采用多診斷技術結合的方式，對泵機進行多層次、多角度的運行狀態數據監測及分析，全方位監測及優化電機。遠程在線監測及智能診斷系統主要分為4 個主要功能。

（1）地理信息系統監測系統。采用地理信息系統技術對于泵機的生產狀態、地理位置和生產數據進行實施監測并呈現，對于泵機的生產、運行、故障及維修等數據信息進行實時查看，為后期的運行服務、維修管理等工作提供依據。

（2）在線監測系統。本系統將泵機的狀態監測、工藝過程狀態監測、管理過程狀態監測和遠程在線集中監測等進行融合，并通過泵機監測數據進行篩選、采集和融合，為智能診斷系統的建設提供相關依據。

（3）智能診斷系統。智能診斷系統是泵機遠程在線監測及智能診斷系統的核心，該系統可以通過智能診斷板塊、數據融合決策和神經網絡算法等技術實現泵機故障的事前預測、故障位置定位和故障原因診斷等子功能，結合智能化技術對于泵機或部件的某部分狀態故障進行自動運行報警及故障推送工作，進而生成泵機故障診斷結果及報告。

（4）泵機管理系統。泵機管理需要對于泵機狀態監測、上線時間、運行時長、運營時間等進行實時管理，為泵機的故障分析、診斷及預測提供豐富的數據信息，為泵機的故障維修提供更加精確、科學的故障診斷及處理方案，為泵機壽命的增強、泵機設備運行質量的優化奠定堅實的基礎，使泵機設備能夠在運行過程中保持正常運行。結合海量的系統數據建立非線性映射、計算能力強、自學能力強的智能喚醒算法，結合泵機生產端的相應管理數據，著力提升泵機的安全可控能力，培育經濟增長新動能，促進泵機的數據采集、狀態監測、數據融合、故障診斷、故障預測和故障診斷等技術促進泵機設備遠程在線監測及智能診斷工作質量的提升，促進我國制造行業競爭工作的新優勢。

3 監測系統應用效果

3.1 試驗準備

通過硬件層面和軟件層面完成對監測系統的設計，為了驗證該監測系統的應用效果，選擇將該監測系統應用到真實的發電站中，并針對其正在運行的泵機設備進行狀態監測。根據不同泵機設備，分別設置3 個傳感器，對其編號為01#、02#、03#。其中，01#傳感器用于對泵機設備溫度進行監測，02#和03#傳感器用于對泵機設備振動進行監測。

3.2 試驗結果分析

按照上述試驗準備，得到如圖2 所示的監測系統上位機界面顯示結果。從顯示結果可以看出，本文提出的監測方法能夠針對泵機設備的溫度和振動進行實時監測，并且能夠將準確的監測數據顯示在上位機當中。同時，在現實界面中通過設定各個軸的上限閾值和下限閾值的方式，能夠在第一時間對泵及設備的異常運行狀態進行報警，并顯示在上位機界面上。

圖2 監測系統上位機界面顯示結果

3.3 存在的問題

在試驗過程，通過數據接收裝置將各個傳感器采集到的數據接收并上傳到上位機中時，不同溫度條件下，溫度監測值與泵機設備實際溫度之間存在一定誤差，隨著監測次數的增加，溫度誤差逐漸增加，說明監測系統在實際應用中，其監測精度會受到監測系統使用次數的影響，原因可能是監測系統自身的自供電模塊存在異常。本監測系統在設計時，采用磁懸浮式電磁振動能量采集裝置與能源管理電路，對泵機設備在運行過程中產生的逸散能量進行采集，采用這種供電模式會造成監測系統運行穩定性在后期頻繁使用中出現問題，影響到系統的應用性能。針對這一問題，考慮利用無線傳感電路的方式為監測系統提供電能，并充分考慮到周圍實際環境，融合更多尖端能量供應技術，提升電源自身發電能力，從而提高監測系統運行穩定性。

4 結束語

當前，隨著各行業機械水平和自動化程度的不斷提高，泵機設備的維護、修理等也逐漸變得復雜和困難。本文提出一種全新的監測系統，用于對泵機設備的運行狀態進行實時監測。在后續的研究中，還將針對監測系統的功耗問題進行深入研究，從而設計功耗更低、功能更強的監測系統。