CN108869264B - 泵站机组故障诊断预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开泵站机组故障诊断预警系统，包括相互连接的数据采集通信单元、数据处理及存储单元、预警线建立单元、预警单元和故障诊断单元。所述系统监测泵站机组的定子温度‑时间曲线，并根据监控到的运行数据进行在线自诊断、给出分级预警，根据分级预警信息进行冗余切换，并为用户排除潜在机组故障提供优化指导。
Description
技术领域
本发明属于泵站机组故障诊断技术领域，具体是泵站机组故障诊断预警系统。
背景技术
当今社会，对水利工程的要求越来越高，在水利工程中，泵站必不可少，占据着十分重要的位置，其主要任务是负责防洪、防涝、灌溉和供水，不仅能够对水资源进行合理的调度，还能够有效的抵御有害的自然环境，确保人们的生命和财产不受损害。
泵站设置有水泵机组、电气设备和管道、闸阀等，能提供有一定压力和流量的液压动力和气压动力的装置。主要应用于：城市供水，污水系统，土木、建筑系统，农业水利系统，电站系统，化工系统，石油工业系统，矿山冶金系统，轻工业系统以及船舶系统等。
目前泵站主要是采用传统的维护和管理方式：主要采用点检、巡检与定期预防维修相结合的方式，对设备的监测常用方法是采用听声、触摸和观察等手段，但由于监测准确度得不到保障，监测方式缺乏自动化、智能化以及科学化，不能够及时进行安全评估，导致监测的总体效果不够理想，很难确定故障的性质、原因部位、类型以及劣化程度，对于后期的维修无法提出指导性的建议，不能够快速制定出维修方案，导致对泵站的维护和管理效率较低。
申请号107764336的专利申请公开了一种泵站运行状态实时在线监测及故障诊断系统和方法，所述系统包括泵站机组，还包括采集系统、主控系统以及服务系统，所述主控系统包括CPU控制器、工控机、存储模块、信号处理模块、显示模块和报警模块，所述工控机、存储模块、信号处理模块和报警模块分别与所述CPU控制器电连接；所述工控机安装有软件平台，且工控机分别与服务系统和显示模块通信连接；所述信号处理模块与采集系统通信连接，采集系统用于对泵站机组的各个监测点数据采集。该专利的缺点是仅能进行安全评估，但无法实时显示出预警等级，不能为用户进行泵站机组的潜在故障排除提供优化指导。申请号206563587的专利公开了一种用于提高泵站运行安全的动态预警监控系统，包括数据采集与处理单元和动态预警单元；所述数据采集与处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和第一无线模块；所述动态预警单元包括第二无线模块和报警显示模块；所述第二无线模块接收第一无线模块传来的数据，将信号发给报警显示模块进行数据的存储、显示和报警，其特征在于：所述数据采集模块包括用于获取泵站主机组水位、温度、电流及振动的水位检测单元、温度检测单元、电流检测单元以及振动检测单元；所述报警显示模块包括信号分类模块和信号存储、显示、报警模块，所述信号分类模块用于将所述第二无线模块接收的数据分成水位信号、温度信号、电流信号以及振动信号；所述信号存储、显示、报警模块包括比较单元和报警单元，所述比较单元根据设定的阈值与信号分类模块分类后的水位信号、温度信号、电流信号以及振动信号进行比较，所述报警单元根据所述比较单元的比较结果输出报警信号。该专利的缺点是仅能进行数据采集和分析比较，但无法实时显示出预警等级，不能为用户进行泵站机组的潜在故障排除提供优化指导。申请号201247411的专利公开了泵站控制系统故障的远程视频诊断装置，该专利具有故障视频监视和故障判别能力，可实现远程泵站控制系统故障视频识别、诊断和查询。但是该专利的缺点是无法实时显示出预警等级，不能为用户进行泵站机组的潜在故障排除提供优化指导。
综上所述，为了确保泵站的安全运行，对泵站机组进行科学有效地故障诊断预警是十分必须的，同时，根据监测数据实时显示出预警等级，为用户进行泵站机组的潜在故障排除提供优化指导具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种泵站机组故障诊断预警系统，所述系统能根据监测数据实时显示出预警等级，为用户进行泵站机组的潜在故障排除提供优化指导。
本发明的技术方案是以下列方式实现的：
泵站机组故障诊断预警系统，包括相互连接的数据采集通信单元、数据处理及存储单元、预警线建立单元、预警单元和故障诊断单元，
所述数据采集通信单元，获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
所述数据处理及存储单元，对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警单元；
所述预警线建立单元，根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
所述预警单元，将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，判定泵站机组当前的运行状态；
所述故障诊断单元，用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位。
优选地，所述系统还包括冗余切换单元。
具体地，所述冗余切换单元采用PLC方式，所述PLC采用独立机架冗余热备方式，系统可具有冗余的电源、CPU、通信模块等，所述PLC保证在这些模块任意一项出现故障时，自动切换到备用系统运行，并保证切换的无扰动。一旦出现故障的模块恢复正常，备用模块自动修复所述模块由于故障停机而缺少的数据，从而保证系统稳定性和数据的完整性。
