水轮机通用状态监测系统

URANUS-2012PCM通用型状态监测系统介绍

1、URANUS-2012PCM系列采集装置说明

URANUS-2012PCM系列采集装置是西安万诚自动化技术有限公司和西安理工大学联合在原Uranus-2008硬件平台上研发出来的全内置集成采集装置，按照采集通道的配置不同，包含了PCM16（用于16通道数据采集）,PCM32（用于32通道数据采集）,PCM48（用于48通道数据采集）,PCM64（用于64通道数据采集）四个子版本，新URANUS-2012PCM装置采用高集成度和最先进的数字信号处理技术为平台，结合西安理工大学水电学院多项科研项目成果设计而成，系统具有以下特点：

一、高集成度和高可靠性2U结构设计

URANUS-2012PCM采集装置为高集成度高可靠性设计，采用标准2U高度的19寸机架式结构，便于安装和维护，节省了大量的安装空间。传统的插拔式模块结构，由于灰尘或振动环境影响，造成连接器故障或是模块松动，导致系统运行故障。URANUS-2012PCM采集装置采用了单板系统结构设计，避免了接插件的结构可能带来的故障问题，高集成度的智能处理芯片组使处理效率更高、性能更优、处理速度更快、结构更简单，非常适合作为电厂专用装置系统平台使用。

二、高精度高速多路采集通道

系统采集以堆叠形式设置多功能采样通道，单机可以实现16~64路多功能采样通道,每个通道16位精度,最高速度可达100kHz.专为匹配振摆保护软件而设计的通道可由软件组态配置和设定,可连接多种传感器,处理各种电压和电流信号,并设置有硬件抗混叠滤波功能。各通道隔离运行，其中一个通道故障不影响其他通道的正常使用。

三、继电器输出功能

16通道独立继电器输出功能，能够通过保护软件的组态功能绑定到各个监测通道，实现节点继电器报警输出功能。

信号的高速采集和高效率的算法确保报警和保护的实时性和准确性。

四、高速开关量通道

系统配置有8通道差分开关量高速监测通道，最高速度可达10khz，实现高频信号的信号监测，辅助判断机组各监测量是否达到报警值或保护值，进一步提高报警和保护可靠性。

五、前面板一体化触摸显示屏

系统前面板带有3.5寸一体化高分辨触摸显示屏，能够现地显示各监测通道的实时监测值、报警状态和机组转速等信息，数据实时刷新，可以作为一个独立的显示设备。

六、录波功能

系统具有自动录波和手动录波功能，根据需要对各通道进行高密度录波并存储，以备时候分析处理。

七、数据热备份功能

系统带有专用的热插拔硬盘装置，可以同时装入两块2.5寸硬盘，作为数据备份硬盘，并支持热插拔功能，更换硬盘同时不影响系统正常运行。备份数据为标准的数据格式，可以被奥技异URANUS-2012PCM软件载入，进一步波形分析和故障诊断。

