秦山核電二期TDM系統改造

沈元帆，丁近厚，張利冰，楊 帆

（中核核電運行管理有限公司 技術二處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統自投用以來已運行10 余年時間，由于原廠家已對產品進行升級替代，備件供應和技術服務已無法滿足現場需求。近幾年，由于設備的可靠性下降及備件的缺乏，導致系統出現故障的次數明顯上升，現場死機、黑屏現象時有發生，設備可靠性已無法滿足現場需求。特別是最近幾個燃料循環，汽輪機部分瓦振信號處于報警的邊緣，汽機振動分析系統不可用將導致瓦振信號缺乏監控，無法跟蹤瓦振信號變化的趨勢，無法及時抓取報警觸發的瞬時狀態。

為確保汽輪機振動分析系統能夠連續穩定運行，提升對于汽輪機振動水平的持續跟蹤分析水平，解決由于軟件廠家不一致導致原汽輪機振動分析系統（簡稱TDM 系統）運算值小于汽輪機振動監測系統（簡稱TSI 系統）保護值，使得TSI 報警觸發，TDM 無法及時抓取報警瞬態的問題，同時考慮到整個系統后續維護和備件的持續供應，需要對秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統進行整體升級替換。

1 系統概述

秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統（簡稱TDM 系統）獲取來自于汽輪機振動監測系統（簡稱TSI 系統）的TSI 輸出緩沖信號，利用振動分析軟件，對電壓信號進行處理以獲得振動值。

其中，來源于TSI 系統的軸振動X、軸振動Y、軸承振動（瓦振）共計33 個測點信號采用硬接線的方式全部進入TDM 系統的數據采集卡，用于監測和分析機組狀態。

除此之外的汽輪機移位信號，包括軸向位移、高低壓缸脹差等信號，以及汽輪機自身相關的溫度、壓力信號，包括汽機進汽A/B 列溫度、低壓缸入口壓力、汽輪機推力軸承溫度、發電機有功功率等信號，通過與電廠數據采集系統（簡稱KIT 系統）通訊的方式，將KIT 系統的數據送入TDM 系統。

2 改造準備情況

目前國內電廠汽輪機振動分析系統的選型上，廠家很多。每個廠家都有屬于自己的振動分析算法，抗混濾波器的截止頻率的不同、有效值幅值轉換電路的不同、積分時序位置的不同，峰峰值檢測電路的區別，都會導致軟件運算后的顯示值存在差異。

秦山核電二期3、4 號機組目前使用的汽輪機振動監測系統是EPRO 公司的MMS6000 系列產品?？紤]到盡量保持TSITDM 系統數據分析的一致性，秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統改造最終選擇艾默生的CSI 6500 機械健康專家系統，為德國EPRO 公司被艾默生過程控制公司收購后推出的汽輪機振動分析系統。

在原有功能保持不降低的情況下，機柜的外部接線保持不變，機柜整體尺寸、安裝方式保持不變。考慮到汽輪機瓦振信號監控的新需求，將原有的KIT 系統至TDM 系統的單向通訊改為KIT 系統和TDM 系統的雙向通訊，將瓦振信號送至KIT 系統，利用PI 系統送至公司辦公網。

3 改造范圍及系統設計

本次改造范圍為秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統，通過機柜整體更換的方式進行改造，振動分析系統軟硬件安裝在新的TDM 機柜中，將TSI 輸出的緩沖信號接入TDM 機柜中，利用原有的電纜實現與KIT 系統的數據通訊。

圖1 A6560前面板圖[1]Fig.1 A6560 front panel diagram[1]

3.1 信號處理方式

動態量信號：所有軸振X、軸振Y、瓦振測點的緩沖輸出信號接入系統信號卡A6510，信號卡將所需參數提取后進入處理器卡A6560，通過處理器卡完成對上述各信號同步、連續的瞬態數據的采集和記錄，上述信號會一直記錄在瞬態子板內置的60G 硬盤上。在所有通道均組態為瞬態通道的情況下，可以滾動存儲100h 所有通道的瞬態數據。這個功能可以保證在設備跳車或其他突發事件情況所有通道不丟失任何數據，記錄下來的信號可以進行詳細的信號分析，得到的頻譜圖最高可達到51200 線的分辨率。

