2汽轮发电机组在线监测与诊断系统

#2汽轮发电机组在线监测与诊断系统 #2汽轮发电机组在线监测与诊断系统 发时间:2003-10-13 作者：尹荣英 摘要： 一  引言     中国石化金陵分公司热电分部#2汽轮机是上海汽轮机厂于80年代制造的50MW二级调整抽汽的凝汽式汽轮机，机组型号为CC50-90／42／15。汽轮发电机组由汽轮机、发电机、励磁机三大部份组成，这三个部分在运行过程中，会发生机械故障如不平衡、不对中、机械松动、油膜失稳等。中国石化金陵分公司热电分部由于生产的实际需要，经中石化股份有限公司金陵分公司批准立项，与浙江大学合作，研制开发了#2汽轮发电机组先进、可靠和实用的CMD-3N型在线状态监测系统。此系统通过轴承产生的相关信号，监测汽轮发电机组转子轴承系统的运行状态和依据轴系振动特性分析，能对常见的机械故障如不平衡、不对中、机械松动、油膜失稳等作出判断。系统的分析诊断功能采用机组出现异常预兆阶段的状态预测新技术，尽可能做到防患于未然，确保机组的安全运行，减少非计划停车，既可对维修计划作出更为合理的按排，又可使机组延长运转周期。 二  振动监测与诊断系统硬件结构及原理     一个能得到企业认可的在线系统，首先必须具有适用于工业现场的硬件结构和能与被监测机组同周期连续运行的高可靠性，第二是系统应在机组处于任何运行状态下或运行状态改变时，都不能丢失任何数据。要能采集和保存事故现场的全部信息，亦即系统要有高的采样实时性与快速性。第三系统应具有符合生产实际状况和需要的工程实用分析与诊断功能，以期在生产中充分发挥作用。基于以上的设计考虑，结合当前状态监测与诊断系统正在向网络化、小型化和智能化方向发展，并以"虚拟仪器系统"取代传统仪器系统的现实，中国石化金陵分公司热电分部#2汽轮发电机组振动监测与诊断系统总体结构如图一所示。系统主要由本特利3500监测仪表(包括现场探头、前置器、接口模块、信号模块等)、CMD-3N网络化在线数据采集器、监测系统上位计算机组成。 ①本特利3500监测仪表     本特利3500监测仪表完成对现场运行参数的测量。该仪表共设有16个现场监测探头，探头布置示意图见图二。其中，键相位信号探头一个(图二中P1测点)，该键相位信号作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基准。轴向位移信号探头两个(图二中ZWl和ZW2测点)。三跨转子六个轴承处轴径向振动信号探头12个(图二中Z1x、Z1y～Z6x、Z6y测点)，每个轴承处安装一个测点，每个测点有相互垂直的X、Y二个径向振动传感器。差胀信号一个(图二中zcl测点)。16个传感器均采用Bently公司的电涡流传感器。16个现场监测探头信号经前置器放大后，分别送至本特利3500监测仪表键相器模块、轴位移、轴振、差胀模块，通过各模块的缓冲输出口，把信号送至CMD-3N网络化在线数据采集器。 ②CMD-3N网络化在线数据采集器     汽轮发电机组的12路径向轴振动信号，1路键相位信号、2路轴位移信号和1路差胀信号，从Bently3500信号模块的缓冲输出口输入到CMD-3N网络化在线数据采集器，然后对信号进行调理、采样、存贮和通信。CMD-3N网络化数据采集器虽然在整个系统中只是一个模块，但是它也是一个独立的系统，该系统采用了分布式结构，其内部结构如图三所示。它由相对独立的三个数据采集子模块和一个通讯子模块组成。三个数据采集子模块分别对汽轮机、发电机、和励磁机振动单独采样，从而实现采集模块化，功能分散化，保证系统运行的可靠性。三个子模块硬件和程序上的构建基本上都是一样的。在工业现场应用的仪器系统，本身的可靠性至关重要，本系统在硬件设计上的一个原则是尽量采样目前国外公司成熟的并在可靠性和精度上值得信赖的产品。因此系统中的硬件几乎全部是购置现成的产品，如CPU模板采用台湾研华公司的嵌入式PC-104模块，A／D模板采用美国Diamond公司的DIAMOND-MM-AT产品。图四为采集子模块的内部结构。     信号调理电路接收的信号有交流信号和直流信号，因此系统中必须具有既能分离这两种信号，又不能引起相位改变的调理电路，目前市场上没有此种现成产品。为此，浙江大学设计了通过一个滤波和一个减法运算电路来实现上述目的的信号调理电路。     