八、多种通讯方式

由于URANUS-2012PCM采集装置是基于高集成的数字化系统平台，其通讯方面具有强大的功能，目前广泛应用于工业上的通讯方式均能支持，包括如下内容：

ü 串口通讯， RS232/422 ， RS485 等

ü 以太网通讯，并且支持多种通讯协议，如 MODBUS RTU ， MODBUS TCP, TCP/IP

ü OPC通讯

九、多输出接口方式

除了自身嵌套的3.5寸触摸屏外，系统设置了VGA输出接口，便于现地展示更多数据画面。

十、通道信号形式灵活

系统接入的信号形式灵活，输入信号可以是电压信号或者电流信号，便于选择不同类型的传感器。

URANUS-2012PCM采集装置实物图：

前视图说明：

备注：

机柜孔：用于固定URANUS-2012PCM于标准盘柜或其它固定支架；

USB接口：用于连接外围USB设备；

触摸屏：用于显示系统当前运行或数据内容；

状态显示灯：用于显示运行状态；

后视图说明：

备注：

220V电源输入：URANUS-2012PCM电源插槽（带开关）；

模拟量输入接口：URANUS-2012PCM采集单元模拟量输入接口，共32路，可根据需要扩展为48路或者64路，可根据需要精简到16路；

开关量输入接口：URANUS-2012PCM采集单元开关量输入接口，共16路；

开关量输出接口：URANUS-2012PCM采集单元报警信号输出接口，共16路；

USB接口：用于连接外围USB设备；

VGA输出接口：用于连接外围显示设备；

网络接口：用于网络连接；

串行通讯接口：RS232串行通讯接口。

+12电压输出：输出正负12V电压。

键盘鼠标接口：可外接键盘鼠标

URANUS-2012PCM采集装置技术参数如下：

2、系统软件说明

2.1实时监测功能

实时监测是指对机组当前的运行状态进行同步监视和显示的功能，它以数值、曲线、图表等各种形式，将机组的各种状态分析数据，通过多个不同的页面展现给用户。

u 画面组成

URANUS-2012PCM提供了丰富直观的多个监测画面，从不同的角度，分层次展现机组的状态信息。这些画面分别是：

图1 机组布置图

图 2 轴心轨迹

图3导轴承监测

图 4 数值表

2.2数据分析功能

数据分析功能指系统将已经存储的历史数据，经过某些特定的算法的加工，以曲线、图形、表格、文字的形式提供给分析人员，以帮助用户分析机组的运行状况以及发现故障。

URANUS-2012PCM软件系统针对水力机组运行特点，并详细区分暂态过程和稳态过程，分别设计了不同的分析工具。稳态工况分析工具主要用来评价机组在稳态运行时的状态；暂态工况分析工具主要用来对机组开停机过程、变转速过程、变负荷过程、变励磁过程、甩负荷过程记录数据的分析。

以下有重点地介绍各种分析方法。

（1） 时域波形分析

显示测量内容

- 可以同时显示最多12个通道的的波形；

¨ 各通道测量的有效值、平均值、最大值、最小值、峰缝值；

¨ 光标跟踪点时刻距离大轴键相块的空间方位；

¨ 各通道键相位置；

¨ 光标跟踪时刻的位移值及压力值；

功能

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿；

¨ 方位测量：可以直接测量光标扫描位置时刻距离大轴上键相块旋转的角度。

¨ 波形的放大缩小、以及拖动功能；

¨ 纵坐标多种显示模式；

¨ 光标跟踪时刻的位移值及压力值；

¨ 前翻、后翻及自动波形回放、快速跳转功能；

¨ 数据导出功能：可以将波形数据保存到磁盘文件中；

应用

¨ 信号幅值测量主要用来测量信号的有效值、峰峰值、平均值等；

¨ 检查验证信号的正确性；

¨ 大轴表面形貌异常检查；

¨ 动平衡方位测量；

（2）频谱分析

显示测量内容

¨ 可以同时显示最多12个通道的的功率谱或幅值谱；

¨ 自动测量各通道的前4个最大幅值频率成分的频率、幅值；

¨ 自动测量各通道的前1X、2X幅值及相位；

¨ 光标跟踪频率的位移幅值及压力幅值；

功能

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的频谱分析；

¨ FFT窗函数：矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、BLACKMAN窗；

¨ 波形的放大缩小、以及拖动功能；

¨ 纵坐标多种显示模式；

¨ 光标跟踪频率的频率的位移幅值及压力幅值；

¨ 前翻、后翻及自动波形回放、快速跳转功能；

应用

¨ 根据性特征频率及其变化规律，查找振因、确定故障。

（3）轨迹分析和多轨迹变化分析

显示测量内容

¨ 单周轨迹；

¨ 连续多周轨迹；

¨ 1X-10X分量轨迹；

¨ 轴心涡动轨迹；

¨ 最大矢径及其方位；

¨ 超重角方位；

¨ 数据记录时间；

功能

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的轨迹分析；

¨ 放大缩小功能

¨ 轨迹扫描功能

¨ 前翻、后翻及自动波形回放、快速跳转功能；

应用

轨迹分析可用于稳态工况及暂态工况分析。根据轴心轨迹的形状可以判别轴颈中心的运动状态，如轴上预载荷是否有变化，轴与轴承孔是否同心、轴间隙正常否等。正常状态时，轴心轨迹应是近似圆形。所以通过观察、监视转子的轴心轨迹可以得到以下信息：与轴承的同心度问题；可监测转子径向预载或外力的变化，以及碰磨情形等。

（4）空间轴线分析(摆线姿态)

