基于多源信息融合的汽轮机油液监测研究

吴昭鹏， 颜江明， 王 军， 徐东华， 苏一丹， 李聚保

（1.中山市天乙能源有限公司， 广东 中山 528400；2.广州航海学院， 广东 广州 510725）

引言

我国发电厂以火力发电机组为主，多采用汽轮机组，是二氧化碳的主要排放来源。在国际和国内各种政策推动下，电厂在成本制约下，一方面必须逐步采用智能化设备改造，另一方面需要采用节能减排新技术。至今，我国统一的碳排放权交易市场已经运行了半年多，首批入围的主要就是火力发电厂。新的市场机制下，火电厂的环保工作不达标就需要花资金购买碳交易配额。面对可能增加的成本，电厂必须真正地去加大节能改造，主动使用更加清洁的能源，我国才能真正的做到减少全球二氧化碳排放。科技的进步，多传感器技术的发展，使得本系统能围绕多源信息融合的策略，进行汽轮机油液监测研究。能准确地监测关键零部件的实时状态，科学决策，有效控制，保证电厂发电系统的运行可靠性和连续性，促进电厂各项生产活动的有序进行[1]。

1 多源信息融合

在设备的不同状态监测和评估过程中，只对收集到的单个有用信息进行分析，做出的判断和诊断结果可能是不准确的，甚至是错误的。为得到准确率比较高的结果，就需要采集多个有用的信息，比如设备正常运行时的状态信息，近期的运行状态信息，随时间积累出的已有偏离值，故障发生时多个不同的状态信息等等。通过对设备采集得到的时间和空间上的多源信息分析，能做出更加准确的状态判断结果[2]。

多源信息融合技术的起源于二次世界大战末期，在军事和民用需求的强势推动下，如今已经在传统和新兴行业广泛应用。多源信息融合技术具有前沿性，是一门高度交叉学科，其高度的实用价值带来近些年持续的发展和研究[3]。

多源信息融合是研究发掘多个不同的信息源，通过多角度、多时段、多维度、多方面的处理，进行多源数据的不间断收集、连接、合并、配对和预估，从而深入的研究和分析问题和状态，提高决策的精度。多源信息融合是运用多个理论和方法对信息或数据进行综合分析的过程，用来分析和评估实际设备状态[4]。

2 实验平台搭建

在监测系统研发阶段，实验室中配置了一套汽轮机油液模拟循环装置。本实验平台有一个循环油箱（带粗滤器），油管（带旁通冷却装置），动力油泵，阀门组（连接多个传感器）。油液在泵的驱动下进入阀组，进而分配到每个传感器，经过微调，保证达到传感器的油液温度和压力在其工作量程内，且系统内的油液温度和压力能模拟工厂的多个实际工况。

系统启动，汽轮机油液循环经过多个传感器，完成工况数据采集，经过工业级智能网关完成数据格式的转换和通信协议的封装，自研开发的智能监控模块实时显示监控数据。同时，通过Lora 远距离无线传输单元送到工厂的监控中心，监控中心上位机运行在线分析软件，用多种仪表和图表动态实时显示数据，数据也同步到监控中心的数据中心长期保存，方便随时查询。多种报警功能，实时数据超过阀值时就触发声光报警，并在LOG 里记录下报警事件和处理过程。另外，借助监控中心强大的算力，做出智能评估和预测。

3 监测系统的设计

汽轮机油液监测系统是基于多源信息融合技术，系统的硬件设计主要包括电控单元硬件方案设计、板载实时操作系统设计、多个传感器选型、触摸屏显示单元和一些外围电路设计等等。

3.1 电控单元硬件电路板设计

前期开发采用飞凌嵌入式产品，基于NXP 系列的开发板，考虑核心板+外围板，大厂出品功能齐全，性能一如既往的稳定。核心板是CPU、RAM、FLASH和电源管理模块等核心芯片高度集成封装成一块小PCB 电路板。外围板上有很多种类的接口，如Ethernet、UART、IIC、USB、PWM、ADC 和CAN 等，非常方便进行多种外围器件的选型、连接和调试。基于上述的方式，做了该电控模块，并与整个监控系统联调，进行了多种功能测试。

