發布日期：2022-10-03 點擊率：161
< 汽輪機組回熱系統是火電廠熱力系統的核心，回熱系統故障已成為影響汽輪機組穩定發電滿負荷發電的主要原因之一。為保證火電廠回熱系統的安全經濟運行，實現遠程狀態監測、故障診斷及故障排除，采用虛擬儀器系統作為開發平臺，構建了火電廠回熱系統遠程狀態監測與多種診斷知識的故障診斷專家系統。在介紹虛擬儀器特點的基礎上，詳細闡述了系統監測參數、系統組成、系統功能及設計。實踐證明，該系統具有有效性、靈活性和可擴展性等特點。摘要：
0 引言
汽輪機回熱系統是火電廠熱力系統的核心。由于其長期運行于高溫高壓的狀態，同時還受到機組負荷突變、給水泵故障、旁路切換等因素的影響，在某些情況下將導致回熱系統頻繁發生故障，從而造成嚴重的經濟損失。因此，利用當前先進的計算機技術來開發遠程狀態監測與故障診斷專家系統，對高壓加熱器、除氧器、低壓加熱器、連接管道及閥門等部件的狀態數據進行實時監測、記錄、分析、報警和診斷，對確保電廠回熱系統，保障整個火電機組長周期、安全、可靠并有效地運行具有重要的意義[1-3]。
基于虛擬儀器實驗室虛擬儀器工程平臺LabVIEW(laborato virtual instrument engineering work bench）的汽輪機組回熱系統遠程監測與故障診斷專家系統，它是在各部件狀態數據實時采集的基礎上，進行數據實時顯示、存儲、趨勢分析、報表打印、報警和診斷。該系統能在數據信號異常或者自身異常觸發下，自動加載故障診斷專家系統子模塊，從而完成汽輪機回熱系統的實時運行狀態報告、各種可能故障的準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工具[4]，主要應用于儀器控制，數據采集、分析、顯示等領域，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平臺。與傳統語言不同，LabviEw采用G語言編程，面向測試工程師而非專業程序員，編程方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力等特點。
將LabVIEW應用于汽輪機回熱系統遠程狀態監測和故障診斷，具有以下優點[5]：①LabviEw具有強大的數據采集和IVI儀器驅動能力，搭建外圍采集硬件過程更快；②LabVIEW自身集成了豐富而功能強大的數學工具以及數字信號處理子VIS，給回熱系統狀態數據的相關計算和分析帶來了方便；③LabVIEW具有運行控制技術和多線程技術，這些技術使該系統各程序模塊間數據傳輸無錯化，同時能使系統整體實現高速穩定運行；④LabVIEW 具有強大的外部接口能力，可以實現 LabVIEW 與外部應用軟件（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和神經網絡模型，為系統提供方便；⑤LabVIEW具有強大的網絡通信功能，支持TCP/IP協議、UDP協議，具有Data Socket技術和Rmote Panels技術，簡化了該設計系統的網絡化，使用戶很容易在互聯網上實現高速實時數據交換及遠程監測與診斷。
2 回熱系統監測與故障診斷專家系統
2.1 系統整體結構
以型號N300-16.7/538/538機組為研究對象，對應的回熱系統主要包括3個高壓加熱器、4個低壓加熱器和1個除氧器。狀態監測的測量參數直接影響采集到的信息能否真實地反映回熱系統的運行狀態。參數太多會使狀態監測復雜化，而且成本高；而參數太少又不能反映真實情況。因此，測量參數的合理選擇是本系統的關鍵所在。根據回熱系統的特點并結合故障診斷專家系統，需要監測的有以下參數：①各加熱器進（出）口水溫度；各加熱器進（出）口蒸汽壓力和溫度；②疏水水位、水溫度和調節門開度；③給水泵轉速、后母管壓力和水溫度；④除氧器水位、內部水溫、出口水溫、抽汽壓力、水位調節門開度、管閥位；⑤ 系統外圍疏（水）汽管道漏損裂紋源信號；⑥ 加熱器和除氧器整體的振動信號等。
結合上述回熱系統故障敏感信號和文獻[3]可知，在信號數量多且特征不同的情況下，可以將其分為瞬變信號和緩變信號。根據實際的需要和上述信號特性可知，系統的采集硬件使用分布式體系結構。監測與智能故障診斷系統的硬件結構如圖1所示。洲采集卡和工控機完成實時數據的采集、保存、顯示以及異常狀態特征提取、報警，并作為服務器向遠程監測診斷專家系統提供實時數據和初態診斷報警結果等。工控機的數據庫用來存儲原始數據，并可通過網卡與企業內部網絡進行連接，以實現資源共享。如果把工控機看成服務器，運行在廠級監測分析中心的計算機則可看作是客戶機，實現對由服務器傳來的數據進行分析和精確診斷；相對于遠程公司診斷中心、遠程服務中心及專家會診意見作為客戶端而言，廠級實時監測與診斷專家系統可以作為服務器。此時，利用 Remote Rlllels技術可以實現汽輪機回熱系統廠級實時監測與診斷專家系統的遠程面板的操作和控制，從而完成遠程專家會診等功能。
