引滦大张庄泵站机组改造中应用在线监测系统探讨

杨 科，刘福春

（1.天津水务集团有限公司，天津 300042；2.天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 项目概况

引滦入津工程是天津城市供水的生命线，引滦入津输水明渠工程是引滦入津工程的重要组成部分，大张庄泵站是引滦入津输水明渠工程的终点提升泵站，该泵站为缓解城市供用水紧张、促进天津市经济社会发展发挥了重要的作用。大张庄泵站输水规模30 m³/s，共设5 台1.8 ZLQ-100 型立式全调节轴流泵，配用TL900-24/2150型同步电机，工作方式为3用2备。

水泵机组为泵站的核心，其状态监控对泵站的运行极为重要，可及时掌握泵站运行状态，对提升泵站运行管理水平、节能环保效益和确保机组安全运行有着重要的现实意义。对水泵机组而言，振动问题占机组全部机械故障的60%～70%，针对振动异常的偶发性特点，本工程设1套机组在线监测系统，可以挖掘水泵机组早期故障征兆，准确判断故障部位，提供水泵机组状态发展趋势、故障严重程度以及问题解决方案，从而结合泵站实际运行状况制定决策、计划维护时间和方式，选择在水泵机组问题较轻、维护成本较低时解决问题。

2 在线监测系统结构及组成分析

在项目改造中，经过综合分析，机组在线监测系统采用3层分布式结构，由现地监测层、信息采集及处理层、服务器及用户终端层组成。现地监测层由安装于泵组及电机内的传感器组成；信息采集及处理层包括机组数据采集单元，设置于现地机旁柜内；服务器及用户终端层设中心服务器，布置在控制室。前端探测器振动信号采用标准4-20 mA模拟信号，通过专用传输通道上传至机组数据采集单元；机组数据采集单元与中心服务器之间通过光缆采用标准以太网通信连接。

3 在线监测系统主要配置及测量参数探讨

根据引滦大张庄泵站的工程特征、运行方式及泵站功能作用，本次研究采用的机组在线监测系统具有针对性地配置了所需要的系统功能，包括监控点位、点数、测量量类别、软件硬件配置等，具体包括以下几方面。

（1）每台电机上机架设置2 只振动传感器、电机下机架设置2只振动传感器、叶轮外壳处设置2只振动传感器，主要用于测量机组壳体振动速度和轴承箱体、壳体或结构的绝对（相对于自由表面）振动量。

（2）每台电机水泵联轴器处设置2 只电涡流传感器、电机下机架处设置2只电涡流传感器，主要采用非接触式探头、延长电缆、前置器等非接触式装置，测量径向振动、轴向振动、转速、键相、偏心、差胀、壳胀、轴向位移等运行数据。

（3）每台机组设置1套机组数据采集单元，配备高性能处理器，具备独立执行高速、大容量数据采集等能力，基于传感器技术、信号处理技术、中断技术、人机交互技术，采用四路同步监测模式，对机组的运行工况进行有效的监控，并将相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警和报警，为机组建立一套严密的振动监测诊断分析体系，通过连续监测机组运行的重要状态参数，及时了解机组的运行状况，为事故征兆的预诊断提供重要的数据资料，为机组的安全运行提供可靠的保障。另外，机组数据采集单元还具备传感器故障报警、扩展的自检和备份系统，支持通信故障下继续数据采集和存储功能。

（4）每台机组设置2 只转速传感器，用于测量水泵机组实时转速。

（5）本泵站设置2 面机旁柜，机旁柜安装于大张庄泵站机组LCU 柜旁。5 台机组数据采集单元安装在2 面柜内，另外，柜内设有采集和分析模块、电源和开关模块、通信模块、液晶触摸控制屏等装置，可以显示数据和简易图形，并可以进行报警设置。

（6）本泵站设置1 台中心服务器，包括相关网络设备、智能数据库软件、振动分析和处理软件等。中心服务器具有良好的扩展性和兼容性，对传输的数据进行处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的方式在计算机屏幕上显示，同时存储和管理机组实时状态数据、历史状态数据及各特征数据。

