泵站少人值守的泵組健康度分析輔助系統

許武燕

（天津水務集團有限公司 引灤爾王莊分公司，天津 301802）

泵站作為城市供水管理的樞紐，如今占據了越來越重要的地位。由于泵站所涉及到的設備眾多，因此對于泵站的管理工作會牽扯大量的精力。其中變電設備是供電系統的樞紐，開關柜內的觸點以及母線搭接，電纜端頭等部位很容易產生過熱現象。此外，水泵的軸溫檢測及振動檢測對于設備的日常運行也非常重要。

泵站少人值守的健康度分析輔助系統的設計思路是使用專業傳感探頭對變配電設備、機組設備以及控制機柜等進行全方位監測，通過實時數據比對，分析出泵組系統的運行健康度，對設備的非正常運行軌跡進行預警，以避免設備異常所引起的突發性故障，保持設備運行的平穩度及健康度，實現泵站少人值守。目前該系統已完成實施并應用于天津市寶坻區爾王莊泵站。

1 系統總體結構

系統主要由無線溫度傳感器、無線測溫管理、振動檢測裝置、噪聲傳感裝置、軸溫傳感器、通訊管理模塊、現場觸摸屏、中心管理終端等組成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1.1 無線測溫設備

無線測溫傳感器，主要圍繞在電力電纜的進線處，采用捆綁安裝方式，實時監控該電纜的溫度，并通過433 MHz 無線方式與測溫管理終端建立連接，將數據發送至管理設備。根據現場安裝條件的不同，無線測溫傳感器的選型分為有源型及無源型。其中無源型無線測溫傳感器，主要通過CT 感應方式取電，啟動電流≥5 A；有源型無線測溫傳感器，為電池供電型，電池使用壽命為3～5年。

1.2 振動檢測裝置

振動傳感器，主要用來檢測泵站機組設備工作時的振動位移。當前大型泵站的機組設備主要分為電機層、聯軸層以及水泵層。在機組設備3 個層間的所有軸心位置安裝振動傳感器，用于實時檢測電機工作時X 軸向、Y 軸向以及Z 軸向的振動偏心位移數據。測量時，測量儀器的傳感器與測點的接觸必須良好，并應保證具有可靠的聯結[1]。軸相對振動所采用的判據應是沿測量方向的振動位移峰峰值Sp-p[2]。振動傳感器通過Modbus 485 的方式與現場數據采集控制器進行通訊，對泵組實時振動數據進行采集。

1.3 噪音傳感設備

在機組設備的3 個層分別安裝噪音傳感裝置，噪音傳感器用于實時檢測設備工作時的分貝值。噪音測量所用儀器的性能，應符合現行國家標準《聲級計的電聲性能與與測試方法》的規定：積分聲級計應符合《積分平均聲級計》的規定[3]。噪聲傳感器通過Modbus 485 的方式與現場通訊管理模塊進行通訊，對泵組實時噪聲數據進行采集。

1.4 軸溫傳感器

軸溫傳感器，主要用于檢測機組運行時軸承的工作溫度，防止由于軸溫過熱所引起的設備故障。本項目的軸溫傳感器安裝類型選擇為接觸式，設備通訊方式為Modbus 485。

1.5 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊，安裝于配電柜、開關柜、計量柜、LCU 柜等柜體內，用于實時采集柜內的溫度及濕度數據。采集模塊通過Modbus 485 的方式與現場通訊管理模塊進行通訊，對柜內環境數據進行采集。

1.6 通訊管理模塊

通訊管理模塊，主要用于對系統內的Modbus485設備進行通訊匯總及數據管理，并根據通訊設備地址對采集到的運行數據進行二次排序，然后通過模塊自身的以太網通訊接口，接入巡檢系統數據環網。