具体地，所述冗余切换单元包括软件冗余切换和硬件冗余切换。所述软件冗余切换包括：系统运行过程中两个CPU同时启动和运行，在正常运行时只有主CPU发出控制命令，而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的命令，当主CPU发生故障时，备用CPU能够延续当时的实际状态接替主CPU发出执行命令，当所述系统发生特定故障时，所述系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。
所述硬件冗余切换包括：对泵站机组的重要部件采用冗余配置，包括了冗余的CPU、供电模块或用于冗余CPU通信的同步模块，根据特定的需求还可相应配置冗余客户服务器、冗余接口模块、冗余通信模块等。
优选地，所述系统还包括故障排除单元，当所述故障诊断单元确定的故障部位具有备用部件时，发送冗余切换指令给所述冗余切换单元，将故障部位的部件切换到备用部件。
优选地，所述数据处理及存储单元中进行小波去噪时，选取哈尔小波作为小波基。
优选地，所述数据采集通信单元包括带有无线适配器的智能传感器和通信模块。
优选地，所述通信模块包括有线通信模块和无线通信模块。
具体地，所述有线通信模块可以采用专网与公网相结合的方式设置。
具体地，所述无线通信模块可以采用GSM、SMS、GPRS、CDMA、超短波、卫星、扩频微波等方式设置。
泵站机组故障诊断预警方法，包括以下步骤：
数据采集步骤：获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
数据处理及存储步骤：对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线的特征值，并将其发送至所述预警单元；
预警线建立步骤：根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
预警单元步骤：将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，并以数字的形式显示比对结果，若显示为绿色，说明所述泵站机组运转正常；若显示为黄色，说明所述泵站机组的某个部件出现异常，需列入待维护清单；若显示为红色，说明所述泵站机组的某个部件已经出现故障，需维修处理；
故障诊断步骤：用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位。
优选地，所述数据处理及存储步骤进一步包括：对于当前泵站机组定子温度-时间曲线，以时间轴为顺序依次选取以下三个特征点：0°、70°和110°，然后基于特征点进行分区。
优选地，所述分区进一步包括：以所述泵站机组定子温度-时间曲线的基准运行曲线中的0°与70°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第一特征区域，以所述基准运行曲线70°与110°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第二特征区域。
优选地，所述数据处理及存储步骤进一步包括：在去噪后曲线上的原三个特征点对应的时间坐标附近取三个温度值的点，对三点进行定子温度的比较；若满足其中两个点均大于或小于另一点，则取该另一个点作为特征点。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1)通过对泵站机组定子温度-时间曲线的监测来判定泵站机组的故障状况并进行分级预警，为用户排除泵站机组的潜在故障隐患提供优化指导；2)本发明基于小波变化进行数据处理和特征值提取，特征点的选取以及分区的数量可选，可以在数据处理能力范围内尽可能最大的丰富特征值所表达的内容，提高故障判定准确度，同时，在数据处理能力较弱的情况下，可以适当减少分区、增大冗余数据来进行特征值提取，提取的特征值和经验特征值进行比对，判定泵站机组故障，判定情况通过不同颜色实时显示并区分预警等级，为用户排除泵站机组的潜在故障隐患提供优化指导；3)所述系统还具有冗余切换功能，当泵站机组的某个部位出现故障时，通过冗余切换将系统切换到备用部件上，保证系统稳定性和数据的完整性；4)本发明能够使用户及时了解泵站机组的运行状态，评估其运行状况，在泵站机组的故障早期实现预警及相关诊断以预防泵站机组的非计划停机事故，当泵站机组故障情况严重时，能及时进行相应的停机维修操作以最大可能减少泵站机组整体的损失。
附图说明
图1为本发明实施例的泵站机组故障诊断预警系统的示意图；
图2为本发明实施例的另一泵站机组故障诊断预警系统的示意图；
图3为本发明实施例的泵站机组故障诊断预警方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种泵站机组故障诊断预警系统，如图1所示，包括相互连接的数据采集通信单元、数据处理及存储单元、预警线建立单元、预警单元和故障诊断单元，
所述数据采集通信单元，获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
所述数据处理及存储单元，对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警单元；
