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净水技术 2017,36(6): 100-106Water Purification Technology 李国平 原水输水泵站设备故障诊断和健康分析评估系统•[J ] •净水技术 2017， ,36(6):100-106. Li Guoping . Assessment system of equipment fault diagnosis and health analysis for raw water delivery pumping station [ J ] .Water Purification Technology , 2017,36(6) : 100-106. 原水输水泵站设备故障诊断和健康分析评估系统 李 国 平 (上海城投原水有限公司 ，上 海 200120) 摘 要 大型变频输水泵是城市原水供应的关键设备 ，长期处于复杂和频繁变化的工况下 ,为保障设备的安全优质运行 ，提 高管理水平和效益,研发了一套设备健康分析评估系统 。通过综合采集振动 、工艺 、电气、点检 、环境温度等 7 大指标，建立了 设备总体健康评估体系 ，客观评价机组总体健康状况 ，同时针对交变工况下如何进行温度的归一化评价 ，利用专家系统进行 异常故障的精确定位 并给出相应的解决思路，。
应用表明 该系统可客观有效地掌握机组总体状况，提高设备故障诊断的准 ， 确性和预知维修水平 ,具有较好的推广应用价值 。 关键词 设 备 健 康 评 估 归 一 化 评 价 P A R K 矢量法专家系统预知性维修 中图分类号：TU 991.3文献标识码 ：B文章编号 ：1009 - 0177(2017)06 - 0100 - 07 D O I ：10.15890/j .cnki jsjs. .2017.06.017 Assessment System of Equipment Fault Diagnosis and Health Analysis for Raw Water Delivery Pumping Station Li G u o p i n g ( Shanghai Chengtou Raw Water Co., L td., Shanghai 200120 , China) Abstract Large variable-frequency p umps are key equipment of city raw water supply, which are always operated under complex and frequently changing conditions. With the purpose of ensuring safe and good operation of the equipment, upgrading management level and creating economic benefits, the general equipment health assessment is developed by collecting information of 7 main indexes such as vibration, processing, electric, inspection, ambient temperature. The system also gives an idea of temperature normalization processing under changing conditions, and accurate judgement of abnormal equipment fault diagnosis by the expert system. Application shows that the health assessment system reflects general health condition of p u m p units objectively and effectively, improves accuracy of equipment fault diagnosis and foresees maintenance, which has good popularization and application value. K e y w o r d s equipment health assessment normalization evaluation P A R K vector method expert system predictive maintenance上海城投原水有限公司是上海唯一一家从事原水大型立式混流泵，是原水供应中最重要的生产设备。
