基于溫度檢測的水泵磨損狀態監測系統的設計

，，，，，田峰，文鑫，

(1.中國核動力研究設計院，成都 610213;2.核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213)

0 引 言

電站中大量的的水泵長期處于高負荷的工作狀態。溫度的升高或設備長期使用產生的老化，都可能使潤滑油油耗過快，導致泵體磨損過快、震動過大，甚至停機等重大事故，因此產生的設備損壞、人員安全威脅、生產停滯等造成了巨大的經濟損失[1-3]。傳統的水泵工作狀態監測更多的是基于監測人員的經驗。即使配置了溫度檢測模塊，也只是相對于電站控制系統較為獨立的一個部分，不利于實現電站的整體數字化。文中設計了一套基于溫度檢測的水泵磨損狀態的在線監測系統，利于溫度傳感器對水泵的工作時多個測點的溫度進行分析。以此判斷水泵當前的工作狀態，并決定是否產生產生報警信號。也可以加入執行機構，直接對水泵超溫部位采取保護措施及降溫處理。

1 系統功能設計

隨著電力向著高電壓、大機組、大容量的模式迅速發展電網日益擴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，水泵的安全運行越來越重要。水泵工作時會產生發熱現象，如果沒有潤滑油的保護，可能會引起金屬材料的機械強度下降，造成設備損壞，嚴重威脅電力設備及人員安全。因此，建立一套實時監測水泵磨損狀態的監測系統，對于保證水泵的正常運行，增強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，通過溫度與潤滑油油量的關系，建立起潤滑油油量的監測系統。

綜上所述，根據水泵在缺少潤滑油保護時所產生的熱量變化[7-8]，可以建立一套包含溫度傳感器的水泵磨損狀態在線監測監測系統。通過對水泵的在高負荷狀態下產生的熱量進行實時數據采集，根據其溫度的變化，判斷水泵正處于何種狀態之下，盡早提醒工作人員進行檢查和風險排查。

根據現場需求，以及現場工況，本系統應該實現一下功能：

(1)數據采集終端可以就地顯示溫度數據，有保存及查詢功能，顯示形式包括導出數據表、曲線等；

由工程師站計算機可以設定各點溫度的報警閾值；

(2)由工程師站計算機根據數據庫服務器中以往數據結合報警閾值進行比較，分析判斷是否產生報警信號；

(3)可以通過報警燈、光字牌、報警鈴聲等形式進行報警；

(4)可以將報警信息通過打印機打印出來；

(5)控制系統算法具有自學能力，隨著系統在各個工況運行時間的增長，系統對水泵的磨碎狀態的判斷將更加準確。

2 系統架構設計

系統分為LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2三個層級。LEVEL0為終端設備層級，其功能包括采集數據、就地顯示、向LEVEL1傳輸數據等功能。LEVEL1為控制站層級，其功能包括接收發出模擬量數字量信號、判斷是否發出報警信號、驅動報警燈報警鈴聲。如果系統中接入執行機構，如減溫裝置、備用泵切換開關等，則控制站還對以上執行機構具有驅動功能。

盡管基于溫度傳感器的水泵磨損狀態在線監測系統的直接研究較少，但對于溫度傳感器在線監測和診斷以及溫度傳感器在線監測和診斷以及溫度傳感器的應用研究是成熟的，有許多的理論研究成果可供借鑒，如監測系統硬件結構、監測系統軟件功能設計等。這些研究成果的推廣應用，可以確保基于溫度傳感器進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 硬件設計

3.1 終端設備層(LEVEL0)設計

選用的溫度傳感器，要求其精度達到0.1 ℃。檢測及數據傳輸共分為5路，既能判斷超溫部位具體位置，又能起到冗余的作用，當一路傳感器失效時，其他傳感器可以繼續對水泵磨損狀態進行監測。就地顯示屏選取戴爾觸摸屏，可以在現場進行數據查詢和監視。數據傳輸采用RS485協議，具有傳輸距離長、丟包率低等特點。

3.2 設備管理層(LEVEL 1)設計

控制站選用的CPU，應具有運算速度快，穩定性強的特點。系統共5個數據采集模塊，故模擬量輸入值共5路信號，每個模擬量對應一個判斷信號質量的質量位，故共5路數字量輸入信號；報警燈及光字牌各需要1路數字量輸出信號，共2路數字量輸出信號。每塊模擬量調理板卡可實現2路模擬量信號輸入功能，模擬量數字量調理站包括模擬量輸入板卡4塊；每塊數字量輸入調理板卡可實現8路數字量的輸入，共需1塊數字量輸入板卡；每塊數字量輸出調理板卡可實現8路數字量的輸出，共需1塊數字量輸出板卡。

