一种农饮水工程中水泵软故障诊断与投切装置的制作方法

本实用新型涉及电器，特别是一种农饮水工程中水泵软故障诊断与投切装置。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产的机械设备正朝着大型化、复杂化、高速化、自动化及大功率方向发展。设备的生产效率越来越高，机械结构也日趋复杂，设备中不同部分之间的相互联系、耦合也更加紧密，一个部件出现故障，将引起整个生产流程中断。大型泵站在抗洪、排涝、灌溉、调水以及城乡供水、工业供水、航运和改善生态环境等方面发挥着极为重要的作用随着国家南水北调工程的实施，大型泵站的地位更加重要，对这类泵站的管理也提出了更高的要求，特别是其安全可靠性己越来越成为衡量大型泵站机组质量的重要指标。

随着农村饮水工程的展开，水泵是供水站重要的设备之一，水泵机组的地位更加重要，它的可靠程度直接影响供水系统的安全运行。对这类泵站的管理也提出了更高的要求，特别是其安全可靠性己越来越成为衡量供水站运行质量的重要指标。为了保证供水系统的安全运行，水泵通常采用三台并联运行方式运行，当运行泵发生故障时，进行水泵的及时投入运行。给在以往的计划维修中，供水系统大修通常与水泵机组大修同期进行。但是在实际的供水过程中，供水系统大修很难与水泵机组大修同期进行。有效的状态监测与故障诊断可以随时掌握设备技术状况和劣化规律，避免突发性故障和控制渐发故障的发生，降低设备维修成本，增加设备可利用时间，从而提高设备的运行效益，并带来良好的经济效益。因此，供水系统中水泵状态监测与故障诊断系统意义重大。

软故障是指水泵电机绝缘老化、叶轮脱落/磨损、止回阀闭不严、电机反转等故障。软故障直接造成电能浪费，且在水站运行中不易被发现，只有专业的人员才可能判断，此故障长期存在就会造成较大的能源浪费，同时也会造成水泵等设备使用寿命降低，直至形成不可修复损坏。传统的对水泵的性能测试是通过多个测量人员共同工作完成的，测量周期较长且效率低下，而且人工读数数据采集和原始试验数据处理也会带来计算误差、随机误差和粗大误差等，从而会使水泵性能参数测试的精度降低。判断水泵故障的基本方法是通过观察水泵工作时真空表和压力表的读数变化来了解水泵是否发生故障，但其明显的缺点是实时性较差且不能快速准确的发现故障并发出报警信息。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种农饮水工程中水泵软故障诊断与投切装置，可有效解决现有技术中检测水泵是否发生故障时实时性较差且不能快速准确的发现故障并发出报警信息的问题。

本实用新型解决的技术方案是，包括壳体和控制电路，壳体的前面板上装有水泵状态指示灯、工作指示灯和开关，所述的控制电路包括置于壳体内的中央处理器(CPU)、第一光电隔离器、第二光电隔离器与电源，以及置于壳体外的数据采集器、交流接触器与涡流传感器，中央处理器(CPU)分别与第一光电隔离器、第二光电隔离器、电源、水泵状态指示灯、工作指示灯及数据采集器相连，第一光电隔离器与交流接触器相连，第二光电隔离器与涡流传感器相连，电源与开关相连。

本实用新型结构简单，新颖独特，安装使用方便，效果好，有效用于水泵的在线状态检测，对每台水泵进行诊断，记录每台水泵运行的状态参数，一旦发生软故障实现自动投切，为水站设备管理维修提供数据支持，有良好的经济社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构立体图；

图2为本实用新型的电路连接框式图；

图3为本实用新型水泵软故障诊断模型图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明：

由图1、图2给出，包括壳体4和控制电路，壳体4的前面板上装有水泵状态指示灯1、工作指示灯3和开关2，所述的控制电路包括置于壳体4内的中央处理器(CPU)、第一光电隔离器、第二光电隔离器与电源，以及置于壳体4外的数据采集器、交流接触器与涡流传感器，中央处理器(CPU)分别与第一光电隔离器、第二光电隔离器、电源、水泵状态指示灯1、工作指示灯3及数据采集器相连，第一光电隔离器与交流接触器相连，第二光电隔离器与涡流传感器相连，电源与开关2相连。

