基于溫度檢測的水泵磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

，，，，，田峰，文鑫，

(1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213;2.核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213)

0 引 言

電站中大量的的水泵長期處于高負(fù)荷的工作狀態(tài)。溫度的升高或設(shè)備長期使用產(chǎn)生的老化，都可能使?jié)櫥陀秃倪^快，導(dǎo)致泵體磨損過快、震動過大，甚至停機(jī)等重大事故，因此產(chǎn)生的設(shè)備損壞、人員安全威脅、生產(chǎn)停滯等造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。傳統(tǒng)的水泵工作狀態(tài)監(jiān)測更多的是基于監(jiān)測人員的經(jīng)驗(yàn)。即使配置了溫度檢測模塊，也只是相對于電站控制系統(tǒng)較為獨(dú)立的一個(gè)部分，不利于實(shí)現(xiàn)電站的整體數(shù)字化。文中設(shè)計(jì)了一套基于溫度檢測的水泵磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，利于溫度傳感器對水泵的工作時(shí)多個(gè)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行分析。以此判斷水泵當(dāng)前的工作狀態(tài)，并決定是否產(chǎn)生產(chǎn)生報(bào)警信號。也可以加入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接對水泵超溫部位采取保護(hù)措施及降溫處理。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

隨著電力向著高電壓、大機(jī)組、大容量的模式迅速發(fā)展電網(wǎng)日益擴(kuò)大以及變電站無人值守的管理模式和綜合自動化的普及推廣，水泵的安全運(yùn)行越來越重要。水泵工作時(shí)會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，如果沒有潤滑油的保護(hù)，可能會引起金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度下降，造成設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅電力設(shè)備及人員安全。因此，建立一套實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵磨損狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，對于保證水泵的正常運(yùn)行，增強(qiáng)電站的可靠性和自動化的程度都十分重要[4-6]。

潤滑油的量及潤滑油的油層的厚度不易測量，而且誤差較大。潤滑油的量與水泵溫度有關(guān)，通過溫度與潤滑油油量的關(guān)系，建立起潤滑油油量的監(jiān)測系統(tǒng)。

綜上所述，根據(jù)水泵在缺少潤滑油保護(hù)時(shí)所產(chǎn)生的熱量變化[7-8]，可以建立一套包含溫度傳感器的水泵磨損狀態(tài)在線監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)。通過對水泵的在高負(fù)荷狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，根據(jù)其溫度的變化，判斷水泵正處于何種狀態(tài)之下，盡早提醒工作人員進(jìn)行檢查和風(fēng)險(xiǎn)排查。

根據(jù)現(xiàn)場需求，以及現(xiàn)場工況，本系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一下功能：

(1)數(shù)據(jù)采集終端可以就地顯示溫度數(shù)據(jù)，有保存及查詢功能，顯示形式包括導(dǎo)出數(shù)據(jù)表、曲線等；

由工程師站計(jì)算機(jī)可以設(shè)定各點(diǎn)溫度的報(bào)警閾值；

(2)由工程師站計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中以往數(shù)據(jù)結(jié)合報(bào)警閾值進(jìn)行比較，分析判斷是否產(chǎn)生報(bào)警信號；

(3)可以通過報(bào)警燈、光字牌、報(bào)警鈴聲等形式進(jìn)行報(bào)警；

(4)可以將報(bào)警信息通過打印機(jī)打印出來；

(5)控制系統(tǒng)算法具有自學(xué)能力，隨著系統(tǒng)在各個(gè)工況運(yùn)行時(shí)間的增長，系統(tǒng)對水泵的磨碎狀態(tài)的判斷將更加準(zhǔn)確。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2三個(gè)層級。LEVEL0為終端設(shè)備層級，其功能包括采集數(shù)據(jù)、就地顯示、向LEVEL1傳輸數(shù)據(jù)等功能。LEVEL1為控制站層級，其功能包括接收發(fā)出模擬量數(shù)字量信號、判斷是否發(fā)出報(bào)警信號、驅(qū)動報(bào)警燈報(bào)警鈴聲。如果系統(tǒng)中接入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如減溫裝置、備用泵切換開關(guān)等，則控制站還對以上執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有驅(qū)動功能。

盡管基于溫度傳感器的水泵磨損狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的直接研究較少，但對于溫度傳感器在線監(jiān)測和診斷以及溫度傳感器在線監(jiān)測和診斷以及溫度傳感器的應(yīng)用研究是成熟的，有許多的理論研究成果可供借鑒，如監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)等。這些研究成果的推廣應(yīng)用，可以確?；跍囟葌鞲衅鬟M(jìn)行在線分析和診斷的理論可行性。

圖1 溫度檢測信號傳輸示意圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 終端設(shè)備層(LEVEL0)設(shè)計(jì)