2.2 系統軟件結構及實現
系統的開發軟件以LabVIEW為主，以Matlab和C語言為輔，以模塊化設計思想進行設計。系統模塊主要包括多線程控制、信號采集、用戶界面操作、實時監測數據庫管理、監測報警、故障診斷專家系統和網絡化通信這7個模塊。對應的系統軟件結構如圖2所示。
各模塊功能及實現方法如下。
① 多線程中央協調模塊完成硬件與軟件、軟件模塊與模塊之間的協調運行。利用LabviEW 本身的多線程技術可以實現這一功能。
② 信號采集模塊采集回熱系統狀態的相關信號，供其他模塊利用；由于回熱系統的復雜性以及要采集信號的多樣性，實現方法要求比較嚴格。硬件采集采用分布式體系機構，將物理測量位置、信號頻率特性相近的信號用同一采集卡接口采集，經現場處理后發往數據庫管理模塊。同時，網絡化通信模塊、故障診斷專家模塊、監測模塊、人機交互模塊也可以采用多線程來實時地利用這些數據。
③ 數據庫管理模塊的功能是實時采集數據，為操作者設置參數的導出導入、生成報表，以及為其他模塊提供歷史數據調用等。可以利用LabVIEW用戶開發的數據庫訪問工具包Lab SQL完成這些功能。Lab SQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的LabviEW 數據庫訪問工具，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的數據庫。當然，如果有經濟基礎，可以選擇利用M公司的SQL Toolkit 進行數據庫管理子系統的設計。
④ 監測報警模塊對實時數據進行分析處理，并通過特定的算法來完成監測報警、得出故障初步診斷結果，自動加載調用故障診斷專家系統模塊。利用Lab-VIEW 中的數學分析函數庫完成分析處理；監測、報警、故障診斷利用加權平均值與閥值差進行歸一化量化；然后利用信息融合的方法（采用神經網絡）進行綜合處理鬧，給出系統的故障診斷初步結果。同時，完成工況惡劣程度的聲色報警和維修參考意見。
⑤ 故障診斷模塊可根據實時監測數據并結合系統的故障診斷初步結果或人工輸人進行系統的故障診斷。汽輪機回熱系統機構的復雜性使其故障具有多層次、模糊不確定性，因高低加熱器、除氧器設備不同等特點，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的故障診斷專家系統和上述監測報警中的初步結果來共同完成診斷任務[7-10]。故障診斷模塊工作時，診斷系統會自動調用監測數據管理庫中的數據并進行分類，歸一化處理后，進人多種診斷知識的專家系統程序，然后通過使用信息融合方法，將報警中的初步結果和專家系統結果兩種判斷融合，從而得到比較精確的診斷結果。系統診斷推理流程如圖3 所示。
這些功能是在LabVIEW環境下，調用Matlab并結合LabviEW自身的數學分析函數庫來完成搭建的。
⑥人機交互界面提供該軟件系統整體的管理工作，包括數據采集通道設置、實時數據顯示、數據處理顯示以及各子系統控制（點擊可以進入對應的子系統界面）等功能。各種顯示效果可以通過Lab來設計，各VI之間的通信可以用Queue技術來完成。
⑦ 網絡化通信模塊實現系統與Intemet的通信，從而實現該系統的遠程網絡監測與診斷。設計的過程中主要采用Data Socket技術和Remote Panels技術，使用戶很容易在互聯網上實現高速實時數據交換和系統的遠程面板發布。
2.3 系統軟件設計
在LabVIEW軟件平臺下[9-11]，利用LabVIEW外部接口調用Matlab神經網絡模型和Matlah程序搭建基于多知識診斷的專家系統[10]，同時，利用該軟件下基本的函數功能模塊以及Data Socket技術和Remote Panels技術來實現系統的整體開發[5]。對應的故障診斷子系統可以點擊對應的按鈕來手動加載，當出現異常或故障時，系統會自動加載。
3 結束語
基于多種診斷知識的回熱系統故障診斷專家系統，在LahVIEW下調用Matlab軟件程序，并利用 Data Socket 技術和 Remote Panels 技術實現了實時監測數據的網絡化高速傳輸和診斷專家系統的遠程面板控制，使回熱系統運行狀態和運行趨勢一目了然。系統強大的軟件功能為火電廠專業人員進行狀態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熱系統的安全性和發電機組的經濟性。該系統不僅能實現傳統監測儀表中的實時信號監測的全部功能，而且對其不足給予了補充；它可以取代傳統監測儀表中除傳感器、采集卡以外的所有與體現回熱系統信號有關的硬件，是一個輕型、穩定、相對經濟化的監測診斷系統。
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