靜態量信號：偏心、鍵相、軸位移、脹差等信號通過通訊方式接入系統，用以畫面實時監測顯示，歷史趨勢查詢等。

其它信號：溫度、壓力、真空等信號通過通訊方式接入系統，用以畫面實時監測顯示，歷史趨勢查詢等。

3.2 振動分析系統硬件配置

處理器卡A6560，如圖1 所示。

A6560 處理器卡是一個多通道、多任務、多進程的數據采集和處理系統。

支持以下信號類型：①加速度傳感器；②速度探頭；③位移傳感器；④其他AC 交流信號；⑤磁通信號；⑥動態壓力；⑦DC 直流信號；⑧溫度；⑨載荷；⑩轉速/鍵相信號；?開關量。

處理卡提供以太網接口通訊到AMS Machinery Manager或者通過MODBUS TCP/OPC 與DCS 或其他第三方軟件進行通訊。

圖2 A6510前面板圖Fig.2 A6510 Front panel diagram

瞬態卡：CSI 6500 系統的瞬態子板卡需要集成在A6560 處理器卡上，提供所有通道同步、連續的瞬態數據的采集和記錄。

瞬態卡同時通過以太網提供實時監測模式到AMS Machinery Manager 軟件，不需要另外的數據處理或板卡的數據存儲。

所有通道的所有信號（原始的長時間的數字時域波形）會一直記錄在瞬態子板內置的60G 硬盤上。在所有通道均組態為瞬態通道的情況下，可以滾動存儲100h 所有通道的瞬態數據。這個功能可以保證在設備跳車或其他突發事件情況所有通道不丟失任何數據。

記錄下來的信號可以進行詳細的信號分析，得到的頻譜圖最高可達到51200 線的分辨率。

瞬態卡還提供某一事件（通過報警、轉速或其他觸發條件觸發）前后1h 的瞬態數據自動提取，也可以通過手動提取瞬態卡內置硬盤上任意時間段的瞬態數據。

信號卡A6510，如圖2 所示。

A6510 信號卡有2 個雙色指示燈。上面的LED 指示燈顯示A6510 的電源狀態，下面的LED 指示燈顯示A6510 的健康狀態。

每個A6510 卡包括12 個通用信號通道，信號輸入通道可接收在+/- 21 VDC 或+/- 10 VAC-peak 內的任意傳感器或緩沖輸出的信號。傳感器類型可包括加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器，同時也可以接收其他類型的AC或DC 電壓信號，A6510 將根據設置的靈敏度將其轉化為工程單位。

A6510 可以提供以下參數：參數總量、頻帶參數。

頻譜中提取的分析參數：總能量，某頻率范圍內總能量、非同步能量和同步能量、同步峰值、HFD 高頻檢波。

波形中提取的分析參數：波形變化率、真峰值、峰峰值、S-Max。

其他分析參數：峭度、同步相位等，使用自定義分析參數幫助診斷和趨勢跟蹤。

每個A6510 卡包括2 個轉速通道，轉速計包括但不局限于以下幾種：電渦流傳感器、磁感應式傳感器、TTL 脈沖信號。

A6510 轉速信號輸入特點：

① 既可使用固定的觸發電壓，也可使用“自適應”的自動觸發模式。每個轉速計都可獨立設置觸發參數。

② 對于轉速齒輪盤可以設置比例因子。

③ 對于齒輪箱可以根據轉速比設置虛擬轉速。

④ 對于沒有轉速計的設備可以設置定轉速。

⑤ 每個A6510 卡包括2 個繼電器通道。繼電器通道可以將軟件組態為光耦隔離式輸入或干接點輸出，輸入繼電器電壓在5VDC ～24VDC，輸出小于24VDC/0.5A。