4 在线监测系统的主要功能探讨

机组在线监测系统涵盖传感器技术、大数据技术、计算机技术以及人工智能等，各类传感器采集机组振动、摆度、压力、工况参数等数据，通过模拟信号上传至机组数据采集单元，数据采集单元对数据进行初步处理，通过以太网传送至中心服务器；中心服务器集中管理泵站所有数据采集设备，对监控机组进行设置，包括各水泵机组名称、地址设置，各机组键相、摆度、振动、压力、工艺量的设置，接受各机组传输参数，通过专用软件，结合接收到的数据对水泵机组的状态进行分析，生成机组总貌、单值棒图、多值棒图、轴心轨迹图、波形频谱图、轴心位置图、极坐标图、振动趋势图、过程振动趋势图、多频谱图、转速时间图、波德图、频谱瀑布图等图表，给出机组的统计报表及日志，并通过诊断软件对机组状态进行分析、诊断、报警，给出指示与合理化建议。同时，机组在线监测系统可以实现与泵站计算机监控系统就地联接，并负责与远程监测中心服务器的通信，实现数据共享。

（1）实时监测。数据采集单元通过安装在电机、水泵相应位置的传感器采集数据并初步处理，在控制室以多种图形显示方式进行动态显示实时数据的状态，自动识别水泵机组的工作状态，监测振动幅度、摆度、压力、转速等实时运行的数据，作为软件进行分析判断的基础数据。

（2）趋势分析。通过数据采集单元传送的运行数据，分析水泵机组多个参量的变化趋势，将每个参量按设定的时间形成对应参量的走势分析，结合分析结果及现场运行工况，判断机组故障发展趋势。

（3）事故追忆。根据要求可在中心服务器中保存所设置年限的历史数据，记录机组开停机时间、运行累计时长、故障时间及运行参数异常、维修等情况，可自动或人工记录，并根据访问权限提供调阅参考。

（4）振动分析。针对每台电机上机架、下机架、叶轮外壳、水泵联轴器等监测点位，进行时域、频域、变速过程等多种分析，根据振动类别分析可能存在的故障点。

（5）故障诊断。可提供5 台水泵机组常见故障的诊断，如设备不平衡、不对中、地基松动等各种涉及水泵、电机的故障。

（6）动平衡计算。振动分析和处理软件中具有多种不平衡计算方法，为系统分析处理异常情况提供支持。

（7）时序分析。对重要开关量严格区分动作先后时序、分辨率不小于1 m/s。

（8）事件列表。记录每一件事件的详细情况，包括发生时间、参数异常情况、持续事件等内容，为运行管理人员的维护维修提供决策支持。

（9）数据管理。在中心服务器中自动存储有关数据，形成历史数据库、实时数据库和特征数据库，具备数据采集、数据存储、数据管理和数据查询等基本功能，对机组现场数据、故障报警记录、操作事件、设备管理信息等数据进行有效存取，为大张庄泵站机组运行管理提供基础数据。

（10）报表打印。可定时打印报表、自动打印操作记录、屏幕拷贝等，提高运行管理单位办公效率。

（11）网络通信。可与计算机监控系统进行通信，实现运行数据共享。

（12）Web浏览。支持内网、外网，在有权限的前提下通过浏览器进行监测分析操作。

5 结语

本泵站为天津市引滦入津工程一部分，机组在线监测系统设计在符合国家有关标准、规范前提下，遵循引滦入津工程对监控系统的有关要求及国际标准和国家有关的规范要求，符合计算机、网络通信技术和自动控制技术的最新发展潮流，可以满足工程整体自动化调度与管理要求，提升管理水平，节约运行成本，提高管理效益。

本泵站设置机组在线监测系统后，将明显提高泵站的工作效率，提高机组运行的安全可靠程度，充分发挥泵站供水能力，满足向中心城区供水要求，保障天津市生活和生产用水需要，促进经济社会可持续发展。