为了保证使用效果和使用方便：

所述壳体4为长立方体形。

所述壳体4的底部设有通讯端口5、水泵控制输出端口6和水泵状态输入端口7，数据采集器通过通讯端口5与中央处理器(CUP)连接，第一光电隔离器通过水泵控制输出端口6与交流接触器连接，第二光电隔离器通过水泵状态输入端口7与涡流传感器相连。

所述数据采集器包括流量传感器、转速传感器、扭矩传感器和水压传感器。

所述中央处理器(CPU)选用STC89C52，型号为增强型80C51单片机。

所述的壳体4上经通讯端口5连接有软故障诊断模型。

本实用新型的工作情况具体描述如下：

(1)数据通信

数据采集器通过通信接口连接到中央处理器(CPU)，并作为中央处理器(CPU)的动作执行机构，同时，利用数据采集器并结合一定的通信协议，完成水泵设备的运行参数的获取。水泵性能测试的目的是为了评估水泵在实际运行工况中是否满足工作要求和水泵是否需要检修。因为水泵在长期的运转过程中，由于种种原因实际运转特性将会发生变化，所以必须对水泵进行性能测试，以便得到水泵的实际运行工况。为了实时反映水泵的运行特性，以便及时发现设备的故障先兆。因此，主要获取的水泵运行参数主要包含5个参数：水泵的流量、扬程、功率、效率和转速等状态参数。

(2)中央处理器

中央处理器(CPU)选用STC89C52，为增强型80C51单片机，属于MCS-51单片机，主要功能为：首先，利用串行通信接口获取水泵的运行参数；其次，构建水泵软故障诊断模型；最后，水泵的投切以及水泵状态的采集，并上传到数据采集器。

软故障诊断模型采用极限学习机网络，极限学习机的出现为解决水泵在供水过程中的建模提供了可能，是一种新型单隐层前馈神经网络，与传统的学习方法相比，该方法通过更新神经网络的输出层权值，使得极限学习机具有泛化能力强、学习速度快等优势。

(3)信号输入输出

输入：

主要实现水泵状态的检测，设计参数为3路的状态检测输入。水泵的状态主要有两种：运行状态以及停止状态，将这两种状态信号通过第二光电隔离器输入到中央处理器(CPU)，同时，采用双色红绿发光二极管来对水泵状态的描述，发光二极管的红色对应为停止，发光二极管的绿色对应为运行状态。

输出：

对当前运行的水泵设备运行状态参数的分析的基础上，将参数引入到水泵软故障诊断诊断模型，以便是实现水泵的额软故障诊断。当诊断到当前的水泵发生故障，立即停止当前水泵的运行，并投切到下一个水泵，确定农饮水工程的正常供水。控制信号通过第一光电隔离器来控制交流接触器，从而达到水泵的启动和停止。

本实用新型使用时，在供水正常运行过程中，设置每月的诊断计划时间点，系统自动运行，在到达计划时间点时自动启动诊断流程，对每台水泵进行诊断，记录每台水泵运行的状态参数，一旦发生软故障实现自动投切，为水站设备管理维修提供数据支持。本实用新型的具体实施方式如下：

1、水泵运行参数的获取

通过通信接口从数据采集器获取的水泵的5个运行参数参数：水泵的流量、扬程、功率、效率和转速等状态参数。中央处理器(CPU)与数据采集器之间采用MODBUS-RTU协议的命令子集，数据传输方式：8位数据位，1位停止位，无校验位；数据传输速率：缺省波特率为9600BPS，可以修改并支持的波特率为：9600BPS、4800BPS、2400BPS、1200BPS。

