基于温度检测的水泵磨损状态监测系统的设计
2019-03-28田峰文鑫
,,,,,田峰,文鑫,
(1.中国核动力研究设计院,成都 610213;2.核反应堆系统设计技术重点实验室,成都 610213)
0 引 言
电站中大量的的水泵长期处于高负荷的工作状态。温度的升高或设备长期使用产生的老化,都可能使润滑油油耗过快,导致泵体磨损过快、震动过大,甚至停机等重大事故,因此产生的设备损坏、人员安全威胁、生产停滞等造成了巨大的经济损失[1-3]。传统的水泵工作状态监测更多的是基于监测人员的经验。即使配置了温度检测模块,也只是相对于电站控制系统较为独立的一个部分,不利于实现电站的整体数字化。文中设计了一套基于温度检测的水泵磨损状态的在线监测系统,利于温度传感器对水泵的工作时多个测点的温度进行分析。以此判断水泵当前的工作状态,并决定是否产生产生报警信号。也可以加入执行机构,直接对水泵超温部位采取保护措施及降温处理。
1 系统功能设计
随着电力向着高电压、大机组、大容量的模式迅速发展电网日益扩大以及变电站无人值守的管理模式和综合自动化的普及推广,水泵的安全运行越来越重要。水泵工作时会产生发热现象,如果没有润滑油的保护,可能会引起金属材料的机械强度下降,造成设备损坏,严重威胁电力设备及人员安全。因此,建立一套实时监测水泵磨损状态的监测系统,对于保证水泵的正常运行,增强电站的可靠性和自动化的程度都十分重要[4-6]。
润滑油的量及润滑油的油层的厚度不易测量,而且误差较大。润滑油的量与水泵温度有关,通过温度与润滑油油量的关系,建立起润滑油油量的监测系统。
综上所述,根据水泵在缺少润滑油保护时所产生的热量变化[7-8],可以建立一套包含温度传感器的水泵磨损状态在线监测监测系统。通过对水泵的在高负荷状态下产生的热量进行实时数据采集,根据其温度的变化,判断水泵正处于何种状态之下,尽早提醒工作人员进行检查和风险排查。
根据现场需求,以及现场工况,本系统应该实现一下功能:
(1)数据采集终端可以就地显示温度数据,有保存及查询功能,显示形式包括导出数据表、曲线等;
由工程师站计算机可以设定各点温度的报警阈值;
(2)由工程师站计算机根据数据库服务器中以往数据结合报警阈值进行比较,分析判断是否产生报警信号;
(3)可以通过报警灯、光字牌、报警铃声等形式进行报警;
(4)可以将报警信息通过打印机打印出来;
(5)控制系统算法具有自学能力,随着系统在各个工况运行时间的增长,系统对水泵的磨碎状态的判断将更加准确。
2 系统架构设计
系统分为LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2三个层级。LEVEL0为终端设备层级,其功能包括采集数据、就地显示、向LEVEL1传输数据等功能。LEVEL1为控制站层级,其功能包括接收发出模拟量数字量信号、判断是否发出报警信号、驱动报警灯报警铃声。如果系统中接入执行机构,如减温装置、备用泵切换开关等,则控制站还对以上执行机构具有驱动功能。
尽管基于温度传感器的水泵磨损状态在线监测系统的直接研究较少,但对于温度传感器在线监测和诊断以及温度传感器在线监测和诊断以及温度传感器的应用研究是成熟的,有许多的理论研究成果可供借鉴,如监测系统硬件结构、监测系统软件功能设计等。这些研究成果的推广应用,可以确保基于温度传感器进行在线分析和诊断的理论可行性。
图1 温度检测信号传输示意图
3 硬件设计
3.1 终端设备层(LEVEL0)设计
选用的温度传感器,要求其精度达到0.1 ℃。检测及数据传输共分为5路,既能判断超温部位具体位置,又能起到冗余的作用,当一路传感器失效时,其他传感器可以继续对水泵磨损状态进行监测。就地显示屏选取戴尔触摸屏,可以在现场进行数据查询和监视。数据传输采用RS485协议,具有传输距离长、丢包率低等特点。
3.2 设备管理层(LEVEL 1)设计
控制站选用的CPU,应具有运算速度快,稳定性强的特点。系统共5个数据采集模块,故模拟量输入值共5路信号,每个模拟量对应一个判断信号质量的质量位,故共5路数字量输入信号;报警灯及光字牌各需要1路数字量输出信号,共2路数字量输出信号。每块模拟量调理板卡可实现2路模拟量信号输入功能,模拟量数字量调理站包括模拟量输入板卡4块;每块数字量输入调理板卡可实现8路数字量的输入,共需1块数字量输入板卡;每块数字量输出调理板卡可实现8路数字量的输出,共需1块数字量输出板卡。
3.3 人机接口层(LEVEL 2)设计
在人机接口层面,工程师站选用的计算机大型计算机应具有稳定的工作性能。数据库服务器应采用容量大、运算速度快的服务器,见表1。
表1传感器具体参数
4 软件设计
4.1 LEVEL 1设计
