虛擬儀器下回?zé)嵯到y(tǒng)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究

    汽輪機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)是火電廠熱力系統(tǒng)的核心，回?zé)嵯到y(tǒng)故障已成為影響汽輪機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電滿負(fù)荷發(fā)電的主要原因之一。為保證火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及故障排除，采用虛擬儀器系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與多種診斷知識(shí)的故障診斷專家系統(tǒng)。在介紹虛擬儀器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有有效性、靈活性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。
0  引言
    汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)是火電廠熱力系統(tǒng)的核心。由于其長期運(yùn)行于高溫高壓的狀態(tài)，同時(shí)還受到機(jī)組負(fù)荷突變、給水泵故障、旁路切換等因素的影響，在某些情況下將導(dǎo)致回?zé)嵯到y(tǒng)頻繁發(fā)生故障，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，利用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來開發(fā)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng)，對(duì)高壓加熱器、除氧器、低壓加熱器、連接管道及閥門等部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄、分析、報(bào)警和診斷，對(duì)確保電廠回?zé)嵯到y(tǒng)，保障整個(gè)火電機(jī)組長周期、安全、可靠并有效地運(yùn)行具有重要的意義[1-3]。
    基于虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW(laborato virtual instrument engineering work bench）的汽輪機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng)，它是在各部件狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、趨勢(shì)分析、報(bào)表打印、報(bào)警和診斷。該系統(tǒng)能在數(shù)據(jù)信號(hào)異?；蛘咦陨懋惓Ｓ|發(fā)下，自動(dòng)加載故障診斷專家系統(tǒng)子模塊，從而完成汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告、各種可能故障的準(zhǔn)確定位和提供各種維修參考意見。
1  LabVIEW簡介
    LabviEW是美國M公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具[4]，主要應(yīng)用于儀器控制，數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等領(lǐng)域，并使用于Windows CE、Windows95/98/2000/XP/2003、Macintosh、Unix、Linux、Sun等多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。與傳統(tǒng)語言不同，LabviEw采用G語言編程，面向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。
    將LabVIEW應(yīng)用于汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：①LabviEw具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和IVI儀器驅(qū)動(dòng)能力，搭建外圍采集硬件過程更快；②LabVIEW自身集成了豐富而功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具以及數(shù)字信號(hào)處理子VIS，給回?zé)嵯到y(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算和分析帶來了方便；③LabVIEW具有運(yùn)行控制技術(shù)和多線程技術(shù)，這些技術(shù)使該系統(tǒng)各程序模塊間數(shù)據(jù)傳輸無錯(cuò)化，同時(shí)能使系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定運(yùn)行；④LabVIEW 具有強(qiáng)大的外部接口能力，可以實(shí)現(xiàn) LabVIEW 與外部應(yīng)用軟件（如Word、Excel等）、C語言、C++語言、Windows, API、Matlab以及HIQ等編程語言的通信。特別是可以利用Matlab ScriPt來搭建模糊專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為系統(tǒng)提供方便；⑤LabVIEW具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，支持TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議，具有Data Socket技術(shù)和Rmote Panels技術(shù)，簡化了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使用戶很容易在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換及遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷。