3.3 人機接口層(LEVEL 2)設計

在人機接口層面，工程師站選用的計算機大型計算機應具有穩定的工作性能。數據庫服務器應采用容量大、運算速度快的服務器，見表1。

表1傳感器具體參數

4 軟件設計

4.1 LEVEL 1設計

LEVEL 1的軟件設計中重要的部分是判斷算法設計。根據電廠實際情況，共設定每個水泵9個測點：軸承段、電機端、泵端分別為三個傳感器。測點布置既要考慮分布均勻，也要考慮易超溫部位重點監測。每個測點由A、B、C三列傳感器進行監測。三個控制站CPU分別負責接收其中每列的傳感器的信號，共9個信號。三個CPU判斷溫度是否超出閾值，并將判斷結果通過環網互相通信，故每個CPU都能得到每個測點由ABC三列測得的信號的判斷結果。例如，CPU1在對第一個測點(記為1點)進行判斷的時候，會依據A列在1點位置的測量值，結合CPU2與CPU3通過環網傳輸過來的在1點位置的結果判斷值信號，進行三取二邏輯運算，即如果三個信號中有兩個或三個判斷該點溫度超標，即認為其超標。結合前文所述，CPU對每個輸入信號產生的質量位，如果該點在該CPU測得的質量位為0，則對該點采取降級處理，即從三取二邏輯降級為二取一。如果三個測量值中兩個值的質量位為0，則產生報警信號，提醒運行人員檢查設備的狀態。三個CPU對每個測點的判斷最終結果由硬接線邏輯搭接的或門輸出，實現該測點的溫度報警功能。

圖2 系統架構圖

4.2 LEVEL 2設計

LEVEL 2的軟件系統利用Visual Studio平臺，由C#語言編寫，可以由工程師站計算機組態并下裝到控制板卡CPU中，工程師站計算機采用Microsoft Windows2000操作系統，算法可以根據數據庫中已有數據，結合設定閾值，判斷是否超過限值，產生報警信號。算法具有自學習能力，隨著系統運行時間的增長，算法對工況判斷的準確性將越來越高，這是本系統區別于傳統報警系統的重要區別。數據庫采用Microsoft SQLserver2000。該數據庫系統屬于典型的客戶機-服務器型系統，專門為數據倉庫等應用程序而設計。操作員站具有人性化的操作界面，可以清楚的看到實時數據曲線、導出數據或在對話框中修改判斷的閾值。網關內程序執行環網的數據傳輸功能，并且可以與電廠DCS系統的網絡通過另一側的網關進行互聯。LELEL 1的CPU中的程序執行具體的數據收發、產生報警指令、驅動執行機構如報警鈴、報警燈等功能。

LEVEL 0的軟件由設備自帶。

5 數據挖掘功能

數據挖掘的核心是高質量、大規模的數據。經過長時間的運行，系統能夠積累大量的數據，這對于系統的升級是最難能可貴的。由此系統能夠更加準確的判斷水泵磨損狀態。

在數據量不夠充足的情況下，系統初始判斷依據的數據來自實驗室實驗人員測得的測點溫度與該數值對應的水泵磨損狀態。當系統積累了足夠多的數據后，利用本系統自身積累的數據將更有利于針對該水泵的磨損狀態做出判斷。

對于系統進一步智能化的拓展，可以采用故障樹方法、神經網絡方法、專家方法等多種方法。首先對水泵的磨損狀態進行劃分，水泵的磨損狀態被劃分為正常狀態、疲勞狀態、短時過磨損狀態、緊急報警狀態。然后選取考察參與判斷的參數的選取，這取決于系統采集數據之后通過相關性分析等分析方法得到的結果。

得到了參與判斷的數據之后，將大量的數據分為兩部分。一部分為訓練數據，另一部分為測試數據。通過訓練數據構建判斷模型，通過參數尋優的方法，確定模型中的參數。然后通過測試數據的測試效果來決定何時中斷對模型的訓練。此階段應注意防止過度訓練的情況出現，即避免因為訓練效果過好，導致訓練得到的模型僅僅對訓練數據集中的數據有效，對其他數據的效果很差。

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過程的一種重要的方法，能夠清楚的反映出隨機變量在tn時刻與在tn-1時刻的關系，而與tn-1時刻前的狀態無關。馬爾科夫過程常被用于機械、電子元件等的可靠性分析和預測過程。

某時刻隨機變量的取值與三冗余系統總共包括四種工作狀態，即三個傳感器(兩個主傳感器和一個備用傳感器)都正常工作，整個系統處于正常工作狀態，記為S0；兩個主傳感器中任意有一個失效，另外兩個處于正常工作模式，系統仍處于正常工作狀態，記為狀態S1；兩個主傳感器和一個備用傳感器中任意兩個失效，只有一個處于正常工作狀態，系統處于失效狀態，記為S2；兩個主傳感器和一個備用傳感器都處于失效狀態，整個系統處于失效狀態記為S3。假設單個傳感器的失效率為λ，單個傳感器的修復率為μ。

可用度是衡量系統穩定性的重要指標。可用度A(t)定義為，電子系統使用過程中，能夠處于正常工作狀態的使用時間占總時間的比重；可靠度R(t)定義為被測元件在合適的工作條件下、在規定的時間內，能夠完成指定的功能的概率。表達式為：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間，對于可修復產品，是指兩次相鄰的故障之間的工作時間，即無故障工作時間。失效率λ定義為元件工作到t時刻時尚未發生故障，在t時刻后的單位時間內發生故障的概率，顯然，其單位是時間的倒數；平均壽命m定義為失效率的倒數。冗余配置對于提高系統可用度具有重要作用。

7 結束語

水泵磨損狀態在線監測系統對水泵的超溫超負荷保護起到重要的作用[9-10]。傳感器和控制站的冗余設置降低了設備故障導致的更嚴重問題的可能性。多樣性的保護方式構成了輸電系統的縱深防御體系，增加了電廠的安全性和穩定性。通過網關與電廠原DCS系統的連接為本系統之后的擴展功能打下了基礎[11]。