虚拟仪器下回热系统监测与故障诊断系统研究

    汽轮机组回热系统是火电厂热力系统的核心，回热系统故障已成为影响汽轮机组稳定发电满负荷发电的主要原因之一。为保证火电厂回热系统的安全经济运行，实现远程状态监测、故障诊断及故障排除，采用虚拟仪器系统作为开发平台，构建了火电厂回热系统远程状态监测与多种诊断知识的故障诊断专家系统。在介绍虚拟仪器特点的基础上，详细阐述了系统监测参数、系统组成、系统功能及设计。实践证明，该系统具有有效性、灵活性和可扩展性等特点。
0  引言
    汽轮机回热系统是火电厂热力系统的核心。由于其长期运行于高温高压的状态，同时还受到机组负荷突变、给水泵故障、旁路切换等因素的影响，在某些情况下将导致回热系统频繁发生故障，从而造成严重的经济损失。因此，利用当前先进的计算机技术来开发远程状态监测与故障诊断专家系统，对高压加热器、除氧器、低压加热器、连接管道及阀门等部件的状态数据进行实时监测、记录、分析、报警和诊断，对确保电厂回热系统，保障整个火电机组长周期、安全、可靠并有效地运行具有重要的意义[1-3]。
    基于虚拟仪器实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW(laborato virtual instrument engineering work bench）的汽轮机组回热系统远程监测与故障诊断专家系统，它是在各部件状态数据实时采集的基础上，进行数据实时显示、存储、趋势分析、报表打印、报警和诊断。该系统能在数据信号异常或者自身异常触发下，自动加载故障诊断专家系统子模块，从而完成汽轮机回热系统的实时运行状态报告、各种可能故障的准确定位和提供各种维修参考意见。
1  LabVIEW简介
    LabviEW是美国M公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具[4]，主要应用于仪器控制，数据采集、分析、显示等领域，并使用于Windows CE、Windows95/98/2000/XP/2003、Macintosh、Unix、Linux、Sun等多种不同的操作系统平台。与传统语言不同，LabviEw采用G语言编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。
    将LabVIEW应用于汽轮机回热系统远程状态监测和故障诊断，具有以下优点[5]：①LabviEw具有强大的数据采集和IVI仪器驱动能力，搭建外围采集硬件过程更快；②LabVIEW自身集成了丰富而功能强大的数学工具以及数字信号处理子VIS，给回热系统状态数据的相关计算和分析带来了方便；③LabVIEW具有运行控制技术和多线程技术，这些技术使该系统各程序模块间数据传输无错化，同时能使系统整体实现高速稳定运行；④LabVIEW 具有强大的外部接口能力，可以实现 LabVIEW 与外部应用软件（如Word、Excel等）、C语言、C++语言、Windows, API、Matlab以及HIQ等编程语言的通信。特别是可以利用Matlab ScriPt来搭建模糊专家系统和神经网络模型，为系统提供方便；⑤LabVIEW具有强大的网络通信功能，支持TCP/IP协议、UDP协议，具有Data Socket技术和Rmote Panels技术，简化了该设计系统的网络化，使用户很容易在互联网上实现高速实时数据交换及远程监测与诊断。
2  回热系统监测与故障诊断专家系统
2.1 系统整体结构
    以型号N300-16.7/538/538机组为研究对象，对应的回热系统主要包括3个高压加热器、4个低压加热器和1个除氧器。状态监测的测量参数直接影响采集到的信息能否真实地反映回热系统的运行状态。参数太多会使状态监测复杂化，而且成本高；而参数太少又不能反映真实情况。因此，测量参数的合理选择是本系统的关键所在。根据回热系统的特点并结合故障诊断专家系统，需要监测的有以下参数：①各加热器进（出）口水温度；各加热器进（出）口蒸汽压力和温度；②疏水水位、水温度和调节门开度；③给水泵转速、后母管压力和水温度；④除氧器水位、内部水温、出口水温、抽汽压力、水位调节门开度、管阀位；⑤ 系统外围疏（水）汽管道漏损裂纹源信号；⑥ 加热器和除氧器整体的振动信号等。
             

    结合上述回热系统故障敏感信号和文献[3]可知，在信号数量多且特征不同的情况下，可以将其分为瞬变信号和缓变信号。根据实际的需要和上述信号特性可知，系统的采集硬件使用分布式体系结构。监测与智能故障诊断系统的硬件结构如图1所示。洲采集卡和工控机完成实时数据的采集、保存、显示以及异常状态特征提取、报警，并作为服务器向远程监测诊断专家系统提供实时数据和初态诊断报警结果等。工控机的数据库用来存储原始数据，并可通过网卡与企业内部网络进行连接，以实现资源共享。如果把工控机看成服务器，运行在厂级监测分析中心的计算机则可看作是客户机，实现对由服务器传来的数据进行分析和精确诊断；相对于远程公司诊断中心、远程服务中心及专家会诊意见作为客户端而言，厂级实时监测与诊断专家系统可以作为服务器。此时，利用 Remote Rlllels技术可以实现汽轮机回热系统厂级实时监测与诊断专家系统的远程面板的操作和控制，从而完成远程专家会诊等功能。
2.2 系统软件结构及实现
    系统的开发软件以LabVIEW为主，以Matlab和C语言为辅，以模块化设计思想进行设计。系统模块主要包括多线程控制、信号采集、用户界面操作、实时监测数据库管理、监测报警、故障诊断专家系统和网络化通信这7个模块。对应的系统软件结构如图2所示。
              