2  回?zé)嵯到y(tǒng)監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    以型號(hào)N300-16.7/538/538機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)的回?zé)嵯到y(tǒng)主要包括3個(gè)高壓加熱器、4個(gè)低壓加熱器和1個(gè)除氧器。狀態(tài)監(jiān)測的測量參數(shù)直接影響采集到的信息能否真實(shí)地反映回?zé)嵯到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。參數(shù)太多會(huì)使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測復(fù)雜化，而且成本高；而參數(shù)太少又不能反映真實(shí)情況。因此，測量參數(shù)的合理選擇是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。根據(jù)回?zé)嵯到y(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合故障診斷專家系統(tǒng)，需要監(jiān)測的有以下參數(shù)：①各加熱器進(jìn)（出）口水溫度；各加熱器進(jìn)（出）口蒸汽壓力和溫度；②疏水水位、水溫度和調(diào)節(jié)門開度；③給水泵轉(zhuǎn)速、后母管壓力和水溫度；④除氧器水位、內(nèi)部水溫、出口水溫、抽汽壓力、水位調(diào)節(jié)門開度、管閥位；⑤ 系統(tǒng)外圍疏（水）汽管道漏損裂紋源信號(hào)；⑥ 加熱器和除氧器整體的振動(dòng)信號(hào)等。
             

    結(jié)合上述回?zé)嵯到y(tǒng)故障敏感信號(hào)和文獻(xiàn)[3]可知，在信號(hào)數(shù)量多且特征不同的情況下，可以將其分為瞬變信號(hào)和緩變信號(hào)。根據(jù)實(shí)際的需要和上述信號(hào)特性可知，系統(tǒng)的采集硬件使用分布式體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。洲采集卡和工控機(jī)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、保存、顯示以及異常狀態(tài)特征提取、報(bào)警，并作為服務(wù)器向遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷專家系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和初態(tài)診斷報(bào)警結(jié)果等。工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，并可通過網(wǎng)卡與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)資源共享。如果把工控機(jī)看成服務(wù)器，運(yùn)行在廠級(jí)監(jiān)測分析中心的計(jì)算機(jī)則可看作是客戶機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)由服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和精確診斷；相對(duì)于遠(yuǎn)程公司診斷中心、遠(yuǎn)程服務(wù)中心及專家會(huì)診意見作為客戶端而言，廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷專家系統(tǒng)可以作為服務(wù)器。此時(shí)，利用 Remote Rlllels技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷專家系統(tǒng)的遠(yuǎn)程面板的操作和控制，從而完成遠(yuǎn)程專家會(huì)診等功能。
2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的開發(fā)軟件以LabVIEW為主，以Matlab和C語言為輔，以模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)模塊主要包括多線程控制、信號(hào)采集、用戶界面操作、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測報(bào)警、故障診斷專家系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化通信這7個(gè)模塊。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
              
    各模塊功能及實(shí)現(xiàn)方法如下。
    ① 多線程中央?yún)f(xié)調(diào)模塊完成硬件與軟件、軟件模塊與模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。利用LabviEW 本身的多線程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一功能。
    ② 信號(hào)采集模塊采集回?zé)嵯到y(tǒng)狀態(tài)的相關(guān)信號(hào)，供其他模塊利用；由于回?zé)嵯到y(tǒng)的復(fù)雜性以及要采集信號(hào)的多樣性，實(shí)現(xiàn)方法要求比較嚴(yán)格。硬件采集采用分布式體系機(jī)構(gòu)，將物理測量位置、信號(hào)頻率特性相近的信號(hào)用同一采集卡接口采集，經(jīng)現(xiàn)場處理后發(fā)往數(shù)據(jù)庫管理模塊。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化通信模塊、故障診斷專家模塊、監(jiān)測模塊、人機(jī)交互模塊也可以采用多線程來實(shí)時(shí)地利用這些數(shù)據(jù)。
    ③ 數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，為操作者設(shè)置參數(shù)的導(dǎo)出導(dǎo)入、生成報(bào)表，以及為其他模塊提供歷史數(shù)據(jù)調(diào)用等。可以利用LabVIEW用戶開發(fā)的數(shù)據(jù)庫訪問工具包Lab SQL完成這些功能。Lab SQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺(tái)的LabviEW 數(shù)據(jù)庫訪問工具，它利用ADO及SQL操作封裝成一系列的Lab SQL VIS，支持任何基于ODBC的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)然，如果有經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，可以選擇利用M公司的SQL Toolkit 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