3.3 振動分析系統軟件配置

CSI6500 系統的AMS 軟件平臺：AMS Machinery Health Manager 是針對旋轉預測分析和故障診斷的多技術一體化平臺，集成的解決方案包括便攜式振動分析儀、在線連續監測、無線振動分析、油液分析、激光對中、交流電機診斷及動平衡，AMS 主要包括VibView、OnlineSoftware、TransientModule、Network Administration、Database Server 軟件模塊，實現對數據的采集管理、存儲管理、分析功能、數據交換等，第三方平臺可以通過AMS 的OPC 服務器或者CSI6500 的ModBus TCP 接口接收數據。

4 改造實施及效果

秦山核電二期3、7 號機組改造分別在307、407 大修進行實施。主要有以下5 個部分內容：

1）原外部電纜記錄拆線，舊機柜移除。

2）新機柜安裝、電纜回接。

3）機柜內設備安裝，內部電纜連接。

4）機柜上電調試。

5）TDM 系統與KIT 系統的雙向通訊調試。

其中，機柜系統上電調試主要是對機柜通道檢查，通過在TSI 機柜端增加信號，模擬就地信號，驗證TDM 機柜的顯示值以及與TSI 機柜顯示值之間的區別，驗證TDM 的報警列表中的報警信號正常觸發，驗證相關點趨勢顯示正常。

和KIT 系統之間的雙向通訊調試。首先，通過CHANNEL1 TCP SERVER 建立TDM 與KEEPSEVER 通訊，將TDM 內部的瓦振信號送至KEEPSEVER 軟件；其次，通過MODBUS SLAVE 進 行KEEPSEVER 與KIT 的 RS485 通訊，送出瓦振信號，接受KIT 通訊過來的數據，需要匹配KIT 與MODBUS SLAVE 的相關設置，如通道、寄存器位置碼等（主要為KIT 一側）；最后，通過MODBUS TCP 將KIT通訊過來的數據，由KEEPSEVER 寫入TDM 顯示。

圖3 改造后照片Fig.3 Photos after transformation

5 問題及解決

5.1 TDM與KIT系統雙向通訊無法連接

改造初始方案是利用原有的TDM 和KIT 通訊電纜，直接通訊?，F場調試過程中發現當前電腦配置的串口均為RS232，考慮到兩臺機柜之間的距離和通訊穩定性的要求，需轉為RS485 信號才能進行長距離通訊。TDM 機柜中送出為RS232 協議信號，通過串口轉換模塊將RS232 轉換為RS485 信號。

通訊測試過程中發現信號傳輸不穩定，通過更換通訊口、更換RS232 轉RS485 轉換器、通訊線纜絕緣檢查的方式都沒能很好地解決問題，后來為改善通訊質量，減少干擾，在RX/TX 正負端并接一個120Ω 的電阻。

由于TDM 與KIT 都只能作主站，所以TDM 使用KEEPSEVER 作為第三方軟件。作為兩者的從站，在TDM側，首先對CHANNEL1 TCP SERVER 進行參數設置，其ID改為192.168.0.137，即瓦振通道卡的地址，設置需通信點的寄存器地址位，然后設置MODBUS SLAVE 的參數設置，ID 改為3，即KIT 側對應的端口，同樣建立需通信點的寄存器地址位；最后，對MODBUS TCP 進行參數設置，ID 設為127.0.0.1，即本機地址。

圖4 跳線位置和設置[2]Fig.4 Jumper position and setting[2]