所述预警线建立单元，根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
所述预警单元，将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，判定泵站机组当前的运行状态；
所述故障诊断单元，用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位。
具体地，所述预警单元可包括显示屏，用于实时显示所述泵站机组的实时运行数据、历史运行数据、预警状态等，便于用户通过所述显示屏直观了解泵站机组的运行状态。当出现预警信息时，所述系统可自动采取措施排除故障以解除预警，这里的数据监测、预警判断、故障诊断和故障排除的整个过程通过所述显示屏进行显示，同时通过所述数据处理及存储单元进行存储，便于日后查询、调用和大数据分析。
具体地，所述预警单元提供的绿色、黄色和红色表示泵站机组的故障等级依次逐渐递增。
具体地，所述数据采集及通信单元包括带有无线适配器的智能传感器。
具体地，所述通信模块可以是以太网模块。
如图2所示，所述系统还包括冗余切换单元和故障排除单元。在这里，所述冗余切换单元通过PLC方式进行，PLC采用独立机架冗余热备方式，系统可具有冗余的电源、CPU、通信模块等，PLC保证在这些模块任意一项出现故障时，自动切换到备用系统运行，并保证切换的无扰动。一旦出现故障的模块恢复正常，备用模块自动修复所述模块由于故障停机而缺少的数据，从而保证系统稳定性和数据的完整性。
所述系统还包括故障排除单元，当所述故障诊断单元确定的故障部位具有备用部件时，发送冗余切换指令给所述冗余切换单元，将故障部位的部件切换到备用部件。
如图3所示，提供一种泵站机组故障诊断预警方法，所述方法包括以下步骤：
数据采集步骤：获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
数据处理及存储步骤：对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线的特征值，并将其发送至所述预警单元；
具体地，对于当前泵站机组定子温度-时间曲线，以时间轴为顺序依次选取以下三个特征点：0°、70°和110°，然后基于特征点进行分区，所述分区进一步包括：以所述泵站机组定子温度-时间曲线的基准运行曲线中的0°与70°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第一特征区域，以所述基准运行曲线70°与110°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第二特征区域；
具体地，这里选用哈尔小波作为小波基进行小波去噪，在去噪后曲线上的原三个特征点对应的时间坐标附近取三个温度值的点，对三点进行定子温度的比较；若满足其中两个点均大于或小于另一点，则取该另一个点作为特征点；若三点之间的关系不符合以上条件，则对任一时间点坐标间隔一定时间步长取第四点，将最开始的第一点舍弃，将原第二点、第三点和新增的第四点进行新一轮的比较，以此类推；
具体地，将提取的特征值和所述经验特征值进行比对的同时，比较其温度和时间上的偏移量；
具体地，当前泵站机组定子温度-时间曲线与正常运行状态下定子温度-时间曲线具有可对照性，即采样开始时间、采样频率、采样结束时间相同；
预警线建立步骤：根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
预警单元步骤：将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，并以数字的形式显示比对结果，若显示为绿色，说明所述泵站机组运转正常；若显示为黄色，说明所述泵站机组的某个部件出现异常，需列入待维护清单；若显示为红色，说明所述泵站机组的某个部件已经出现故障，需维修处理；
故障诊断步骤：用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位。
具体地，对于当前泵站机组定子温度-时间曲线，以时间轴为顺序依次选取以下三个特征点：0°、70°和110°，然后基于特征点进行分区。所述分区进一步包括：以所述泵站机组定子温度-时间曲线的基准运行曲线中的0°与70°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第一特征区域，以所述基准运行曲线70°与110°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第二特征区域。
优选地，所述数据处理及存储步骤进一步包括：在去噪后曲线上的原三个特征点对应的时间坐标附近取三个温度值的点，对三点进行定子温度的比较；若满足其中两个点均大于或小于另一点，则取该另一个点作为特征点。
具体地，所述方法还包括冗余切换步骤，所述泵站机组故障诊断预警系统包括两个电源模块、两个CPU和两个以太网通信模块，当所述预警单元给出预警信息后，PLC自动切换到冗余的备用电源模块运行，并且切换无扰动，当所述主电源模块的预警状态解除时，所述冗余的备用电源模块自动修复所述主电源模块由于故障停机而缺少的数据，保证系统稳定性和数据的完整性。同样地，两个以太网通信模块分为主模块和备用模块，在主模块出现故障时，启动备用模块进行通信，在主模块恢复正常时，备用模块自动修复主模块的缺失数据，保证系统的稳定性和数据的完整性。