2、状态参数测量数据预处理

采集并记录农饮水供水生产过程中水泵的工作参数数据，主要包含离线数据和在线实时数据。其中，离线数据是水泵铭牌上标注的主要技术参数数据，在线实时数据是由中央处理器(CPU)根据获取的传感器数据按照一定转换公式得到的数据，主要为流量、扬程、功率和转速这4个参数。由于原始数据中存在随机误差以及主观误差，因此不能直接使用农饮水供水过程中采集到的水泵原始数据，所以预处理这些原始数据。

(1)主观误差的消除，参照实际供水过程中的水泵的操作参数范围指标，如果样本数据对溢出操作参数范围，则认为是无效数据而抛弃掉。如果样本数据与总体均值的偏差小于2倍的标准差，则保留该数据，否则剔除掉；

(2)随机噪声的消除，通过利用七点线性平滑法来平滑处理数据，达到随机噪声消除的目的；

(3)降维和压缩数据，所采取的方法是主成分分析法，获得性能的参数。

3、远程诊断

在发生软故障报警后，值班人员可在监控室内，通过设置在远程的软故障诊断模型对故障水泵进行准确定位，判定具体发生故障的原因，有针对性的进行维修准备。系统还提供诊断计划任务功能，在供水正常运行过程中，设置每月的诊断计划时间点，系统自动运行，在到达计划时间点时自动启动诊断流程，对每台水泵进行诊断，记录每台水泵运行的关键参数，分析水泵可能存在的问题，并提交水泵健康诊断报告，为水站设备管理维修提供数据支持。

水泵软故障诊断模型如图3所描述，a_i表示输入层神经元连接到隐含层第i个神经元的权值，b_i表示隐含层第i个神经元的阈值，β_i表示隐含层第i个神经元连接到输出神经元的权值，输入神经元数量用x_j(j∈1,…,n)表示，输出神经元数量用o_j(j∈1,…,n)表示，隐含层神经元数量用L表示。在该模型中，令g(.)为激励函数，则针对N个随机样本(x_i,t_i)、隐含层神经元节点数量为L的网络，

(1)确定隐性神经元的节点数量；

(2)随机选取隐含层神经元连接到输入层的权值a_i以及隐含层神经元的阈值b_i，i＝1,…,L；

(3)选定一个无限可微的函数作为激励函数g(·)，从而得到隐含层输出矩阵H＝g(a,b,x)；

(4)输出权值计算：β＝H^-1T。其中，T是理想输出表达式：H^-1表示隐藏层输出矩阵的左伪逆矩阵。

4、远程投切

(1)在获取当前水泵运行参数之后，将该水泵的运行参数作为样本送入到软故障诊断模型，实现对该水泵的软故障进行诊断；

(2)如果该水泵发生软故障，通过输出模型的控制信号，停止上述水泵的运行，也就是说，将水泵切除，该水泵参与水站供水自动控制逻辑，此水泵不能启动，避免水泵等设备进一步磨损；

(3)读取输入模块端口的信号，获取水泵的工作状态，并在一定的协议下将水泵状态发送给中央处理器(CPU)。

(4)针对发生软故障的水泵，在维修好之后处于摘除状态，不再参与农饮水的供水驱动；在水泵维修好后，再将其投入，即可恢复供水自动控制逻辑，正常供水运行。

本实用新型紧密结合农村饮用水工程的特点，通过通讯接口，从数据采集器获取农饮水供水系统中水泵设备运行状态参数，同时将自动控制技术、网络技术以及自动检测技术等技术引入到水泵的软故障诊断分析之中，在供水正常运行过程中，设置每月的诊断计划时间点，系统自动运行，在到达计划时间点时自动启动诊断流程，对每台水泵进行诊断，记录每台水泵运行的状态参数，一旦发生软故障实现自动投切，为水站设备管理维修提供数据支持。可以实现对水泵运行参数的数据采集、存储并对其进行分析运算，最终得到水泵整个生命周期的性能状态。通过实现对水泵的运行状态监控与运行性能分析，地面工作人员可以实时了解水泵的运行参数和性能参数等运行状态，从而可以通过水泵的运行状，为事故做初步预测与诊断以及科学管理提供策略，主要用于水源地监测、环保监测站、市政水处理过程、市政管网水质监督、农村自来水监控，经济和社会效益显著。