在KIT 端，由于將通訊接入原有的通訊卡，無法成功地由單向通訊轉化為雙向通訊，后繼直接在原通訊卡邊上增加了新的通訊卡，即在FBM 卡件的安裝底板上安裝FBM230 卡件，并連接好卡件與端子排。安裝FDSI 組態器，并將MODBUS.ZIPH/MBSLAVE.ZIPH 文件復制到對應工作站的文件夾下，創建用戶設備的組態文件(.XML)，如TDM1.XML 文件，在該組態文件中定義通訊的地址，并將掃描數率設置為2000ms。在對應站的ECB 文件下，創建新的通訊模塊并設置參數，在系統監控畫面下，對此新增模塊進行驅動下裝、組態文件下裝并開始掃描數據。由于新的卡件EEPROM 版本過低，首次下裝失敗，后繼現對版本進行更新，才成功下裝IO 組態。整個下裝過程中需確保與TDM 的通訊已斷開，否則會下裝失敗。在新的通訊模塊中建立通訊點清單，其地址順序要與TDM 側一致。在IA 組態畫面中做CHECKPOINT，將組態文件保存至此臺工作站上，若后續CP 重啟能自動下裝組態文件。

最后，對TDM 側和TSI 側的通訊信息進行確認，雙方都是Modbus RTU 協議，并將通訊地址設置為4，波特率設置為1200，校驗方式設置為NONE，最終通訊成功。

5.2 調試階段發現TDM系統無法顯示間隙電壓

在上電調試階段，發現在TSI 機柜側加模擬信號，TDM 系統無法顯示間隙電壓，對TSI 和TDM 的卡件進行了檢查，發現問題是因為TSI 系統的卡件輸出，TSI 系統的A6110(MMS6110)、A6120(MMS6120)、A6140(MMS6140) 等卡件具備輸出跳線功能，在卡件上標注的J2 位置，能夠進行跳線設置，其跳線具有兩種模式：

選擇a）模式時，卡件將輸出0Vpp ～20Vpp 電壓信號，選擇b）模式時，卡件將輸出傳感器原始信號。默認的卡件輸出是0Vpp ～20Vpp，輸出給TDM 接收，但因不包含直流分量，則TDM 側無法顯示振動探頭的間隙電壓。且造成TDM 的顯示值，是TSI 顯示值的5 倍左右，有偏差。更改跳線后，改為原始動態電壓輸出，TDM 可以完美接收原始信號。

考慮到現場啟機后對間隙電壓的監視需求，對TSI 卡件進行了跳線修改。

5.3 汽輪機實際轉動期間TSI側和TDM側數據存在偏差

靜態模擬信號調試時TSI 側和TDM 側的信號顯示完全一樣，但在汽輪機實際開始轉動后，發現兩者的數據開始存在偏差。

考慮到TSI 和TDM 的信號來源于同一廠家，信號的有效值幅值轉換電路、積分時序位置應保持一致，分析原因應該是抗混濾波器的截止頻率、峰峰值檢測電路的設計存在不同。

根據采樣定理，采樣頻率必須至少是模擬信號中存在的最高頻率的兩倍，否則會引起信號的混淆?？够鞛V波器用于限制采樣前輸入信號的高頻成分。濾波器的截止頻率不同，會對儀器測量的幅值產生顯著影響，當輸入信號具有高于抗混濾波器截止頻率的顯著頻率成分時，高頻信號不會納入幅值的疊加計算。

如圖5 所示，隨著截止頻率的改變，計算得出的幅值也跟著變化。在圖5A 中，包含了100Hz，200Hz 和500Hz的正弦波。每個正弦波的相位和幅值相同（pk=1.0），僅在頻率上不同。圖5B 顯示了當這些正弦曲線相加時產生的復合波形，產生pk 約為2.1 的波形。假設一個“理想的”抗混疊濾波器可以完全去除截止點以上的所有頻率，并且對截止頻率以下的頻率的幅值或相位沒有影響，那么引入具有400Hz 截止頻率的濾波器將消除500Hz 分量和將原始波形pk 幅值減小約19%（見圖5C）。將抗混疊濾波器降低到150Hz 可以消除200 Hz 和500Hz 的分量，將原始pk 振幅降低約52%，僅留下100Hz 正弦曲線（見圖5D）。