選用的溫度傳感器，要求其精度達(dá)到0.1 ℃。檢測及數(shù)據(jù)傳輸共分為5路，既能判斷超溫部位具體位置，又能起到冗余的作用，當(dāng)一路傳感器失效時(shí)，其他傳感器可以繼續(xù)對水泵磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。就地顯示屏選取戴爾觸摸屏，可以在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)視。數(shù)據(jù)傳輸采用RS485協(xié)議，具有傳輸距離長、丟包率低等特點(diǎn)。

3.2 設(shè)備管理層(LEVEL 1)設(shè)計(jì)

控制站選用的CPU，應(yīng)具有運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)共5個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，故模擬量輸入值共5路信號，每個(gè)模擬量對應(yīng)一個(gè)判斷信號質(zhì)量的質(zhì)量位，故共5路數(shù)字量輸入信號；報(bào)警燈及光字牌各需要1路數(shù)字量輸出信號，共2路數(shù)字量輸出信號。每塊模擬量調(diào)理板卡可實(shí)現(xiàn)2路模擬量信號輸入功能，模擬量數(shù)字量調(diào)理站包括模擬量輸入板卡4塊；每塊數(shù)字量輸入調(diào)理板卡可實(shí)現(xiàn)8路數(shù)字量的輸入，共需1塊數(shù)字量輸入板卡；每塊數(shù)字量輸出調(diào)理板卡可實(shí)現(xiàn)8路數(shù)字量的輸出，共需1塊數(shù)字量輸出板卡。

3.3 人機(jī)接口層(LEVEL 2)設(shè)計(jì)

在人機(jī)接口層面，工程師站選用的計(jì)算機(jī)大型計(jì)算機(jī)應(yīng)具有穩(wěn)定的工作性能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)采用容量大、運(yùn)算速度快的服務(wù)器，見表1。

表1傳感器具體參數(shù)

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 LEVEL 1設(shè)計(jì)

LEVEL 1的軟件設(shè)計(jì)中重要的部分是判斷算法設(shè)計(jì)。根據(jù)電廠實(shí)際情況，共設(shè)定每個(gè)水泵9個(gè)測點(diǎn)：軸承段、電機(jī)端、泵端分別為三個(gè)傳感器。測點(diǎn)布置既要考慮分布均勻，也要考慮易超溫部位重點(diǎn)監(jiān)測。每個(gè)測點(diǎn)由A、B、C三列傳感器進(jìn)行監(jiān)測。三個(gè)控制站CPU分別負(fù)責(zé)接收其中每列的傳感器的信號，共9個(gè)信號。三個(gè)CPU判斷溫度是否超出閾值，并將判斷結(jié)果通過環(huán)網(wǎng)互相通信，故每個(gè)CPU都能得到每個(gè)測點(diǎn)由ABC三列測得的信號的判斷結(jié)果。例如，CPU1在對第一個(gè)測點(diǎn)(記為1點(diǎn))進(jìn)行判斷的時(shí)候，會依據(jù)A列在1點(diǎn)位置的測量值，結(jié)合CPU2與CPU3通過環(huán)網(wǎng)傳輸過來的在1點(diǎn)位置的結(jié)果判斷值信號，進(jìn)行三取二邏輯運(yùn)算，即如果三個(gè)信號中有兩個(gè)或三個(gè)判斷該點(diǎn)溫度超標(biāo)，即認(rèn)為其超標(biāo)。結(jié)合前文所述，CPU對每個(gè)輸入信號產(chǎn)生的質(zhì)量位，如果該點(diǎn)在該CPU測得的質(zhì)量位為0，則對該點(diǎn)采取降級處理，即從三取二邏輯降級為二取一。如果三個(gè)測量值中兩個(gè)值的質(zhì)量位為0，則產(chǎn)生報(bào)警信號，提醒運(yùn)行人員檢查設(shè)備的狀態(tài)。三個(gè)CPU對每個(gè)測點(diǎn)的判斷最終結(jié)果由硬接線邏輯搭接的或門輸出，實(shí)現(xiàn)該測點(diǎn)的溫度報(bào)警功能。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 LEVEL 2設(shè)計(jì)

LEVEL 2的軟件系統(tǒng)利用Visual Studio平臺，由C#語言編寫，可以由工程師站計(jì)算機(jī)組態(tài)并下裝到控制板卡CPU中，工程師站計(jì)算機(jī)采用Microsoft Windows2000操作系統(tǒng)，算法可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)定閾值，判斷是否超過限值，產(chǎn)生報(bào)警信號。算法具有自學(xué)習(xí)能力，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長，算法對工況判斷的準(zhǔn)確性將越來越高，這是本系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)的重要區(qū)別。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQLserver2000。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)屬于典型的客戶機(jī)-服務(wù)器型系統(tǒng)，專門為數(shù)據(jù)倉庫等應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)。操作員站具有人性化的操作界面，可以清楚的看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、導(dǎo)出數(shù)據(jù)或在對話框中修改判斷的閾值。網(wǎng)關(guān)內(nèi)程序執(zhí)行環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸功能，并且可以與電廠DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通過另一側(cè)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)。LELEL 1的CPU中的程序執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)收發(fā)、產(chǎn)生報(bào)警指令、驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)如報(bào)警鈴、報(bào)警燈等功能。