显示测量内容

¨ 量化评价参数：

n 上导、下导、水导各处计算获得的轴线动态弯曲量及弯曲方位；

n 超重角方位；

n 推力轴承动态不垂直度、波浪度；

¨ 机组真实的轴向振动值；

¨ 机组轴向位移值；

¨ 模拟低速盘车轴心轨迹及盘车轴线；

¨ 模拟低速盘车校验值等；

¨ 大轴轴线运动轨迹；

¨ 大轴轴线涡动轨迹；

¨ 轴线自动对中；

¨ 大轴姿态变化；

¨ 轴心位置相对偏移变化；

¨ 上导、下导、水导各处单周、连续多周以及1X-10X的轴心轨迹；

功能

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的轨迹分析；

¨ 模拟轴线运动回放功能；

¨ 模拟推力镜板运动回放功能；

¨ 放大缩小、旋转功能

¨ 前翻、后翻及自动波形回放、快速跳转功能；

应用

¨ 根据各导轴承轨迹以及轨迹在不同工况(如变转速、变励磁、变负荷)的变化，判定轴瓦间隙调整不当、磁拉力不平衡等故障；

¨ 分析不同工况下各导轴承回转中心的偏移情况，分析导轴承载荷的变化。

¨ 利用开停机过程极低转速下，根据空间轴线提供的弯曲量，判定轴线的初始弯曲；

¨ 对比不同转速下的推力轴承动态波浪度、动态不垂直度等以及轴向位移值的变化，可以获得推力轴承的波浪度、不垂直度以及推力瓦不水平度等关键检修评价参数。

¨ 利用空间轴线提供的超重角参数确定动平衡配重方位；

¨ 利用模拟盘车功能进行检修前后的盘车校验；

（5）多工况相关趋势分析

显示测量内容

¨ 各参数随另外一组参数的变化趋势曲线；

¨ 各参数统计数据：比如最大值、最小值、平均值、标准差(反映数据的离散程度)；

¨ 光标跟随点的参数值；

功能

¨ 放大缩小、曲线拖动功能；

¨ 曲线拟合工具：支持拟合1次到8次曲线拟合；同时支持平滑处理；

¨ 支持连线图、点线图、散点图等多种显示模式；

¨ 可以自行选择不同的横坐标参考参数(如有功功率、开度、温度等)。

应用

¨ 制作机组稳定性指标特性曲线：分析稳态过程中不同水头下机组振动、摆度随有功的变化规律，确定振动区，掌握机组运行稳定性特性，以有助于指导和优化运行，避免在振动区运行，提高机组运行稳定性。

