BS构架的汽轮机组状态监测与故障诊断系统

1、B/S构架的汽轮机组状态监测与故障诊断系统杨涛 黄树红 张金平 汪勇（华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074）摘要：为保证大型汽轮机组安全、可靠、经济和优化运行，开发了一个基于B/S结构的汽轮机远程状态监测与故障诊断系统，并成功的实现了在某电厂的多台机组的实际应用。该文介绍了该系统的硬件结构、组要功能、实现方法和应用实例。关键词：汽轮机组 远程监测 故障诊断 浏览器分类号：TH163B/S structure based remote state monitoring and fault diagnosis system for steam turbine groupsAbstra

2、ct:In order to ensure the large steam turbine groups security, stability, economy, and optimizing operation, we have developed a B/S structure based remote state monitoring and fault diagnosis system. The system has been successfully applied to several steam turbines in a power plant. The hardware,

3、major functions, implementation techniques, and applications of the system are introduced in this article.Keywords:steam turbine groups, remote monitoring, fault diagnosis, web0前言为了保证机组安全、可靠、经济和优化运行，科学评价设备状态，人们开发了多种类型的状态监测分析与故障诊断系统。现代监测诊断系统大致可以分为三类：（1） 嵌入式仪器仪表系统 这类系统由具有各种不同监测分析功能的嵌入式仪器仪表组成，采用模块化设计思想

4、，用户可以根据自己的需要进行定购。其缺点是用户只能在现场进行数据查看，而且故障诊断功能较弱，基本不具备远程诊断的功能。（2） 计算机化的在线监测与故障诊断系统 这类系统集数据采集、信号分析、数据管理为一体，是一个多信息处理系统，能够对机组运行状态进行实时在线监测、分析和诊断【1】。部分系统还具有远程通讯功能，用户能够在装有客户端软件的终端上查看部分数据。其缺点是基本不具有远程诊断功能，当机组发生故障时，专家还必须到现场进行数据分析和诊断。而且，系统的维护和升级比较繁琐，对操作系统的依赖较强，不同操作系统之间的数据交流困难。（3） B/S构架的汽轮机组状态监测与故障诊断系统近几年迅速发展起来的W

5、EB技术，使得状态远程监测与故障诊断系统成为可能。在企业中采用若干台计算机作为服务器，远程监测与故障诊断系统在服务器上运行。在生产设备上建立状态监测点用以采集设备状态数据并将数据写入服务器。理论上，通过Internet在任何地方都可以用浏览器得到系统的服务。当生产设备运行出现异常时，专家可以在远程通过授权登陆系统，提供在线技术支持。本文介绍作者为某电厂开发的基于B/S结构的汽轮机远程监测与故障诊断系统。作者简介：杨涛，男，1978年生，华中科技大学能源与动力工程学院教师，博士研究生，主要从事状态监测与故障诊断专家系统方面的研究1系统硬件体系结构图1为汽轮机组远程监测诊断系统的总体结构图。远程监

6、测诊断系统分布于图中的WEB应用服务器之上。数据采集工作站从汽轮机组TSI系统采集各种数据，按照数据库服务器的需求整理数据，然后通过网络发送到数据库服务器，分别存放在实时数据库、当前数据库和历史数据库中，供远程监测诊断系统使用。用户可以通过浏览器方式进入监测诊断系统，调用其中的所有功能。采集工作站数据采集工作站可分为振动数据采集工作站和其他数据采集工作站。振动数据采集工作站由振动信号预处理器和装有高速采集板的工控机组成，用来完成汽轮机组振动数据的采集。它针对机组的不同转速，采用键相外触发同步整周期采样或定频率采样两种模式获取振动数据，以共享二进制文件方式记录所采样的实时数据、启停数据和追忆数据

7、，其采样间隔到厂级MIS网汽轮机振动数据采集站图1 汽机振动监测和故障诊断系统硬件结构到厂级MIS网 系统选件数据采集。数据来自MIS网、DCS、DAS、DEH等监测诊断上位机Web应用服务器工程师站互联网异地远程用户汽轮机组及汽动给水泵TSI系统汽轮机振动数据采集站TSI系统其它信号，DCS，DAS等其他数据采集站电厂防火墙厂内用户2厂内用户N厂内用户1打印输出汽轮机组及汽动给水泵为1秒钟。为了提高信号分析的带宽，同步整周期采样频率为工频的128倍频，采集1024个数据，信号通道32个。其他数据采集工作站通过RS232通讯端口读取DCS发送的热工信号或通过网络从MIS系统、SIS系统读取所需

