透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

透平貨油泵[1-2]是利用鍋爐蒸汽產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)貨油泵進(jìn)行原油的裝卸作業(yè)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于大型原油運(yùn)輸?shù)拇芭c海洋工程裝備，實(shí)現(xiàn)液貨對(duì)外輸送、船內(nèi)液貨轉(zhuǎn)駁等功能[3-4]。對(duì)比國(guó)際一流貨油泵產(chǎn)品，我國(guó)貨油泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)處于起步階段[5]，亟需設(shè)計(jì)開發(fā)一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)透平貨油泵的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),為用戶提供透平貨油泵維護(hù)計(jì)劃的實(shí)時(shí)性意見及狀態(tài)周期報(bào)告，以達(dá)到延長(zhǎng)透平貨油泵使用壽命、減少停機(jī)時(shí)間、降低維護(hù)成本、增加產(chǎn)品可靠性等目的。

1 透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框架

在已有控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)上，增加振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)及油液顆粒監(jiān)測(cè)，并將所有監(jiān)測(cè)變量統(tǒng)一到一個(gè)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)中[6]。其中控制系統(tǒng)PLC中的監(jiān)測(cè)變量及油液監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)變量通過OPC協(xié)議與基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊[7]；振動(dòng)信號(hào)通過NI以太網(wǎng)采集卡機(jī)箱進(jìn)行采集，上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過DAQmx驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集卡數(shù)據(jù)的讀取[8]。

1.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器布置

通過可靠性分析，振動(dòng)傳感器布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示。包含18個(gè)振動(dòng)傳感器及6個(gè)軸振動(dòng)位移傳感器。

18個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)變量包括：隔艙傳動(dòng)上軸承；隔艙傳動(dòng)下軸承；貨油泵上軸承；貨油泵泵支座；透平高速軸上軸承；透平高速軸下軸承X、Y；透平低速軸上軸承；透平低速軸下軸承X、Y；貨油泵下軸承。

6個(gè)軸振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)變量包括：透平高速軸軸相對(duì)位移X，透平高速軸軸相對(duì)位移Y；隔艙傳動(dòng)軸軸相對(duì)位移X、Y；透平低速軸軸相對(duì)位移X、Y。

1.2 OPC通信

OPC(OLE for Process Control)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以將不同開發(fā)商研發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用軟件有機(jī)地集成或連接起來，使不同的應(yīng)用程序和控制器能相互交換數(shù)據(jù)。OPC采用客戶/服務(wù)器模式，其中OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶端提供所需的數(shù)據(jù)；OPC客戶端為數(shù)據(jù)的使用方法。

OPC服務(wù)器采用NI公司數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控(DSC)模塊，該模塊集成了Siemens大部分PLC產(chǎn)品基于以太網(wǎng)協(xié)議OPC server驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)也集成了用于采集油液監(jiān)測(cè)模塊基于Modbus協(xié)議的OPC server驅(qū)動(dòng)程序。故可通過這一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)基于OPC通信的對(duì)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，見圖2。

1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。為簡(jiǎn)化通信及布線，使系統(tǒng)顯得高效緊湊，主通信網(wǎng)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。所有傳感器信號(hào)通過一定信號(hào)采集處理及轉(zhuǎn)換后，通過以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。上位工控機(jī)也接入交換機(jī)，并通過合適的數(shù)據(jù)采集開發(fā)軟件LabVIEW，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的讀取、處理、存儲(chǔ)及相應(yīng)的信號(hào)分析等操作。

其中加速度傳感器及渦流位移傳感器輸出高頻振動(dòng)信號(hào)，NI采集卡采集這些信號(hào)后通過以太網(wǎng)高速上傳；油液監(jiān)測(cè)傳感器及其他4～20 mA信號(hào)輸出傳感器輸出低頻信號(hào)。為統(tǒng)一成以太網(wǎng)通訊，將這些信號(hào)全部轉(zhuǎn)換成OPC數(shù)據(jù)格式并通過OPC協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳。

2 透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件框架

根據(jù)系統(tǒng)需求分析泵艙泵油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，預(yù)開發(fā)的LabVIEW健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備以下軟件開發(fā)環(huán)境：

1)Windows 7 SP1專業(yè)版或旗艦版64位操作系統(tǒng)。

2)Labview 2014軟件。

3)Labview 2014 DSC Module軟件。

4)NI-DAQmx 14.5驅(qū)動(dòng)軟件。

5)NI Sound and Vibration 2014聲音與振動(dòng)工具包。

6)Labview advanced signal processing toolkit 2014高級(jí)信號(hào)處理工具包。

軟件開發(fā)環(huán)境搭建好后，預(yù)開發(fā)的健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)見圖4。

需要特別說明的是，因振動(dòng)傳感器采用主流的加速度傳感器，得到的為加速度信號(hào)，需要對(duì)其做積分處理，以得到相應(yīng)的速度和位移信號(hào)；相反渦流位移傳感器采集到的為位移信號(hào)，需要對(duì)其做微分處理，以得到相應(yīng)的速度和加速度信號(hào)。

3 透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于LabVIEW開發(fā)的透平貨油泵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面分別見圖5～8，分別對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主頁(yè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)透平驅(qū)動(dòng)組件監(jiān)測(cè)模塊、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隔艙傳動(dòng)組件監(jiān)測(cè)模塊、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)貨油泵監(jiān)測(cè)模塊。

可以看到該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了透平貨油泵關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)提取到的特征變量進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)回放等基本功能。

[1] 吳震宇,丁元亮,羅曉寧,等.貨油泵真空裝置及系統(tǒng)分析[J].船舶,2012(1):55-57.

[2] 吳震宇,丁元亮,羅曉寧,等.大型油船貨油泵蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)研究[J].機(jī)電設(shè)備,2012(增刊):43-44.

[3] 國(guó)內(nèi)首臺(tái)船舶透平貨油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投入使用[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015(7):26.

[4] 公信.首套船用貨油泵透平驅(qū)動(dòng)裝置和FPSO潛液泵研制成功[N].2014-09-15.