    各模块功能及实现方法如下。
    ① 多线程中央协调模块完成硬件与软件、软件模块与模块之间的协调运行。利用LabviEW 本身的多线程技术可以实现这一功能。
    ② 信号采集模块采集回热系统状态的相关信号，供其他模块利用；由于回热系统的复杂性以及要采集信号的多样性，实现方法要求比较严格。硬件采集采用分布式体系机构，将物理测量位置、信号频率特性相近的信号用同一采集卡接口采集，经现场处理后发往数据库管理模块。同时，网络化通信模块、故障诊断专家模块、监测模块、人机交互模块也可以采用多线程来实时地利用这些数据。
    ③ 数据库管理模块的功能是实时采集数据，为操作者设置参数的导出导入、生成报表，以及为其他模块提供历史数据调用等。可以利用LabVIEW用户开发的数据库访问工具包Lab SQL完成这些功能。Lab SQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabviEW 数据库访问工具，它利用ADO及SQL操作封装成一系列的Lab SQL VIS，支持任何基于ODBC的数据库。当然，如果有经济基础，可以选择利用M公司的SQL Toolkit 进行数据库管理子系统的设计。
    ④ 监测报警模块对实时数据进行分析处理，并通过特定的算法来完成监测报警、得出故障初步诊断结果，自动加载调用故障诊断专家系统模块。利用Lab-VIEW 中的数学分析函数库完成分析处理；监测、报警、故障诊断利用加权平均值与阀值差进行归一化量化；然后利用信息融合的方法（采用神经网络）进行综合处理闹，给出系统的故障诊断初步结果。同时，完成工况恶劣程度的声色报警和维修参考意见。
    ⑤ 故障诊断模块可根据实时监测数据并结合系统的故障诊断初步结果或人工输人进行系统的故障诊断。汽轮机回热系统机构的复杂性使其故障具有多层次、模糊不确定性，因高低加热器、除氧器设备不同等特点，很难用单一的判断方式将各种故障诊断精确化。因此，故障诊断模块采用基于多种诊断知识的故障诊断专家系统和上述监测报警中的初步结果来共同完成诊断任务[7-10]。故障诊断模块工作时，诊断系统会自动调用监测数据管理库中的数据并进行分类，归一化处理后，进人多种诊断知识的专家系统程序，然后通过使用信息融合方法，将报警中的初步结果和专家系统结果两种判断融合，从而得到比较精确的诊断结果。系统诊断推理流程如图3 所示。
            
      这些功能是在LabVIEW环境下，调用Matlab并结合LabviEW自身的数学分析函数库来完成搭建的。
    ⑥人机交互界面提供该软件系统整体的管理工作，包括数据采集通道设置、实时数据显示、数据处理显示以及各子系统控制（点击可以进入对应的子系统界面）等功能。各种显示效果可以通过Lab来设计，各VI之间的通信可以用Queue技术来完成。
    ⑦ 网络化通信模块实现系统与Intemet的通信，从而实现该系统的远程网络监测与诊断。设计的过程中主要采用Data Socket技术和Remote Panels技术，使用户很容易在互联网上实现高速实时数据交换和系统的远程面板发布。
2.3 系统软件设计
       在LabVIEW软件平台下[9-11]，利用LabVIEW外部接口调用Matlab神经网络模型和Matlah程序搭建基于多知识诊断的专家系统[10]，同时，利用该软件下基本的函数功能模块以及Data Socket技术和Remote Panels技术来实现系统的整体开发[5]。对应的故障诊断子系统可以点击对应的按钮来手动加载，当出现异常或故障时，系统会自动加载。
3  结束语
       基于多种诊断知识的回热系统故障诊断专家系统，在LahVIEW下调用Matlab软件程序，并利用 Data Socket 技术和 Remote Panels 技术实现了实时监测数据的网络化高速传输和诊断专家系统的远程面板控制，使回热系统运行状态和运行趋势一目了然。系统强大的软件功能为火电厂专业人员进行状态分析和故障诊断提供了十分便捷的工具，在一定程度上提高了火电厂回热系统的安全性和发电机组的经济性。该系统不仅能实现传统监测仪表中的实时信号监测的全部功能，而且对其不足给予了补充；它可以取代传统监测仪表中除传感器、采集卡以外的所有与体现回热系统信号有关的硬件，是一个轻型、稳定、相对经济化的监测诊断系统。