8、要的数据。WEB应用服务器WEB服务器行使本地数据库服务器和WEB服务器的功能。按三层网络结构的组成方式，应该单独设置数据服务器，但是考虑到系统的成本，将逻辑数据服务器和逻辑Web服务器集成在一台物理服务器上。服务器通过共享文件方式访问数据采集工作站，获得数据，写入数据库中。同时，作为WEB服务器，还提供了实时监测、历史查询及故障诊断功能，面向整个互联网用户。厂内授权用户登录到服务器，通过使用监测分析软件和故障诊断软件对机组故障进行诊断，并将结果取回给现场用户。若故障类型比较复杂，还可以向远方专家求救，专家通过互联网登录到Web应用服务器使用自己的知识进行诊断，将结果返回给现场用户，指导现场运

9、行。监测诊断工作站监测诊断工作站是一个典型的瘦客户机，它仅仅是一个可以访问监测诊断应用服务器的浏览器，用于显示监测诊断应用服务器的运行结果。并且随着商业浏览器的升级而升级，极大地简化了传统的C/S模型中繁重的客户端软件维护和升级工作。2软件平台的选择2.1 网络操作系统较为流行和常用的网络操作系统有UNIX、Windows NT/2000。UNIX非常稳定，而且性能优秀，有丰富的应用软件和开发环境支持，是大型网络系统和关键性应用的首选网络操作系统。但是UNIX也存在一些缺点，首先UNIX的生产厂商众多，各种UNIX之间差异很大，相互之间的兼容性较差。其次UNIX系统管理困难。另外，UNIX系统

10、以及与之搭配的其他应用系统或设备往往价格昂贵，对于中小型网络应用系统而言，成本太高，不划算。Windows NT/2000是微软公司推出的图形界面网络操作系统,拥有高级操作系统的性能，采用模块化设计，可防止出错的应用程序干扰其他应用程序或操作系统的运行。而且支持多种通讯协议，拥有丰富的应用软件和开发环境支持。虽然Windows NT/2000在性能以及稳定性上和UNIX还存在着一定的差距，但是基于Windows NT/2000的网络应用系统往往成本较低，有较高的性价比。因此汽轮机组远程监测诊断系统以Windows NT/2000作为其网络操作系统是合适的。2.2 数据库系统与Web服务器在Wi

11、ndows NT/2000上运行的数据库系统和Web服务器有很多种选择。数据库系统有：Oracle、Sybase System、Informix Online、SQL Server。Web服务器主要有：Internet Information Server和Netscape Enterprise Server以及Apach等。由于Internet Information Server与Windows NT/2000之间可以实现紧密无缝的集成，因此本文研究的汽轮机组远程监测诊断系统将采用Internet Information Server作为Web服务器平台。由于SQL Server的部分代码

12、直接运行于Windows NT/2000的核心态，所以SQL Server的内核比其他数据库系统要小得多，占用资源更少，效率更高。另外SQL Server还拥有动态锁定、异种数据复制、稳定的主机连接、支持超大型数据库VLDB（Very Large Database）、分布式数据仓库、并行事务执行等等卓越特性，因此本汽轮机组远程监测诊断系统的数据库系统选择了SQL Server 2000。2.3 客户浏览器由于远程监测诊断系统选择使用微软的Internet Information Server服务器作为应用服务器，并且远程监测诊断系统的具体实现需要使用ISAPI和DCOM技术，所以客户浏览器也必

13、须选择支持这些技术的Internet Explorer浏览器。2.4 软件开发平台目前全面支持微软的Internet应用开发技术的开发环境，有Visual Studio系列和Boland公司的Delphi系列。由于C+语言的灵活、高效，VC对所有Windows开发技术的完美支持，以及VC编写Windows底层或者核心应用的得心应手，使其成为所有高级Windows应用开发人员手中的至宝。而VB和Delphi走的则是另一条路线，它尽可能地隐藏Windows环境下编程技术的复杂性，是Windows平台上最易于使用的，最快速的应用开发工具，也是最受欢迎的大众化的开发环境。为了快速高效地设计合理的汽轮机

14、组远程监测诊断系统的体系结构，规划数据库系统的结构与性能，汽轮机组远程监测诊断系统主要采用Delphi、VB和ASP作为软件开发平台，减少用在程序编写上的时间，对于运行效率要求较高的神经网络训练算法和数据生成管理模块，采用VC编写。3. 数据库设计数据库结构如图2所示。如果将每秒中采集的数据都保存起来，系统的数据库设计将变的十分简单，只需一个实时数据库即可；然而对于波形数据，每个通道每次采集的数据为1024个点，每个点占4个字节，则一个通道占有4096个字节，对一台机组而言，保留一年的数据将会十分庞大。现在所具有的软、硬件水平也不足以处理如此庞大的数据。因此，需要对数据库进行分级处理，分为实时