通讯子模块有二个主要功能，数据的存储和通讯。当前数据、报警数据、起停车数据和趋势数据都保存在该模块中，并为上位机的数据请求提供服务，从这个角度看，它是一个以太网络服务器设备。通讯子模块通过RS-485从数据采集子模块通过轮询的方式获得数据，同时自己也是一个以太网服务器，为以太网上的监测系统上位计算机负责系统组态，参数设置，数据管理、分析诊断并提供友好的用户界面。 ③监测系统上位计算机，该部分采用个人PC，用于系统各种参数的设置并显示机组运行状态的各种图形、数据，即实现客户端功能。 三  系统软件设计 1、操作系统选择     CMD-3N的整体网络拓扑结构采用基于Ethernet的服务器／客户端模式，从内存、CPU、存储空间等几个关键要素来分析，对于这类结构形式的系统采用嵌入式操作系统是最符合该项目要求的。应用于嵌入式系统的操作系统种类繁多，比较著名的是PalmOS、VxWorks、pSOS、Neculeus，Windows CE和Linux。相比之下，由于Linux实现嵌入式操作系统是一种成本低、效率高、开发周期相对较短，安全性能高的途径。因此，从技术、成本、安全还是兼容性的角度上考虑，我们选择Linux作为操作系统，实现所需功能。 2、应用软件设计 2.1  程序总体构架 程序的总体见图五。 程序设计的基本思路是： 2.1.1  通过测速判断目前是处于什么状态(起停状态，稳定状态，停机状态，高速状态)； 2.1.2  根据目前的状态确定采样的方式，根据目前的速度确定采样的频率； 2.1.3  判断有没有报警和起停事件发生，并保存相应数据； 2.1.4  进行网络通讯； 2.2  测速模块     该程序不但负责测试速度，还要根据测试的速度和保存的参数比较，判断现在的转子正处于稳态，起停，速度无效，停机的哪种运行状态下，程序的采样方式将根据这个状态来确定，而采样频率就是根据测试得到的速度确定。 2.3  停机和高速模块     当监测对象转子进入停机和高速状态的时候，也就是超过了我们能够采样的范围：速度过高，对应的采样的频率也就比较高，我们的AD板的AD采样频率是有一个上限的，超过这个上限，是没有办法准确采样的：而速度过低，AD板上的计数器会因为时间过长，而计数溢出，就会得到一个错误的速度，那么对于在这两种状态下进行采样是不准确和没有意义的。所以，在这两种状态下，程序不采样，并对以前的采样值清零。 2.4  稳态和报警模块     采样的程序分为以下步骤： 2.4.1  时间判断     稳态的采样分辨率是2秒钟，没有到2秒钟不做采样处理。 2.4.2  波形数据采样     采集的波形点数是固定的，每个周期采64点，采集32个周期，总共2048点。但是要做到比较准确的整周期采样，就要计算好每个采样点之间的时间间隔，而这个时间间隔的计算就是根据上面的测速模块得到的速度数据除以每个周期采样点数得到的。 2.4.3  波形数据采样结果处理     主要是分离4个通道的波形数据； 2.4.4  静态数据采样 主要是采集间隙电压数据和轴位移。 2.4.5  静态数据处理     通过采集的波形数据和静态数据计算8个静态值：通频峰峰值、0.5倍频幅值、1倍频幅值、1倍频相位、2倍频幅值、间隙电压、轴位移和转速。 2.4.6报警处理     判断有没有报警事件，如果有就保存报警时刻的波形数据和该时刻前后30秒共30点的静态数据。 2.5  起停模块     当转子运行状态进入起停状态后，程序就要按照起停状态下的模式进行采样，然后分离4个通道的波形数据，并计算静态数据。 2.6  通信模块     通信模块的结构比较简单，主要是充分利用了AD板上用于串口通信的16C550UARTs，该芯片自带了16字节的FIFO，而我们用于通信的命令最长就12字节，利用了这个功能后，只要程序定时的检查FIFO中有没有命令，并做相应处理。通过这种方式，避免了采用查询方式产生的难以同步的缺点，又避免了采用中断方式系统资源占用过多的缺点。 四  系统功能     分析系统功能的基础是区别测试对象的运行状态，根据不同的状态实现相对应的功能。 4.1  机组稳态运行时的系统功能 ●系统的实时性     可确保全部监测参数每2秒钟采集一次(测速每秒钟1次，以保证及时采集停车数据)。 ●提供的状态信息     A.