具体地，所述系统运行过程中两个CPU同时启动和运行，在正常运行时只有主CPU发出控制命令，而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的命令，当主CPU发生故障时，备用CPU能够延续当时的实际状态接替主CPU发出执行命令，当所述系统发生特定故障时，所述系统可以实现主备切换，备用CPU接替主CPU继续运行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，包括相互连接的数据采集通信单元、数据处理及存储单元、预警线建立单元、预警单元和故障诊断单元，
所述数据采集通信单元，获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
所述数据处理及存储单元，对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警单元；
所述预警线建立单元，根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
所述预警单元，将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，判定泵站机组当前的运行状态；所述预警单元包括显示屏，用于实时显示所述泵站机组的实时运行数据、历史运行数据、预警状态，便于用户通过所述显示屏直观了解泵站机组的运行状态；当出现预警信息时，所述系统自动采取措施排除故障以解除预警，这里的数据监测、预警判断、故障诊断和故障排除的整个过程通过所述显示屏进行显示，同时通过所述数据处理及存储单元进行存储，便于日后查询、调用和大数据分析；
所述故障诊断单元，用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位；
泵站机组故障诊断预警方法，包括以下步骤：
数据采集步骤：获取当前泵站机组定子温度-时间曲线，并将其发送至所述数据处理及存储单元，以及获取正常运行状态下至少三个月内的定子温度-时间曲线，并将其发送至所述预警线建立单元；
数据处理及存储步骤：对当前泵站机组定子温度-时间曲线进行基于特征点的分区，对分区后各特征区域内的曲线数据进行小波去噪，然后对去噪后的曲线数据进行特征值提取，得到定子温度-时间曲线的特征值，并将其发送至所述预警单元；
预警线建立步骤：根据接收的正常运行状态下至少三个月内的泵站机组定子温度-时间曲线，获取所述定子温度-时间曲线的基准运行曲线的经验特征值，并将其发送至所述预警单元；
预警单元步骤：将所述数据处理及存储单元提供的定子温度-时间曲线的特征值与所述预警线建立单元提供的定子温度-时间曲线的经验特征值进行比对，并以数字的形式显示比对结果，若显示为绿色，说明所述泵站机组运转正常；若显示为黄色，说明所述泵站机组的某个部件出现异常，需列入待维护清单；若显示为红色，说明所述泵站机组的某个部件已经出现故障，需维修处理；
故障诊断步骤：用于根据预先存储的泵站机组定子温度对应的典型故障种类特征和所述预警单元提供的信息确定故障类型并定位故障部位。
2.如权利要求1所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述系统还包括冗余切换单元。
3.如权利要求2所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述系统还包括故障排除单元，当所述故障诊断单元确定的故障部位具有备用部件时，发送冗余切换指令给所述冗余切换单元，将故障部位的部件切换到备用部件。
4.如权利要求1所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述数据处理及存储单元中进行小波去噪时，选取哈尔小波作为小波基。
5.如权利要求1所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述数据采集通信单元包括带有无线适配器的智能传感器和通信模块。
6.如权利要求5所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述通信模块包括有线通信模块和无线通信模块。
7.如权利要求1所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述数据处理及存储步骤进一步包括：对于当前泵站机组定子温度-时间曲线，以时间轴为顺序依次选取以下三个特征点：0°、70°和110°，然后基于特征点进行分区。
8.如权利要求7所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述分区进一步包括：以所述泵站机组定子温度-时间曲线的基准运行曲线中的0°与70°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第一特征区域，以所述基准运行曲线70°与110°中间时间点坐标为中心，时间5ms为半径，前后延伸，截取该时间段上采样点作为第二特征区域。
9.如权利要求8所述的泵站机组故障诊断预警系统，其特征在于，所述数据处理及存储步骤进一步包括：在去噪后曲线上的原三个特征点对应的时间坐标附近取三个温度值的点，对三点进行定子温度的比较；若满足其中两个点均大于或小于另一点，则取该另一个点作为特征点。
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