¨ 制作机组水力能量参数特性曲线：掌握机组效率、流量、耗水率等经济性指标在不同水头下与有功、导叶开度的特性关系，为实现最优效率运行提供依据。

¨ 分析变转速过程、变励磁、变负荷过程振动、摆度随转速、励磁、有功的变化规律，以确定引起机组振动的原因(故障确认)；

（6）瀑布图分析

显示测量内容

¨ 通道频谱阵列；

¨ 光标跟随频率、时间(或功率)下的频率分量幅值；

¨ 不同时刻(或功率)下频率分量幅值列表；

功能

¨ 可以完成随时间以及机组随机组功率、励磁电流变化的频谱阵列；

¨ 前翻、后翻及自动回放、快速跳转功能；

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的数据计算；

¨ 放大缩小功能；

¨ 多种纵坐标显示模式；

¨ 专门提供一个频谱分析窗口，可以对瀑布图中任意时间（或功率）的频谱作细致分析；

应用

¨ 通过瀑布图快速宏观地定位引起振动的主要频率成分，进而根据这些频率成分确定振因。

（6）级联图分析

与转速相关的频率成分，其频率与转速成线性关系，这部分振动是由于旋转部件引起

这个频带，其主频不随机组速变化而变，转速的变化只会引起幅值的改变，应该是结构的固有的模态振动

显示测量内容

¨ 通道频谱阵列；

¨ 光标跟随频率、转速下的频率分量幅值；

¨ 不同转速下，频率分量幅值列表；

功能

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的数据计算；

¨ 放大缩小功能；

¨ 多种纵坐标显示模式；

¨ 专门提供一个频谱分析窗口，可以对瀑布图中任意时间（或功率）的频谱作细致分析；

应用

¨ 转速级联图的主要目的是为了区分振动时大轴旋转引起的还是结构固有的模态振动, 区分振因。

（7）时间趋势分析

显示测量内容

¨ 各参数随时间变化趋势曲线；

¨ 各参数统计数据：比如最大值、最小值、平均值、标准差(反映数据的离散程度)；

¨ 光标跟随时间的参数值；

¨ 数据记录时间；

功能

¨ 放大缩小、曲线拖动功能；

¨ 相近工况数据限定；

¨ 曲线拟合工具：支持拟合1次到8次曲线拟合；同时支持平滑处理；

¨ 支持连线图、点线图、散点图等多种显示模式；

应用

¨ 跟踪参数的长期变化趋势，为及早预警避免事故扩大化提供依据；

¨ 跟踪开机过程、变励磁、温升过程参数的变化，分析不同条件下参数的变化，为查找故障或缺陷提供依据；

（8）波特图及极坐标图分析

显示测量内容

波特图

¨ 通道倍频分量幅值及相位随转速变化的曲线；

¨ 光标跟随转速下的幅值及相位；

极坐标图

¨ 以极坐标形式表现得通道倍频分量幅值及相位在各转速下的曲线；

¨ 光标跟随转速下的幅值及相位；

功能

¨ 支持1X、2X直到10X分量的波特图分析及极坐标分析；

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的数据计算；

¨ 放大缩小、曲线拖动功能；

应用

¨ 不平衡故障故障检查；

¨ 轴线弯曲故障检查；

¨ 大轴不规则形状鉴别；

显示测量内容

¨ 过程中各通道随时间变化的高密度过程曲线；

¨ 各通道统计数据：比如最大值、最小值、平均值、标准差(反映数据的离散程度)；

¨ 光标跟随点的各通道即时值；

功能

¨ 放大缩小、曲线拖动功能；

¨ 支持对大轴不规则外形的数据补偿后的数据回放；

¨ 支持连线图、点线图、散点图等多种显示模式；

¨ 可以自行选择不同的横坐标参考参数。

¨ 数据保存功能：将数据保存到磁盘文件

应用

¨ 分析开机过程、停机过程、甩负荷过程设备动作, 检查调速器性能。

¨ 启、停机过程设备（如调速器）动作分析

¨ 过渡过程故障分析

¨ 过渡工况对比分析

2.3数据存储和数据管理功能

（1）在线数据记录策略

URANUS软件系统从故障诊断和状态分析的应用出发，设计出一套能够满足诊断和分析要求的完备数据的存储策略，实现有效状态信息的在线自动记录，包括过渡过程（开停机过程），稳态过程，故障数据，工况参数发生变化时等各种信息。