开发、利用、保护、运行、维护和管理的大型专业化公大型变频混流泵是长期工作在频繁变化的工况中， 司。青草沙原水系统作为上海三大原水系统之一，承存在巨大的安全隐患。加强对此类设备的监测，掌 担了举足轻重的作用，日供水规模达到708万m3[H4]。握设备运行状况变化趋势，及时有效地进行预防性 其中五号沟泵站是亚洲最大的枢纽泵站，共有24台维护对提高生产效率，保持设备良好状态、减少运行中的意外故障，具有非常重要的意义。此前，此类机 [收稿日期]2 0 1 7 - 0 1 - 1 2组大多通过在线监测系统对振动、温度等状态进行 [作者简介]李国平（I960—）男，高级工程师，主要从事原水公监测[5]，但仍不能满足全面设备管理的要求，主要司生产技术、原水调度运行、设施设备更新改造和维护保养以及科研规划等管理工作，电话：（021)。体现在：1)各类监测系统独立运行，监测信息不能 [本文编辑]魏雨晴有效融合，不能对设备总体状况进行把握;2) 单一 一 100 —净 水 技 术V〇1.36,N〇.6,2017WATER PURIFICATION TECHNOLOGYJune 25th, 2017 报警策略不能适应不同运行工况，极易产生故障的性，同时通过预知维修模式的推广提高了维修的经 漏报和误报;3)对于异常设备没有进一步的故障性济性。
质和位置的判别，不能有效地指导设备维修工作。1 机 泵 健 康 监 测 评 估 系 统为了更好地保障设备安全，杜绝事故，从根本上健康评估系统的总体逻辑拓扑结构如图1所 改变传统的计划维修模式、节约维修成本，提高设备示，系统针对原水公司各主要泵站做了整体规划，并 管理水平，结合原水设备管理特点，特别构思了一套首先将青草沙原水厂五号沟泵站、金海泵站、冷却水 设备健康监测评估系统，该系统综合运用基于信息泵站，统一纳入设备健康状态监测评估系统进行集 融合的综合监测技术，基于多因素模型的综合健康中监测和状态评价。系统的总体架构也考虑到黄浦 评估技术，基于智能模糊推理的专家诊断技术，基于江原水厂，长江原水厂，松浦原水厂，青草沙水库管 时间系列模型的趋势预测技术，采用形象直观的用理分公司，逐步把这些泵站接入到系统中，实现了全 户界面展现方式，使运行人员能更及时、准确掌握设覆盖。考虑到各泵站监测的及时性和数据的完整 备技术状况;通过专家诊断系统能帮助寻找故障部性，系统采用“三级冗余”策略，即在泵站级、分厂级 位和原因；明确的综合健康状况评价为“智能调度和集团级均安装了数据库、部署了系统，监测数据和 系统”提供了有效参数。
因而，构建了新一代的智计算结果可在泵站本地存储和查看，并向上一级汇 能设备健康状况评价系统。经过4年持续跟踪和运总。公司总部管理中心可以完整浏览所有泵站检测 行，效果显著，极大地提高机组运行的安全性和可靠数据和健康评估结论。图 1 健康评估系统拓扑结构图Fig .1 Topological Structure of Health Assessment Systen系统综合采集来自振动，工艺、电气、点检、温度1 . 1 基于多指标的机泵健康评估 等与机泵健康状态密切相关各个量进行综合监测，根据“短板原理”，即机泵的总体状态取决于状 分析、评估健康状况，对出现问题进行智能诊断，并态最差的环节，系统采用了图2 中7大指标来反应 将结果通过PC软件、短信，手机APP方式进行可视机组的总体健康状况。 化展示，以下对系统化的主要特性进行介绍。图2中每个单项指标均取值为1、2、3、4四个值一 101 —李国平.原水输水泵站设备故障诊断和健康分析评估系统V〇1.36,N〇.6,2017份一运行时间单项评价值，指累计运行时间 （h )，反应机组的老化情况；—运行时间权值；^ 一效率单项评价值，指机泵的实时效率情况；'一 效 率 权 值 ；^ 一电流单项评价值，将电气常见故障的敏感参数进行量化后进行分级；% —电流权值；匕一设备的综合评价值。