LEVEL 0的軟件由設(shè)備自帶。

5 數(shù)據(jù)挖掘功能

數(shù)據(jù)挖掘的核心是高質(zhì)量、大規(guī)模的數(shù)據(jù)。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)能夠積累大量的數(shù)據(jù)，這對于系統(tǒng)的升級是最難能可貴的。由此系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確的判斷水泵磨損狀態(tài)。

在數(shù)據(jù)量不夠充足的情況下，系統(tǒng)初始判斷依據(jù)的數(shù)據(jù)來自實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員測得的測點(diǎn)溫度與該數(shù)值對應(yīng)的水泵磨損狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)積累了足夠多的數(shù)據(jù)后，利用本系統(tǒng)自身積累的數(shù)據(jù)將更有利于針對該水泵的磨損狀態(tài)做出判斷。

對于系統(tǒng)進(jìn)一步智能化的拓展，可以采用故障樹方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、專家方法等多種方法。首先對水泵的磨損狀態(tài)進(jìn)行劃分，水泵的磨損狀態(tài)被劃分為正常狀態(tài)、疲勞狀態(tài)、短時(shí)過磨損狀態(tài)、緊急報(bào)警狀態(tài)。然后選取考察參與判斷的參數(shù)的選取，這取決于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之后通過相關(guān)性分析等分析方法得到的結(jié)果。

得到了參與判斷的數(shù)據(jù)之后，將大量的數(shù)據(jù)分為兩部分。一部分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，另一部分為測試數(shù)據(jù)。通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建判斷模型，通過參數(shù)尋優(yōu)的方法，確定模型中的參數(shù)。然后通過測試數(shù)據(jù)的測試效果來決定何時(shí)中斷對模型的訓(xùn)練。此階段應(yīng)注意防止過度訓(xùn)練的情況出現(xiàn)，即避免因?yàn)橛?xùn)練效果過好，導(dǎo)致訓(xùn)練得到的模型僅僅對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)有效，對其他數(shù)據(jù)的效果很差。

6 多重冗余的傳感器可用度分析

馬爾科夫過程是分析隨機(jī)過程的一種重要的方法，能夠清楚的反映出隨機(jī)變量在tn時(shí)刻與在tn-1時(shí)刻的關(guān)系，而與tn-1時(shí)刻前的狀態(tài)無關(guān)。馬爾科夫過程常被用于機(jī)械、電子元件等的可靠性分析和預(yù)測過程。

某時(shí)刻隨機(jī)變量的取值與三冗余系統(tǒng)總共包括四種工作狀態(tài)，即三個(gè)傳感器(兩個(gè)主傳感器和一個(gè)備用傳感器)都正常工作，整個(gè)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，記為S0；兩個(gè)主傳感器中任意有一個(gè)失效，另外兩個(gè)處于正常工作模式，系統(tǒng)仍處于正常工作狀態(tài)，記為狀態(tài)S1；兩個(gè)主傳感器和一個(gè)備用傳感器中任意兩個(gè)失效，只有一個(gè)處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)處于失效狀態(tài)，記為S2；兩個(gè)主傳感器和一個(gè)備用傳感器都處于失效狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于失效狀態(tài)記為S3。假設(shè)單個(gè)傳感器的失效率為λ，單個(gè)傳感器的修復(fù)率為μ。

可用度是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)?？捎枚華(t)定義為，電子系統(tǒng)使用過程中，能夠處于正常工作狀態(tài)的使用時(shí)間占總時(shí)間的比重；可靠度R(t)定義為被測元件在合適的工作條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能夠完成指定的功能的概率。表達(dá)式為：R(t)=P(T>t)，式中，T表示該元件從開始服役到失效前的工作時(shí)間，對于可修復(fù)產(chǎn)品，是指兩次相鄰的故障之間的工作時(shí)間，即無故障工作時(shí)間。失效率λ定義為元件工作到t時(shí)刻時(shí)尚未發(fā)生故障，在t時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，顯然，其單位是時(shí)間的倒數(shù)；平均壽命m定義為失效率的倒數(shù)。冗余配置對于提高系統(tǒng)可用度具有重要作用。

7 結(jié)束語

水泵磨損狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)對水泵的超溫超負(fù)荷保護(hù)起到重要的作用[9-10]。傳感器和控制站的冗余設(shè)置降低了設(shè)備故障導(dǎo)致的更嚴(yán)重問題的可能性。多樣性的保護(hù)方式構(gòu)成了輸電系統(tǒng)的縱深防御體系，增加了電廠的安全性和穩(wěn)定性。通過網(wǎng)關(guān)與電廠原DCS系統(tǒng)的連接為本系統(tǒng)之后的擴(kuò)展功能打下了基礎(chǔ)[11]。