静态参数--间隙电压、0.5X幅值、1X幅值和相位、2X幅值、转速，轴位移／差胀和振动的通频峰一峰值。     B.动态参数--不经滤波的径向轴振动时间历程。 ●实时显示用于分析机组运行状态的各种图谱如棒图，轴心轨迹与时基图，频谱图和快速趋势图。 ●可显示机组各测点参数的报警值、灵敏度等，并可以进行修改。 ●可直接显示机组测点的瞬时参数值，每秒2钟刷新一次。 ●可以冻结并保存任一时刻的振动波形数据，进行细化谱分析。 ●判断报警事件并报警事件数据。 4.2  机组瞬态(升降速)运行时的系统功能     在机组升降速过程中<包括机组跳车)，可以在设定的转速间隔中自动采集32组动态波形和静态参数数据，并可在上位机中进行信号的特征分析处理，包括三维瀑布图、波特图、奈魁斯特图、轴心轨迹图及轴心位置图等。 4.3  机组报警时的系统功能 ●越值报警(报警限设置按APl670)     任何测点的振动超过了设定的报警限时，CMD-3N数据采集模块进行报警事件记录。 ●事故追忆     机组任一测点报警时将自动记录报警前后各30秒(共30组静态数据)内所有测点的静态数据和报警时刻的动态波形 数据，越值报警将作为一个事件而被记录。 4.4  趋势分析功能     可以对每个径向振动测点的静态参数(间隙电压、工频幅值和相位、通频峰一峰值)、转速、轴位移和差胀信号进行各种时间段的趋势分析。 4.5远程诊断功能     由于系统是网络化的结构形式，因此既可以随时联入热电分部的局域网，也为远程诊断提供了可能。 4.6系统具有完善的文档管理功能 五  通讯体系和结构     这个项目整个体系结构都是基于网络的，建立一套完善的通讯协议和体系是这个系统成功运行的前提。     在这个系统中，源站是数据采集模块，而目的站是通讯模块和以太网上的客户端。从主动和被动关系来看，一种情况是客户端主动向通讯模块请求数据，通讯模块或者上传数据给客户端(这种情况厂，客户端是主动端，通讯模块是被动端)，或者再向数据采集模块请求数据(这种情况下，通讯模块是主动端，数据采集模块是被动端)，再把请求得到的数据上传给客户端；另一种情况是没有客户端请求的前提下，通讯模块向数据采集模块请求数据。可以看出，客户端始终是主动模式，而数据采集模块始终是被动模式，通讯模块则在主动与被动模式之间根据情况变化。由此可见，这个项目涉及了两个网络体系，一个是以太网络，一个是RS485网络。整个通信体系是跨越了这两个网络的综合性的通信结构，这就涉及到网络协议的转换，即在它们各自的网络运行协议的基础之上设计一个网络协议，用于协调它们的正常通信。 ●RS485网络通信协议     该项目的RS485网络，参考开放系统互联模型(OSl)，设计了物理层、数据链路层、网络层和应用层四层网络协议模型来实现系统数据的接受、发送和网络数据的监听、响应等通信功能。 ●Ethernet通信协议     在以太网的通讯上采用了经典的TCP／IP协议，只要创建以太网通行的Socket端口，把要通过以太网传送的数据写入该端口就可以了，就像是对文件操作一样简单。 ●网络交换协议     在以太网的通信协议的基础上，在以太网数据内部封装一个针对RS485网络的通信协议，在以太网上的客户机才能够通过以太网和RS485两个不同的网络正确请求到数据采集模块上的数据。 六  结束语     该系统采用虚拟仪器系统设计思想建立系统的网络结构，分散进行数据采集和数据监控，从而使系统风险分散，结构模块性强，便于系统本身的故障定位和维修。总的来说，系统具有以下特点。 1、系统的整体网络拓扑结构采用基于Ethernet的服务器／客户端模式开发，具备远距离监控，多用户并发监控等优点； 2、客户端采用美国National lnstrument公司提供的组态软件LabVIEW开发，界面亲切，功能强大，对数据的分析放在客户端，从而减轻了服务器的负荷提高系统可靠性； 3、服务器采用的分布式结构，提高了系统的可靠性，增加了系统应用的灵活性，同时为提高实时响应时间打下基础。 该系统于2002年12月正式投入运行，操作简单、功能齐全、稳定性好。系统投运四个月来，我们能直观地观察到汽轮发电机组的轴承系统的运行状态。图六至图七是该系统在现场运行中实测的汽轮机前轴承振动的部分波形和频谱图。 F-2003-3