最终产品的功能定型后，电控单元硬件电路也必须完全定下来，仍旧采用之前的核心板，只需重新设计外围板。电子器件选型，准备元件库，设计原理图，PCB 结构设计和布局，其中充分了考虑阻抗和叠层等性能问题。本方案的设计思路已在业内广泛应用，久经考验，成熟的核心板+自研外围板模式，提高系统稳定性，方便产品升级换代，缩短研发周期，降低开发成本（如图1 所示）。

3.2 嵌入式操作系统开发

电子监控单元外接多个传感器，实时进行多种数据处理和状态显示，且有大量数据实时通信的需求，这些任务带都带有某种程度的紧迫性，采用高速响应和高可靠性的实时操作系统是最有效的实现方式。处理后的结果能在极短的时效期内来去决定进一步的控制动作或触发下一个控制任务，这种快速响应能抓取一切能利用的资源完成实时任务，又兼顾实时任务间的协调一致性。

FreeRTOS 操作系统是RTOS 领域的老兵，在全世界范围内大量使用，开发文档相当齐全，最重要是免费和开放源码，方便全局把握，针对自己开发的硬件量身定做、深度裁剪。并且商业产品上也是可以完全免费。现今FreeRTOS 归属于科技界的巨头亚马逊，有了强大的靠山，更加规范的管理，也更加开发和自由。

电子监控单元有图形化多方式实时显示状态数据，本系统采用emXGUI 图形软件库开发的人机交互界面程序。该图形套件针对FreeRTOS 有丰富接口，两者搭配性能充分发挥。除常规控件，emXGUI 有大量的虚拟仪表控件，包括实时曲线、旋钮、开关、可改形状的仪表和动态滑块等工业用仪表。emXGUI 能做出多样的图形界面具有，工业风浓厚、风格新颖、功能性强和开发的程序小巧等优点，适合作为本系统的嵌入式GUI 界面。

3.3 传感器的选择

根据电厂汽轮机油液本身特性，机器的工作状态和工作的环境，选择工业级的传感器，主要考虑灵敏度高、精度高、量程大、响应快、功率小、体积小和工作可靠等因素。

3.4 工业智能网关的选择

工业智能网关能接入企业内不同种类的工业现场设备，方便数据大量采集，最终进行设备监控。智能网关的边缘计算能力强大，拥有多种主流的接口，如RS485、RS232、以太网和CAN 等，能通过2G/3G/4G网络和以太网接入，能满足大部分的工业场景应用。采用工业智能网关，能精简设备种类，提高单个设备的智能化水平，优化工控系统的流程，提高整体性能。

3.5 Lora 远距离通信

考虑监测设备是后期安装，传感器安装的位置不是太容易接近，或布线不方便等因素，可增加采用超远距离模块进行数据传输。LoRa 无线射频模块采用先进的调制技术，无需中继就可以实现无线远距离传输，抗干扰能力强，是传统的无线射频调制方式无法媲美的。

3.5 上位机的设计

MCGS 组态软件是深圳昆仑通态科技公司多年开发的工控产品，能实现现场设备监控和企业网络监控管理。可快速构造图形界面，减少开发时间，内置大量的绘图工具、虚拟仪表、工控曲线等。支持国内外主流的工控设备，如PLC、智能仪表、采集板、称重仪表、智能模块、网络设备和变频器等等。本系统开发的上位机是C/S 架构的，采用上述组件，在界面上能实时显示汽轮机油的温度、粘度、水分、颗粒度等数据，各变量还能以变化曲线的形式多样展示。同时，对部分控件采用渐进色和旋转流动等动画效果，监控界面友好美观，同时，采用ODBC 接口，与后台的MYSQL 数据库连接，能同时查询和导出多种状态数据并以XLS、CSV 等格式保存。该组态软件支持众多主流的网络通讯方式，后期更容易扩展维护（如图2 所示）。

4 结语

上述介绍的基于多源信息融合的汽轮机油液监测系统，经过测试实现了主要功能。在策略控制方面需考虑加入BP 神经网络功能模块，给客户提供更多的选择。