针对以上数据信息设计了不同的数据库：

¨ 实时数据库，存储机组当前运行的状态数据；

¨ 主特征数据库，保存机组稳态运行的数据

负荷、开度稳定后记录，等式时间间隔和报警触发、功率变化等多种存储策略。等时存储时间间隔默认为20分钟(可调)；

¨ 暂态数据数据库，高密度存储机组开停机、变负荷、变励磁、甩负荷过程、事故停机过程和现场试验过程的数据(连续存储,分辨率2ms)；

¨ 异常特征数据库，保存机组发生预报警时刻的全部波形数据和全部特征数据；

¨ 标准样本库；

¨ 事故追忆数据库，以高密度保存全部原始波形和特征参量(连续存储,分辨率1ms)；

¨ 预报警事件库；

¨ 现场试验数据库(连续存储,分辨率1ms)；

（2）存储体系设计

¨ 各种数据库被合理地分布在现地采集单元和状态数据服务器上。在实施上针对不同的数据，分别采用关系型数据库技术和实时数据库技术实现。

¨ 所有的数据都采用高效无损压缩技术进行存储，在读取时，可以自动地高保真快速地还原。

¨ 采样现地单元数据缓冲技术及自动数据恢复技术，防止网络故障引起的数据丢失。

¨ 系统提供自动的增量方式的自动备份功能，以防止服务器故障导致数据库文件损坏。

¨ 数据自动稀疏功能及手工稀疏功能。

（3）数据检索及管理功能

¨ 系统提供了丰富的数据检索手段；

n 用户可以设定任意时间段或者排除某个时间段作为检索条件；

n 用户可以对任意参量设定范围或者排除范围作为检索条件；

n 多个检索条件可以自由组合；

n 支持开机0-24小时后数据过滤；

n 支持开机0-24小时内数据过滤；

¨ 系统提供了自动数据备份、手工备份及数据恢复功能；

¨ 系统提供了可以任意指定时间数据的导出功能，允许用户将该时间的数据备份和转移，同时提供了对导出数据的数据导入功能。

（4）数据记录容量及速度指标

¨ 实时数据库，覆盖方式存储，只保留当前时刻前24小时记录容量，最大20000条。

¨ 主特征数据库，记录容量按照实际磁盘容量设定，单个监测子系统上限为640000条记录。

¨ 暂态数据库，连续记录，分辨率1ms，记录容量限制为10万条，最大容量估算为10G。

¨ 异常特征数据库，记录容量可以按照实际磁盘容量设定。

¨ 事故追忆数据库，分辨率1ms，采用循环滚动保存方式，保留持续2小时数据。

2.4现场手动试验功能

（1）基本描述

URANUS-2012PCM软件系统为现场试验提供了两类可选的方法：

第一种：利用在线系统自动录波方法完成现场试验。在线系统提供了多种现场试验功能完成高密度数据录波功能，以供分析试验结果之用。这些试验包括：

¨ 甩负荷试验

¨ 空载及扰动试验

¨ 起机过程试验

¨ 机组过速试验

¨ 机组变励磁试验

¨ 其它特定试验

所以利用在线功能可以完成包括开机试验、停机试验、甩负荷停机过程、负荷波动过程、变励磁过程、稳态运行过程、效率试验以及以上其它机组动态特性试验。

第二种：URANUS-2012PCM软件专门提供的试验模块功能，作为水轮机测试平台。在本模块中，用户可以按照试验的目的和过程，人为干预系统的采样方式，存储策略，参数输入等，使用非常方便和灵活。现在已经可以实现的试验有：

¨ 起、停机试验	¨ 甩负荷试验
¨ 盘车试验	¨ 动平衡试验
¨ 效率试验	¨ 稳定性试验
¨ 导叶漏水量试验	¨ 变负荷试验
¨ 其它手功试验（提供全过程高速录波）

（2）功能特点

¨ 支持各类试验模版，简化用户操作；

¨ 自动生成试验报告，试验报告可以转换为WORD文档、可以打印、可以Email形式发送。

2.5其它辅助功能

¨ 事故追忆功能

URANUS-2012PCM软件系统将事故追忆数据库配置在各个现地的采集装置上，当出现事故或者其他危险状态时，将事故前后各60分钟的数据存储到本地，事故数据分辨率小于1ms，以供用户分析和诊断。

¨ 便携机联接功能

URANUS-2012PCM软件系统在现地盘柜上预留了多个以太网接口，工程师只要通过将便携结直接接入以太网接口就可以实现软件更新、数据下载和现场调试功能。

¨ 事件日志

URANUS-2012PCM软件系统事件日志是对机组运行过程中，报警，预警，工况变化事件以及自动诊断结论的记录。在事件日志模块中，以流水账的形式展现给用户，以便用户分析跟踪；

¨ 数据输出功能

URANUS-2012PCM软件系统完全可以保证如下的数据输出功能：

n 所有数据可以下载倒出到其它磁盘文件，这些文件可以被EXCEL等电子表格程序识别，并利用其进行各种曲线、图表的绘制。

n 所有数据以及曲线图表可以在线被复制、粘贴到WORD文档中去，以方便各种文档编制。

n 所有数据以及曲线图表可以在线打印。

n 自动状态报告可以和WORD完全兼容(包括图形和数据)，可以另存为DOC文件供用户添加经验评定意见。

n 自动报告文件可以通过网络以邮件形式向授权用户发送，作为管理人员或主管领导参考技术资料和故障诊断数据审批和保存(注*)。

¨ 具有预览、打印功能；

¨ 传感器输出信号零点和增益补偿；

¨ 报警规则编辑功能: 提供报警规则的编辑功能；

¨ 系统全组态设计，不需修改原代码，既可满足用户的各种需求；

监测画面组态功能: 提供用户对监测画面的增加、删除、编辑功能。