基于PC测量和自动化平台的水电远程监测系统的设计

随着信息技术的进步和制造工业的不断发展，越来越多的水电站正在根据自己的设备特点，探索“运行状态检修”策略，即运用机组在线监测技术，在对机组运行状态进行分析的基础上，主要以设备的实际运行状态为依据，根据科学分析的结果来安排检修项目和时间，以达到既能确保设备运行安全，又能最大限度地提高电站经济效益的目的。

通过安装机组在线监测系统，灵活运用监测和分析手段，可以及时发现机组存在的问题。对故障进行性发展的机组，实施重点监测；对个别故障严重发展的机组，及早实施停机检修，将事故消灭于萌芽状态，做到防患于未然；而对运行状态良好的机组，可避免强迫性检修，延长机组大修周期，减少大修费用；对突发性故障，监测系统能自动记录下故障过程的完整数据资料，通过监测系统提供的分析工具进行及时分析，就可以迅速找到故障原因，最终解决问题。同时，监测系统长期积累的大量数据也为今后设备的设计、制造、安装与运行提供了有力的参考，便于改进和提高。

而在电厂进行状态监测系统的安装配置，是实现机组状态检修的基础。由于状态监测系统的数据采集平台一般放置在机组单元控制室或安放在现地，系统必须具有较好的抗振和抗干扰能力，才能保证数据的实时可靠采集。我们根据水电厂的实际需求，应用NI公司数据采集的PXI硬件平台和LabVIEW软件开发平台，设计开发了一套水电机组远程在线监测分析系统（HM9000 2.0系统），该系统综合应用了NI公司高性能、高精度和带隔离抗干扰的数据采集硬件模块和高可靠性的LabVIEW开发软件，不仅满足了水电机组监测系统对抗环境恶劣性、实时性和长期稳定运行的要求，也极大缩短了开发周期，节约了开发成本。

NI公司的PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）设备， 是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台，PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台，因此系统全线采用其PXI系列产品。

结构设计

由于不同用户对水电机组监测系统的要求也不尽相同，监测系统采用了基于因特网的可扩展结构。同组态监测软件不同的是，这种扩展性不仅体现在监测功能的自由定制组合上，还体现在能满足不同的现场环境需求，最大限度适应电厂不同的基础条件。

水电远程监测系统虽然是远程网络监测系统，但鉴于电厂对数据安全性和可靠性较高的要求，采用了本地版（Local Mode）和远程版（Remote Mode）相结合的模式，在网络环境不佳或出现问题时，现地仍可以进行监测分析显示，并能保证实时数据的连续可靠存储。与完全基于web网页技术的监测系统相比，拥有更高的可靠性，有效克服了状态监测系统网络化、远程化以后，过于依赖网络环境的问题。

监测系统分为数据层、服务器层和客户层，硬件分别包括信号传感器、采集机柜（集成PXI采集设备）、数据库服务器、监测系统客户端等几个部分。

首先，安装在机组各个部位的传感器将信号实时数据传输到机旁控制室的采集机柜，采集机柜的本地采集软件即时分析保存数据，并通知本地入库程序读取本地数据；同时，采集机柜将经过分析处理的实时数据送往数据服务器，数据服务器对其整理储存，以便定期提供机组运行状态日志、信号趋势和异常信息等。

电厂局域网内所有用户和连接在互联网上的用户，只要拥有管理和查看权限，就可以通过监测系统远程版浏览、查询、分析数据服务器上的机组最新状态数据。

系统结构如下图所示：

图1 监测系统结构图

平台设计

监测系统要适应电厂复杂的运行环境，必须具有良好的硬件平台；同时又要利于开发人员进行模块化扩展开发，因此必须具有良好的软件开发支持。由于LabVIEW开发软件对于采集平台的良好支持，而且采集部分有NI-DAQ驱动程序的支持，能在保证采集部分稳定性的情况下，较方便的进行后续开发，其开发软件采用了LabVIEW 8.2。

硬件平台采用了PXI 1031机箱、PXI8185嵌入式控制器和PXI6229多功能M系列采集卡。PXI 1031通用机箱采用了4个扩展槽，支持3U PXI模块，自动温控风扇速度，经过高加速寿命试验（HALT），可在50°C环境中无风险运行。集成PXI 1031机箱的采集机柜位于电厂厂房，因此必须有较好的耐温和抗振能力，PXI 1031能较好的满足此需求。

基于产品总体成本考虑，系统采用了中等配置的PXI 8185嵌入式控制器，该控制器集成了硬盘、USB、以太网及其他外设，采用了256MB SDRAM内存和1.2GHz Inter Celeron处理器，能够通过PXI Advisor配置完整的PXI系统，而且控制器已经安装好Windows操作环境和驱动程序，不需要额外添加系统软件购置费用。在实际应用中证明该配置能满足本地数据采集软件的硬件需求。

目前信号测点数目为32个通道，因此采用一块PXI6229 M系列采集卡进行信号采集。该采集卡采用了4路16位模拟输出和最高48位数字输出。

系统软件平台的开发采用了采集和分析监测分离的模式，由于LabVIEW跟底层硬件结合较好，采集部分采用LabVIEW开发，进行数据采集和存储，并显示基本的数据状态信息。界面如下图所示：