由于振動監測系統關注于汽輪機自身的部件的振動或共模振動，一般僅保留0.5 倍頻至3 倍頻之間的振動數據（基礎頻率為50Hz），而振動分析系統的頻率范圍則更廣泛，其高通濾波器為2000Hz。

對于振動分析系統，其目標是跟蹤信號中的所有信息，而不管其來源如何。目的是促進詳細的診斷，使工程師能夠確定信號中存在的所有信息，無論是實際的機械振動，還是電磁干擾，軸上的劃痕還是其他任何問題。因此，通常會采集一段有限持續時間的“快照”。 在該特定期間的信號通過信號處理，計算感興趣的信號屬性，例如頻率分量或波形幅值。

而監視保護系統則是對應連續的信號輸入，并且進行持續的計算輸出，用于與設定的報警值進行比較，以幫助保護設備的總振動幅值。對于連續監視系統，其目標是真實地反映存在的實際機械振動，但要結合信號處理技術，提高系統對噪音信號的免疫力（例如瞬態噪聲），因為這些噪音可能會導致誤報警或跳機。

圖5 截止頻率變化對幅值的影響[3]Fig.5 The influence of cut-off frequency change on amplitude[3]

圖6 振動監測系統使用的峰峰值檢測電路的典型響應Fig.6 Typical response of peak-to-peak detection circuit used in vibration monitoring system

正是因為目的不一樣，振動分析系統和監視保護系統會采用明顯不同的峰峰值檢測電路：

監視保護系統通常是通過使用由二極管、電阻器和電容器組成的模擬電路實現的。電阻-電容（RC）元件為這些電路提供了獨特的充電/放電時間常數，其響應會連續處理輸入信號，它的輸出根據輸入信號的瞬時值和電路過去峰值的記憶不斷調整。當輸入信號超過電路過去峰值的存儲器時，輸出增加，將其描述為“充電”。當輸入信號小于過去峰值的當前存儲器時，輸出減小，稱之為“放電”。電路對輸入波形中最高幅值尖峰進行緩慢響應，如圖6所示。

圖7 振動分析系統使用的峰峰值檢測電路的典型響應Fig.7 Typical response of peak-to-peak detection circuit used in vibration analysis system

而振動分析系統使用的是“采樣和保持”類型峰峰值檢測電路，通過對輸入信號進行特定持續時間段內所有信號進行采集，其輸出和輸入值直接對應，電路對輸入波形中最高幅值尖峰進行直接響應，如圖7 所示。

現場實際情況與對兩種系統的分析結果一致，TDM 計算出的振動幅值要大于TSI 的計算值。由于此偏差無法通過增加偏置的方法進行消除，因而本次改造無法解決此問題。如果要求兩者的顯示值一致，則需要采用通訊的方式，將TSI 的計算值通訊到TDM，才能使TDM 的顯示/報警值與TSI 完全一致。

6 結束語

本次改造在保持原系統功能的基礎上，不改變系統接口和安裝空間，以盡可能簡單的方式對設備進行更新替代。通過提供更多的振動分析圖譜，更精準的數據采集能力使振動分析水平得以有效提升；通過提升系統的軟硬件水平，保證備件服務的持續供應，使整個系統的可靠性得以提升。

改造后的汽輪機振動分析系統具有以下優點：

1）更加成熟穩定的系統，與TSI 系統采用相同的廠家，便于日后維護。

2）標準化的通訊協議，便于信號的通訊傳輸。

3）更精準的數據采集，特別是啟停機期間的數據采集，便于對機組振動狀態的分析。

4）豐富的振動圖譜，更加直觀的振動狀態監控。

5）主流的軟硬件配置，確保備件供應。

本次改造整體提升了系統的功能及穩定性，故障率的降低使得系統維護開支減少，維護難度降低，機組的效益與收益得到顯著增加，也為今后國內核電廠的汽輪機振動分析系統改造提供參考。