1.7 觸摸屏

現場站區使用觸摸屏作為本地數據監控的操作終端，實時顯示泵房內各檢測點位的運行數據，方便值班人員在巡檢工作中隨時了解各設備的運行狀態。

1.8 中心管理終端

中心管理終端作為泵組健康度分析輔助系統的核心，主要用于對采集到無線測溫數據、振動位移數據、噪聲分貝數據進行進一步的整理分析。管理終端根據泵站實際情況，提前預設好各泵組設備的軸位移參數標準、工作噪音范圍標準、電纜接頭溫度預警標準等，將采集的運行數據與預設的參數標準進行實時比對，對異常數據進行報警處理，并提醒工作人員進行維修。同時，分析輔助系統會對以上數據進行跟蹤分析，對于將要超出正常使用參數范圍的設備進行提前預警，提示人員對該設備進行密切關注，啟用備用泵組設備進行合理輪換，對有運行異常趨勢的設備進行正常檢修及零部件保養，以避免由于設備故障所引起的不必要運行事故。

2 現場實施方案

2.1 泵站整體方案

本系統目前已于天津市寶坻區爾王莊泵站內實施。爾王莊泵站按照工藝處理位置，分為暗渠泵站、明渠泵站以及武清泵站。目前在暗渠泵站、明渠泵站、武清泵站內分散布置無線接收模塊及數據接收系統，并遵循電纜敷設路由簡化的原則，對設計范圍內的巡檢探頭進行通訊鏈路規劃，分鏈路、分批次地接入布置區域內的通訊管理模塊。通訊管理模塊對下行數據進行規劃整理，并重新對數據存放地址進行有效排列，最終通過設備自帶以太網口接入巡檢系統數據環網內。

現場數據顯示采取三級方式： 第一級為現場級，巡檢人員可在現場觸摸屏終端對該區域的實時運行數據進行查詢；第二級為站控級，值班人員可在暗渠控制室、明渠控制室以及武清泵站的控制室內通過站控巡檢計算機對該站區內所有巡檢探頭數據進行查詢；第三級為調度中心級，值班人員可在調度中心內，通過數據監控系統（已對所有泵站數據進行整合）對暗渠泵站、明渠泵站以及武清泵站的巡檢數據進行查詢。

2.2 子系統實施方案

接下來以暗渠泵站為例詳細講解一下子系統的實施方案。暗渠泵站巡檢系統主要由觸摸屏、通訊管理模塊、無線測溫傳感器、無線接收模塊、振動檢測裝置、噪音檢測裝置、溫濕度檢測裝置、站控監視計算機等設備組成。

系統按照巡檢監測設備的分布情況，布置4 套通訊管理子系統，其中2 套布置在現有機組控制柜，一套（以控制柜方式）布置在6 kV 變壓室內，一套（以控制柜方式）布置在35 kV 變壓室內。系統通過內置通訊管理模塊，按照管理機多串口分配的方式，與相應鏈路上的巡檢設備信號進行通訊。管理機對采集到信號進行整理排序，并將數據轉換為網絡信號，接入站內數據網絡。巡檢數據最終通過現場觸摸屏、本地監視計算機及調度中心數據監控計算機分別進行監控操作。

2.2.1 電機層實施方案

在暗渠泵站電機層安裝數據采集系統設備2套，用于采集電機、聯軸層、水泵層各監測點位的設備信號。每套采集系統設備包含通訊管理模塊1臺、無線接收模塊1 臺、電源模塊1 臺、觸摸屏1臺。

暗渠泵站電機層內有機組10 臺，每臺機組分別安裝振動傳感器1 臺、噪音傳感器1 臺、軸溫傳感器1 臺，其中振動傳感器測量電機X、Y、Z 三個方向的位移數據；噪音傳感器監測電機工作時的機器噪聲，軸溫傳感器監測電機設備在運行時的主軸溫度。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

在電機層的各機組LCU 柜、輔機LCU 柜、配電LCU 柜、網絡柜、在進線柜、饋線柜、聯絡柜等分別安裝溫濕度傳感器1 臺。溫濕度傳感器負責實時監測控制柜內的溫濕度工作環境。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