图2 数据采集程序界面

数据采集程序充分考虑了采集程序的可扩展性，可以通过选择界面进行采集卡的增加，以便监测更多的机组项目。采集程序对过来的信号进行分析判断，确认传感器信号是否有误。采集通道出错的信号通道红色显示，以便在现地提醒运行人员。32通道信号经过采集后保存成波形文件，文件每2秒钟更新一次。

扩展分析和远程监测平台采用了Delphi编程开发工具，基于TCP/IP的远程连接模式，其中本地入库软件安装在PXI 8185控制器中，实现本地数据入库。其中，LabVIEW开发的本地采集软件与Delphi开发的本地数据入库程序的交互模式，采用了本地采集软件调用Windows API发送消息，提醒本地入库程序更新数据库中实时数据，进而实现远程实时在线监测。

远程监测软件采用BS（浏览器/服务器）和CS（客户端/服务器）结合的模式，用户既可以直接打开网页，连接Web服务器，进行远程在线监测，也可以安装客户端，进行更加复杂的远程分析和监测。

测点配置

测点的选取是水电机组状态监测系统的关键问题，测点数量多少及布置的合理性将直接影响信号采集的真实性和整个系统的分析、诊断的可信度。系统在总结水电机组测试、电站运行自动化领域内众多专家现场试验经验的基础上，结合机组本身的设计、运行性能和结构特点，最终选择了具有代表性、能准确捕捉设备状态的监测点。测点名称和采集信号数据如下图所示：

表1 系统测点表

硬件率定

状态监测系统的可用性以及给电厂带来的经济价值，既取决于其在电厂的应用程度和使用人员的专业水平，也取决于硬件系统的采集可靠性。试想一下，一套采集信号数据不准确甚至错误的监测系统，根本无法为电厂运行或检修提供分析依据，最终只会在现场荒废或被拆卸掉。但现阶段而言，水电厂每年都有例行的检修任务，因此每次的检修工作，都会对状态监测系统安装的传感器有一定程度的影响，有时甚至会进行相关传感器的拆卸和再安装工作。

因此，我们采用LabVIEW 8.2开发了整个状态监测系统安装阶段的信号调节和硬件率定模块软件，基于LabVIEW良好的人机界面控件，和集成DAQ驱动后简易的数据采集编程，能够让电厂人员，在最短时间内熟悉传感器的率定和信号检测任务，从而大大保证了采集系统的数据可靠性。软件具体界面如下所示：

图3 传感器率定界面

系统功能

水电发电机组状态监测综合分析系统的设计构思，是通过实用而有效的功能定位和开放式的构成体系，分步、分块有计划逐步实现机组全状态监测的蓝图。系统在功能上突出了监测、查询和分析三部分，其中监测部分包括主监视图、振动波形图、振动棒图、轴心轨迹图、效率曲线等，以2～5s的速度即时刷新。功能介绍如下：

主监视图：用形象的图示方法，给出了监测系统中各个传感器实时传回的数据，并且给出机组当前的运行状态和基本参数，如果有报警信息，对应的通道数据会变红报警，并且状态栏显示当前所有的报警信息；

图4 系统主监视图

振动波形图：详细显示当前选定信号的实时波形，区别于静态的曲线图片，这里的波形可以自由放大缩小和数据导出；

振动棒图：将所有的监测信号，用棒条图的形式显示出来，可以更直观的看到各个信号的大小；

轴心轨迹图：根据水轮机组上导摆度、下导摆度、水导摆度的实时数据，计算并显示出实时的轴心轨迹图，如图4所示；

图5 轴心轨迹功能界面

效率曲线图：由于事先不知道机组的k值，所以根据差压传感器测的差压值得到指数流量，再结合实测水头值、发电机功率等数据，得到当前时刻的机组相对效率，并以动态点的形式，显示在效率曲线中。图示如下：

图6 机组效率监测界面

监测系统还具有强大的离线数据分析功能，提供一套完整的分析工具，可以对系统监测到的信息进行深入、全面的分析，从而辅助找到机组潜在问题的实质。它也是发现机组长期运行后的状态变化和查找慢变劣化故障的有力工具，以利于运行人员及时掌握机组最新的运行状态及瞬态过程的特征。

通过提供实时趋势分析和瀑布图分析，可以帮助运行人员及时掌握机组最新的运行状态及瞬态过程的特征，并可对频率、相位、峰峰值等各种参数输出趋势曲线，也可按时间、功率、水头和运行工况等参数进行数据检索后生成趋势曲线。

图7 三维瀑布图界面

监测系统能够提供完善的相关趋势分析功能，可以分析任意两个或多个参数之间的相互关系，其中横轴和纵轴可任意选定，时间段可任意设定，既可以以时间作为坐标轴，也可以选择某一过程参数作为坐标轴。如振动摆度和转速、负荷、水头、励磁电流、励磁电压之间的相互关系，为查找故障原因提供分析手段。

总结

水电机组状态监测综合分析系统以状态监测为基础，将本地和远程监测相结合，通过完善和可靠的状态监测软件，以及强大实用的数据分析工具，为水电厂的设备状态检修提供一个高效、智能化的运行状态评价平台。

随着设备监测手段和技术的提高，从现在的状态监测到以后的状态检修，是一项长期而艰巨的工作，现场数据和信息的积累也需要一个长期的过程，我们需要结合计算机技术和水轮机试验技术，扬长避短的综合各种方法，在充分总结运行维护经验的基础上，继续发展监测系统的功能，最终为推进机组实现状态检修而努力。