图 2 综合健康评价7 大指标表1 总体健康评价结果取值范围Fig.2 7 Main Indexes of Comprehensive Health Assessment Ta .1 Value Range of Results forComprehensive Health Assessment 分别表示良好、可用、需维修、危险四个级别。为了计序号数值范围健康状态 算总体健康指标，考虑到不同指标对于机组总体健康1[ 1 . 0 — 1 . 2 ) 良好 状况影响程度不同，采用不同权值来进行总体结果计2[1.2 — 1.5)可用 算，用式(1)表示。为使现场设备的总体健康状态更3[1.5— 1.8)需检查 易于掌握，将总体指标按照其取值范围分为四级，如4[1.8— 4.0)需停机 表 1所示，分别为良好（绿色），可用（黄色），需维修系统评价结果在P C 界面显示如图3 所示，同 (橙色），停机(红色）四级，如果提示为停机(红色)表步在手机A P P 显示如图4 所示。 示现场必须停机。通过2〜3 个月运行和评估工作， 确定合理权值，提高评价结果的合理性和真实性。
V x W v + T x W T + C x W r + R x W vVI CK+ 5 x Ws + 份 x W 奶 + W x W #V =-R-a W V + W T + W C + WR + W W v⑴其中：V —振动单项评价值，振动评价值取多个分项指标的最大值，分项指标主要包括通频、各倍频以及轴承能量值等；图 3 综合健康评价结果显示W V —振动权值；Fig.3 Result of Comprehensive Health AssessmentT 一温度单项评价值，采用归一化的温度评价策略确定其级别；W T —温度权值；R —润滑单项评价值，润滑信息主要指润滑超期情况和润滑优质检测结果的量化等级；W R —润滑权值；- 一点检单项评价值，与该机组相联系的点检项目反映状态最差等级；图 4 手机A P P 显示W 5 —点检权值；Fig.4 Mobile A P P Display 一 102 —净 水 技 术V〇1.36,N〇.6,2017WATER PURIFICATION TECHNOLOGYJune 25th, 2017 1 . 2 归一化温度评价策略象直观。
通过对机泵各轴承以及定子温度的大量的历史 数据监测和分析表明[5_6]:(1)同一转速下机泵各2 / cosa cos(a - 120°) + 120°))cos (a^ ]iB 温度测点均随环境温度的变化而变化；（2 ) 同一环i 3 \ sin a sin (a - 120°) + 120°)asin(av ^ y 境温度下，各温度值会随转速的变化而变化，一般来A , 说，转速越高，温度值相应越高，环境温度越高，温度(3) 测量值也越高。为了剔除环境温度和转速对温度的影响，系统 设计了归一化温度计算方法[]，其基本思路如 式 ⑵ 。T = T x K x K (2)n r rpm e其中：^ 一归一化温度值；T r 一实测温度值；Krpm 一转速温度系数；K e —环境温度系数，通过历史数据学习得到关于环境温度和转速的非线性函数，将其离散化作为系数存储到数据库中，采用查表法进行温度数值归一化。1 . 4 基于信息融合故障诊断专家系统归一化计算后，系统按照归一化后温度确定其系统采用以振动、温度、电气、工况等多综合 评价标准，按照标准将温度评价结果量化为1(良指标为基础的故障规则知识的专家系统，对于大 好）、2(可用）、3(需检查）、4(危险)4个级别。
这样型混流泵的基础类故障，转子类故障，滚动/滑动 的标准具有数据稳定，剔除了环境温度和变频调速轴承故障、电气类早期故障给出明确提醒。形象 对其影响，较好地减少了误报和漏报，温度评价界面化表达诊断结果，并提示出相应的处理措施。并 如图7 所示。增强故障履历的管理，系统采用故障推理策略（图 1 . 3 基于PARK矢量法的电机故障诊断6)，对立式泵的常见故障有较好的自诊断针对性系统采用P A R K 矢量法提高电气故障诊断准确和准确性。 性。传统方法采用单相动态电流的细化分析方法进1 . 5 完备的振动信号分析体系 行转子断条等故障判别，由于负荷的波动导致特征系统同时提供完备振动分析体系，针对振动稳 频率不易定位且难以检测。基 于 P A R K 矢量方法态信号分析方法，含波形图，频谱图，相位谱，功率谱 的异步电机故障监测方法可以克服这一缺点。等分析方法。针对瞬态信号分析方法包括短时P A R K 矢量是基于 P A R K 变换(P A R K transform ation ) FFTWigner、 分析、小波分析等分析方法等;多通道 后形成的矢量，该变换是目前交流电机分析计算时信息融合以及全矢谱相关的分析方法主要有全矢倒 的基本变换形式，将两个轴线相互垂直的、旋转的定谱，全矢功率谱，全矢细化谱等。