在電機層的電機柜、勵磁柜等高壓電纜的接線端子處安裝無線測溫傳感器，其中每個相線的接頭觸點安裝一臺傳感器。無線測溫傳感器通過無線鏈路將數據發送至無線接收模塊。

2.2.2 聯軸層實施方案

當前暗渠泵站聯軸層內有機組聯軸器10 臺，本項目在每臺聯軸器上分別安裝振動傳感器1 臺、軸溫傳感器1 臺，監測聯軸器X、Y、Z 三個方向的振動位移以及設備主軸的工作溫度。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

2.2.3 水泵層配置方案

當前暗渠泵站水泵層有機組水泵10 臺。本項目在每臺機組的水泵上安裝振動傳感器1 臺、噪音傳感器1 臺、軸溫傳感器1 臺。其中振動傳感器測量電機X、Y、Z 三個方向的位移數據；噪音傳感器監測電機工作時的機器噪聲；軸溫傳感器監測電機設備在運行時的主軸溫度。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

另外，暗渠泵站水泵層還有給水泵3 臺，排水泵3 臺。在每臺水泵上安裝振動傳感器3 臺，其中振動傳感器測量電機X 軸向、Y 軸向和徑向位移數據。由于給水泵及排水泵工作區域相對空間較小，本次在給水泵區域及排水泵區域分別安裝2 臺噪音傳感器，用以監視水泵運行時的工作噪音強度。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

暗渠泵站水泵層有給水泵控制柜3 臺，排水泵控制柜1 臺，在每臺柜內分別安裝電涌保護器1 臺及溫濕度傳感器1 臺。其中電涌保護器負責對柜內電源進線進行保護，避免由于發生雷電及瞬時過壓等情況對下游設備造成損壞；溫濕度傳感器負責實時監測控制柜內的溫濕度工作環境。以上設備均具備485 通訊接口，信號匯總后接入通訊管理機。

3 中心端實施方案

中心端配置數據終端，用于展示泵站內各工藝段設備的運行狀態及儀表數據。終端配置專業的工業組態軟件，軟件平臺通過以太網的方式與各工藝段的通訊管理模塊進行通訊，將各工藝段的運行數據進行匯總并在相應位置顯示。工藝數據展示界面如圖2所示。

圖2 工藝數據展示Fig.2 Process data display

中心端系統可按照單體設備結構，進行子設備參數匯總展示，方便了解單個機組設備的整體運行狀況，如圖3所示，用戶可直觀監視機組設備的配電情況、電纜接頭的電纜溫度、電機設備的振動位移、設備的噪聲分貝、軸承工作溫度等。

圖3 單體設備監控界面Fig.3 Single equipment monitoring interface

中心端系統具備逼真的工藝段俯視視圖，如圖4所示，高度還原泵站內實地操作位置，方便用戶進行指定設備的參數調用查詢。點開界面內的單體設備，可彈出單體設備的數據界面，如圖5所示，此界面可直觀的展示設備的實時運行數據。

圖4 工藝段俯視圖Fig.4 Top view of process section

圖5 單體設備數據界面Fig.5 Single equipment data interface

在系統界面中，用戶可設置各監控設備的臨界報警參數，如圖6所示，用于進行設備工作狀態輔助分析，當監測到的運行指標超過所設置的臨界報警參數時，系統會自動發出報警，提示用戶進行檢查。

圖6 報警參數設置界面Fig.6 Alarm parameter setting interface

當系統檢測到有設備運行異常的時候，會出現報警界面提示工作人員進行現場檢修，如圖7所示，工作人員也可以根據設備實際運行情況，合理安排設備進行輪轉檢修，做好保養維護工作。另外通過該輔助分析系統，用戶還可以及時發現由于設備長時間運行造成的噪聲增大、軸承過度偏軸、電纜接頭虛接過熱等安全隱患，防止小隱患升級成大故障，從而避免泵站發生運行事故。

圖7 實時報警界面Fig.7 Real time alarm interface

4 結語

泵站少人值守泵組健康度分析輔助系統利用自動化控制技術與無線通訊技術相結合，通過對專業傳感器實時數據進行整理及分析，對潛在的設備故障進行預警，為整體系統的運轉提供技術保障。此系統穩定可靠、操作簡單，可繼續進行深度改進，并推廣到其他工業領域中去。