LEVEL 1的软件设计中重要的部分是判断算法设计。根据电厂实际情况,共设定每个水泵9个测点:轴承段、电机端、泵端分别为三个传感器。测点布置既要考虑分布均匀,也要考虑易超温部位重点监测。每个测点由A、B、C三列传感器进行监测。三个控制站CPU分别负责接收其中每列的传感器的信号,共9个信号。三个CPU判断温度是否超出阈值,并将判断结果通过环网互相通信,故每个CPU都能得到每个测点由ABC三列测得的信号的判断结果。例如,CPU1在对第一个测点(记为1点)进行判断的时候,会依据A列在1点位置的测量值,结合CPU2与CPU3通过环网传输过来的在1点位置的结果判断值信号,进行三取二逻辑运算,即如果三个信号中有两个或三个判断该点温度超标,即认为其超标。结合前文所述,CPU对每个输入信号产生的质量位,如果该点在该CPU测得的质量位为0,则对该点采取降级处理,即从三取二逻辑降级为二取一。如果三个测量值中两个值的质量位为0,则产生报警信号,提醒运行人员检查设备的状态。三个CPU对每个测点的判断最终结果由硬接线逻辑搭接的或门输出,实现该测点的温度报警功能。
图2 系统架构图
4.2 LEVEL 2设计
LEVEL 2的软件系统利用Visual Studio平台,由C#语言编写,可以由工程师站计算机组态并下装到控制板卡CPU中,工程师站计算机采用Microsoft Windows2000操作系统,算法可以根据数据库中已有数据,结合设定阈值,判断是否超过限值,产生报警信号。算法具有自学习能力,随着系统运行时间的增长,算法对工况判断的准确性将越来越高,这是本系统区别于传统报警系统的重要区别。数据库采用Microsoft SQLserver2000。该数据库系统属于典型的客户机-服务器型系统,专门为数据仓库等应用程序而设计。操作员站具有人性化的操作界面,可以清楚的看到实时数据曲线、导出数据或在对话框中修改判断的阈值。网关内程序执行环网的数据传输功能,并且可以与电厂DCS系统的网络通过另一侧的网关进行互联。LELEL 1的CPU中的程序执行具体的数据收发、产生报警指令、驱动执行机构如报警铃、报警灯等功能。
LEVEL 0的软件由设备自带。
5 数据挖掘功能
数据挖掘的核心是高质量、大规模的数据。经过长时间的运行,系统能够积累大量的数据,这对于系统的升级是最难能可贵的。由此系统能够更加准确的判断水泵磨损状态。
在数据量不够充足的情况下,系统初始判断依据的数据来自实验室实验人员测得的测点温度与该数值对应的水泵磨损状态。当系统积累了足够多的数据后,利用本系统自身积累的数据将更有利于针对该水泵的磨损状态做出判断。
对于系统进一步智能化的拓展,可以采用故障树方法、神经网络方法、专家方法等多种方法。首先对水泵的磨损状态进行划分,水泵的磨损状态被划分为正常状态、疲劳状态、短时过磨损状态、紧急报警状态。然后选取考察参与判断的参数的选取,这取决于系统采集数据之后通过相关性分析等分析方法得到的结果。
得到了参与判断的数据之后,将大量的数据分为两部分。一部分为训练数据,另一部分为测试数据。通过训练数据构建判断模型,通过参数寻优的方法,确定模型中的参数。然后通过测试数据的测试效果来决定何时中断对模型的训练。此阶段应注意防止过度训练的情况出现,即避免因为训练效果过好,导致训练得到的模型仅仅对训练数据集中的数据有效,对其他数据的效果很差。
6 多重冗余的传感器可用度分析
马尔科夫过程是分析随机过程的一种重要的方法,能够清楚的反映出随机变量在tn时刻与在tn-1时刻的关系,而与tn-1时刻前的状态无关。马尔科夫过程常被用于机械、电子元件等的可靠性分析和预测过程。
某时刻随机变量的取值与三冗余系统总共包括四种工作状态,即三个传感器(两个主传感器和一个备用传感器)都正常工作,整个系统处于正常工作状态,记为S0;两个主传感器中任意有一个失效,另外两个处于正常工作模式,系统仍处于正常工作状态,记为状态S1;两个主传感器和一个备用传感器中任意两个失效,只有一个处于正常工作状态,系统处于失效状态,记为S2;两个主传感器和一个备用传感器都处于失效状态,整个系统处于失效状态记为S3。假设单个传感器的失效率为λ,单个传感器的修复率为μ。
可用度是衡量系统稳定性的重要指标。可用度A(t)定义为,电子系统使用过程中,能够处于正常工作状态的使用时间占总时间的比重;可靠度R(t)定义为被测元件在合适的工作条件下、在规定的时间内,能够完成指定的功能的概率。表达式为:R(t)=P(T>t),式中,T表示该元件从开始服役到失效前的工作时间,对于可修复产品,是指两次相邻的故障之间的工作时间,即无故障工作时间。失效率λ定义为元件工作到t时刻时尚未发生故障,在t时刻后的单位时间内发生故障的概率,显然,其单位是时间的倒数;平均寿命m定义为失效率的倒数。冗余配置对于提高系统可用度具有重要作用。
7 结束语
水泵磨损状态在线监测系统对水泵的超温超负荷保护起到重要的作用[9-10]。传感器和控制站的冗余设置降低了设备故障导致的更严重问题的可能性。多样性的保护方式构成了输电系统的纵深防御体系,增加了电厂的安全性和稳定性。通过网关与电厂原DCS系统的连接为本系统之后的扩展功能打下了基础[11]。