分析方法图谱功能 子绕组产生的基波合成磁场，来代替原本由三相对均能实现无极放缩、自适应大小、支撑扫描线、光标 称定子绕组电流产生的合成基波旋转磁场，是一种处值显示等丰富的交互功能。系统提供了转子/轴 等效的三相到两相的变换。具体表现为，将定子三承的故障频率自动标注功能可实现任选频段的包络 相电流从（4 ，B ，C ) 坐标系转到（3 , ) 坐标系中，如 解调功能，可有效诊断轴承故障。 图5 所示，变换按照式(3)进行计算，由（^ ，g形成同时，系统提供一系列精细化管理的功能，减少 的矢量的轨迹为一以原点为中心的圆。通过长短轴现场设备管理人员的劳动强度，如采用声音报警和 的长度和偏转方向变化来判定故障类型和程度[]。弹出式设备状态提醒、增加事件日志、移动网页、润 用此方法可显著提高电气诊断准确性，而且更加形滑提醒等功能。一 103 —李国平.原水输水泵站设备故障诊断和健康分析评估系统V〇1.36,N〇.6,2017轴承故障结论基础故障类轴承故障类基础报I轴承诊断规则断规则断规则图 6 故障诊断专家系统逻辑Fig . 6 Expert System Logic of Fault Diagnosis 2 典 型 案 例 分 析2015年7月24日08牶40〜08牶50通过健康评估 系统监测到某泵站3#泵机组出现振动和温度突增， 系统出现醒目的评价报警和提醒。
图7为系统健康 评估的报警画面，图8为当时的温度单项评价报警。 该机组出现综合评价状态为三级（橙色）报警，系统 故障提醒存在轴承松动故障，同时有三项指标即温 度、润滑和实时效率报警，根据提示现场操作人员及 时进行了停机处理。图 8 温度评价图Fig . 8 Temperature Assessment停机后，通过调取系统相关分析界面得知，该事件是由于变频调速后引起，由图9 可知，转速由600 r/min降到540 r/min后约5 min内，泵驱动端水平和垂直振动及自由端垂直振动突然变大，泵驱动端水平振动由1.5 mm/s上升到4.4 mm/s，其中泵驱动端垂直振动增大较明显。驱动端轴承温度由35 °C升高到65 °C，机组运行异常。由图10可知，振动增大时系统运行波形中可以图 7 健康评价结果Fig .7 Result of Health Assessment 看出在故障出现时波形出现了明显冲击成分，这些 一 104 —净 水 技 术V〇1.36 ,N〇.6,2017WATER PURIFICATION TECHNOLOGYJune 25th, 2017图 9 振动温度趋势图Fig . 9 Trend Curves of Vibration and Temperature现此次故障原因为：转速段520〜570 r/min为临界转速区，进人此转速区域出现了共振，在以后的启停机时应快速通过此转速区。
图 1 0 异常振动时趋势图和频谱图Fig .10 Trend Curves and Spectrogram of Abnormal Vibration 都是松动类故障的典型特征。拆机后轴承如图11 所示，解体结果表明该泵驱动端轴承存在松动故障，图 1 1 松动轴承解体 应及时对泵驱动端轴承进行检查维修。经分析，出Fig .11 Disassembled Bearing一 105 —李国平.原水输水泵站设备故障诊断和健康分析评估系统V〇1.36,N〇.6,2017 3 健 康 评 估 系 统 的 应 用 成 果功能可以使设备管理随时随地进行。设备健康状态监测评估系统自2012年9月第1( ) 系统的综合评价结论通过网络服务接口将 期工程上线以来，经过长期跟踪和参数的调整，系统机组总体健康状况实时传送至原水调度平台，该健 运行稳定可靠，监测数据完整，通过形象可视化界面康状况称为智能调度的重要依据。 实时展示全厂机组的运行状况，各项功能均达到预4 结 论 期目标，特别是健康状况综合评价技术、振动综合评目前设备健康评估系统已经在城投原水全面推 价技术，温度预处理和归一化技术、趋势预测技术、广应用，累计已实施100台泵，涉及5个分厂，9个 动态电流分析等技术在本项目中得到了综合应用，泵站的集中监控，综合评价和故障诊断，为上海城投 突破了传统的单一指标监测的局限性。
通过长期的原水保障设备安全，实现智慧供水保驾护航。通过 推广和应用，健康评估系统应用价值突出，主要表现健康评估系统长期的推广应用说明。 在以下几个方面。( ) 综合采集振动，工艺、电气、点检、环境温(1)保障机泵运行安全，保障原水供应度等与设备健康状态密切相关的多源信息 ，建立系统的建设从减少和预防设备故障，减少维修针对性的设备总体健康评估体系，客观评价机组 成本，优化机泵运行等方面起到了非常好的效果。总体健康状况是