    ④ 監(jiān)測報(bào)警模塊對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過特定的算法來完成監(jiān)測報(bào)警、得出故障初步診斷結(jié)果，自動(dòng)加載調(diào)用故障診斷專家系統(tǒng)模塊。利用Lab-VIEW 中的數(shù)學(xué)分析函數(shù)庫完成分析處理；監(jiān)測、報(bào)警、故障診斷利用加權(quán)平均值與閥值差進(jìn)行歸一化量化；然后利用信息融合的方法（采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行綜合處理鬧，給出系統(tǒng)的故障診斷初步結(jié)果。同時(shí)，完成工況惡劣程度的聲色報(bào)警和維修參考意見。
    ⑤ 故障診斷模塊可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合系統(tǒng)的故障診斷初步結(jié)果或人工輸人進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷。汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性使其故障具有多層次、模糊不確定性，因高低加熱器、除氧器設(shè)備不同等特點(diǎn)，很難用單一的判斷方式將各種故障診斷精確化。因此，故障診斷模塊采用基于多種診斷知識(shí)的故障診斷專家系統(tǒng)和上述監(jiān)測報(bào)警中的初步結(jié)果來共同完成診斷任務(wù)[7-10]。故障診斷模塊工作時(shí)，診斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用監(jiān)測數(shù)據(jù)管理庫中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類，歸一化處理后，進(jìn)人多種診斷知識(shí)的專家系統(tǒng)程序，然后通過使用信息融合方法，將報(bào)警中的初步結(jié)果和專家系統(tǒng)結(jié)果兩種判斷融合，從而得到比較精確的診斷結(jié)果。系統(tǒng)診斷推理流程如圖3 所示。
            
      這些功能是在LabVIEW環(huán)境下，調(diào)用Matlab并結(jié)合LabviEW自身的數(shù)學(xué)分析函數(shù)庫來完成搭建的。
    ⑥人機(jī)交互界面提供該軟件系統(tǒng)整體的管理工作，包括數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理顯示以及各子系統(tǒng)控制（點(diǎn)擊可以進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)界面）等功能。各種顯示效果可以通過Lab來設(shè)計(jì)，各VI之間的通信可以用Queue技術(shù)來完成。
    ⑦ 網(wǎng)絡(luò)化通信模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與Intemet的通信，從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與診斷。設(shè)計(jì)的過程中主要采用Data Socket技術(shù)和Remote Panels技術(shù)，使用戶很容易在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程面板發(fā)布。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
       在LabVIEW軟件平臺(tái)下[9-11]，利用LabVIEW外部接口調(diào)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和Matlah程序搭建基于多知識(shí)診斷的專家系統(tǒng)[10]，同時(shí)，利用該軟件下基本的函數(shù)功能模塊以及Data Socket技術(shù)和Remote Panels技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體開發(fā)[5]。對(duì)應(yīng)的故障診斷子系統(tǒng)可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕來手動(dòng)加載，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載。
3  結(jié)束語
       基于多種診斷知識(shí)的回?zé)嵯到y(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，在LahVIEW下調(diào)用Matlab軟件程序，并利用 Data Socket 技術(shù)和 Remote Panels 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化高速傳輸和診斷專家系統(tǒng)的遠(yuǎn)程面板控制，使回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行趨勢(shì)一目了然。系統(tǒng)強(qiáng)大的軟件功能為火電廠專業(yè)人員進(jìn)行狀態(tài)分析和故障診斷提供了十分便捷的工具，在一定程度上提高了火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的安全性和發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)監(jiān)測儀表中的實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)測的全部功能，而且對(duì)其不足給予了補(bǔ)充；它可以取代傳統(tǒng)監(jiān)測儀表中除傳感器、采集卡以外的所有與體現(xiàn)回?zé)嵯到y(tǒng)信號(hào)有關(guān)的硬件，是一個(gè)輕型、穩(wěn)定、相對(duì)經(jīng)濟(jì)化的監(jiān)測診斷系統(tǒng)。