15、数据库，只供实时监测使用；当前数据库保留3天的数据，数据间隔为10秒钟；历史数据库以30分钟的时间间隔保留一年的数据供查询使用。其构如图2所示。 监测诊断数据库历史数据库图2 监测诊断数据库结构图当前数据库实时数据库缓变量数据库故障诊断数据库缓变量数据库用以保存诊断所需的热工信号，因为其数据量量较小，所以不需要进行分级处理，每5秒中保留一组热工信号即可。4软件功能4.1 远程状态监测模块的功能远程监测模块包含报表分析和图形分析两个部分。报表分析把汽轮机组重要运行数据以日报表、随机报表、异常报表等的形式记录下来，供运行和维修人员参考。图形分析主要供机组运行人员和检修人员细致分析机组运行工况，协助

16、进行机组的故障预测和诊断【2】。报表分析包括：机组运行参数日报表。汽轮机组运行期间每天的主要参数报表，自动每隔若干分钟记录一次（记录密度可根据实际要求确定），供运行检修人员长期观察机组运行状况的变化。机组运行异常报表。记录汽轮机组有参数报警或出现异常，以及这些参数何时恢复正常的信息。供运行检修人员查阅近一段时间机组有过哪些异常情况，提前察觉某些故障的先兆。机组运行参数随机报表。方便对机组在某一段时期内的某些运行参数进行随机查询。机组运行人员可以随时从机组运行的历史数据中调出某一段时期内的某些特定参数数据，分析机组故障发生的原因或者寻找故障发生的先兆。机组事故追忆报表。详细记录事故发生的这几十分

17、钟内机组运行参数的变化请况，追忆范围是机组发生事故前的3分钟到故障发生后的若干分钟（可根据实际要求确定）。这部分数据较为完整地记录了事故由潜伏转而爆发的过程，为汽轮机组的设计、维修和运行人员提供分析事故原因、寻找事故预防措施的宝贵数据。图形分析包括：参数趋势分析图。供运行和维修人员对机组在某一段时期内的参数变化趋势进行分析。在该图中应能用不同颜色同时显示多条曲线，能观察关键时刻的参数值，也可以调整放大比例，细致分析参数的微小波动。追忆趋势分析图。供运行和维修人员对机组的事故追忆数据进行分析。在该图中也应能用不同颜色同时显示多条曲线，能观察关键时刻的参数值，也可以调整放大比例，细致分析参数的微小

18、波动。振动轴心轨迹图。供运行和维修人员对机组实时或某一历史时刻的轴心轨迹进行分析。由于某些汽轮机组故障的特征与一定的轴心轨迹模式有关，所以轴心轨迹图是汽轮机组故障诊断和预测的一种重要分析工具。振动频谱图。供运行和维修人员对机组实时或某一历史时刻的机组振动频谱进行分析。机组启停三维谱图。供运行和维修人员对机组实时或者历史上某次启停过程的振动数据进行分析，指导机组运行人员正确地完成机组启停操作。同时启停三维谱图还可以用来进行汽轮机转子的动平衡实验。机组振动波形图。以最直观、最易于理解的方式显示机组实时或在某一个历史时刻的振动状况。其波形模式、振动幅值和振动相位的变化可以作为机组存在何种故障或将会向

19、何种故障发展的分析依据。机组振动棒图。直观显示各种参数的大小，以及报警线。并在参数超过报警线后，会以明显的颜色（如红色）报警，提醒运行人员密切注意。一般机组振动棒图多用在实时运行状态监测。极坐标图。供运行和维修人员在极坐标下对对机组实时或者历史上某次启停过程的振动数据进行分析。波特图。反映幅值和相位随转速的变化关系。4.2 远程故障诊断模块的功能远程故障诊断模块包括：征兆故障对照表、正向推理、反向推理、故障诊断历史记录、机组状态综合评价，这五个功能模块。它们都是以动态报表的形式供用户查看。征兆故障对照表模块给出了远程监测诊断系统所能诊断的故障与其主要征兆的对应关系。正向推理通过若干个静态页面让

20、用户输入进行故障诊断的信号通道和机组存在的征兆及其可信度，然后从机组运行的实时数据中提取自动征兆，将这两种征兆综合起来作为机组存在的征兆集。再根据BP网络权值表中的结构和权值数据构造BP神经网络，把机组征兆集作为输入矢量，让BP网络进行前向计算，得到某种故障存在的可信度，依次构造所有的BP网络并进行推理得到各种故障存在的可信度，综合所有的结论并按可信度从高到低排序，生成诊断结论表，发送给用户。反向推理通过若干个静态页面让用户输入进行诊断的故障、信号通道和机组存在的征兆及其可信度，然后从机组运行的实时数据中提取自动征兆，将这两种征兆综合起来作为机组存在的征兆集。再根据BP网络权值表中这种故障对应的诊断网络的结构和权值数据构造BP神经网络，把机组征兆集作为输入矢量，让BP网络进行前向计算，得到这种故障存在的可信度，生成诊断结论表，发送给用户。历史诊断记录模块是对正向推理和反向推理产生的历史诊断记录进行查询，让用户查阅机组以前主要存在什么故障，以指导现在进行更有针对性的故障诊断。由于前面的故障诊断都是基于一个信号通道的数据进行故障诊断，