基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)

傅堅　周孝法　黃山　方宇　陰春曉

摘 要：在高壓直流輸電系統(tǒng)中，智能化程度和可靠性的需求越來越高，迫切需要對換流站閥水冷系統(tǒng)核心設(shè)備主循環(huán)泵的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。從監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求出發(fā)，介紹了所提出的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動信號監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集單元硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。依據(jù)標準中提出的振動烈度參數(shù)，作為主循環(huán)泵監(jiān)測預(yù)警的閾值，基于虛擬儀器LabVIEW，開發(fā)了循環(huán)泵的監(jiān)測系統(tǒng)軟件，測試結(jié)果表明可以有效的監(jiān)測循環(huán)泵運行情況，保證閥水冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：LabVIEW 主循環(huán)泵 振動監(jiān)測 振動烈度

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0007-03

作為直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，換流閥在運行時會產(chǎn)生大量的熱量。為保證換流閥的正常運行，必須對其進行冷卻。因此在高壓直流輸電系統(tǒng)中換流閥的冷卻系統(tǒng)就顯得尤為重要，可以說換流閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是直流輸電系統(tǒng)正常運行的前提和保證[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，某公司管轄的9個換流站自2004年至2010年所發(fā)生的52次單雙極閉鎖中有10次是由閥冷卻等輔助系統(tǒng)故障引起。內(nèi)冷水主循環(huán)泵作為換流閥冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要是為用于散熱的內(nèi)冷水提供循環(huán)動力。穩(wěn)定的冷卻水流量和壓力是換流閥對水冷設(shè)備的基本要求。因此主循環(huán)泵的穩(wěn)定可靠運行，對整個閥冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性有著極為重要的意義。目前，未見國內(nèi)外研究單位或機構(gòu)對換流站閥內(nèi)冷水主循環(huán)泵監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究報道。

該文提出了一種基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于上海市電力公司所轄的楓涇換流站?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效的監(jiān)測、評估主循環(huán)泵的運行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在機電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，可用于監(jiān)測和診斷的信息很多，包括振動、溫度、壓力、電流等，其中振動信號能夠迅速直接地反映旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，70%以上的故障都以振動的形式表現(xiàn)出來。由此可見，對振動信號進行采集來實現(xiàn)對其狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷是一種行之有效的方法[2]。該文所提出的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動監(jiān)測與狀態(tài)評估主要根據(jù)主循環(huán)泵的振動信號進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。該系統(tǒng)由振動傳感器檢測循環(huán)泵振動信號，經(jīng)信號調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換后進入PC機中的LabVIEW軟件進行分析、處理、存儲、顯示。

1.2 系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)采用的硬件有：PC機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和采集設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 傳感器

采用INV9832型IEPE型三向加速度傳感器及INV9822型IEPE單向加速度傳感器采集循環(huán)泵加速度信號，這兩款傳感器的特點是低阻抗輸出，抗干擾強，噪聲小，可以延長電纜輸出；性價比高，尤其適用于多點測量；傳感器前端有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固件表面上，穩(wěn)定性高，能在惡劣環(huán)境下使用。INV9832型三向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz，NV9822型IEPE單向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz。

（1）傳感器布點。

傳感器布點位置直接關(guān)系到測試數(shù)據(jù)的準確性，根據(jù)標準[3]，泵非旋轉(zhuǎn)件的振動測量應(yīng)在泵的軸承箱（軸承座）或靠近軸承處進行。在每臺泵的一處或幾處關(guān)鍵部位選為測點，測點應(yīng)選在振動能量向彈性基礎(chǔ)或系統(tǒng)其他部件進行傳遞的部位，測點應(yīng)選在軸承座、底座和出口法蘭處，軸承座處和靠近軸承處的測點為主要測點；泵腳、底座和出口法蘭處的測點稱為輔助測點。

測點位置及數(shù)量如圖2所示。

①泵軸承三向×2

②電機軸承單向×1

③泵出水口單向×1

④基座或基礎(chǔ)單向×1

1.2.2 數(shù)據(jù)采集卡

選用NI9234多功能數(shù)據(jù)采集卡，相關(guān)參數(shù)：軟件可選的IEPE信號調(diào)理（0 mA或2 mA），每通道最高51.2 kS/s采樣速率，交流耦合（0.5 Hz），24位分辨率，102 dB動態(tài)范圍，防混疊濾波器，4路同步采樣模擬輸入，±5V輸入范圍，兼容智能TEDS傳感器。

1.2.3 控制器

NI CompactRIO（cRIO）是一款工業(yè)級嵌入式測控平臺，外形小巧而堅固，滿足苛刻的工業(yè)級指標，具有寬溫（-40～70 ℃）和抗沖擊（50 g）等特性，特別適用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中對可靠性有嚴格要求的應(yīng)用。CompactRIO系統(tǒng)由控制器、機箱（內(nèi)嵌FPGA芯片）和采集模塊三部分組成。CompactRIO內(nèi)嵌PowerPC微處理器和FPGA芯片，支持上百種可熱插拔的I/O模塊，模塊中內(nèi)置信號調(diào)理功能和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可直接連接電壓、電流、電荷、ICP接口、電橋以及TEDS傳感器。此外cRIO實時控制器中配置了千兆以太網(wǎng)接口，可基于有線/無線連接，構(gòu)建遠程測試系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)軟件

1.3.1 軟件框架

軟件設(shè)計主要采用模塊化設(shè)計思路， 即將功能塊進行劃分。本系統(tǒng)是由信號采集、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、警報等模塊組成。采用模塊化設(shè)計的優(yōu)點在于，減小了設(shè)計難度、便于軟件的復(fù)用以及系統(tǒng)的調(diào)試和升級等[4]。LabVIEW編程方法不同于傳統(tǒng)程序設(shè)計方法，它擺脫了傳統(tǒng)語言線性結(jié)構(gòu)的困擾。因為LabVIEW的執(zhí)行順序是由數(shù)據(jù)流的方式確定的，而不是按照代碼行出現(xiàn)的順序，因此可設(shè)計出同時執(zhí)行多個程序的流程圖[5]。在界面設(shè)計時，可從控制面板中選取所需的控制及數(shù)據(jù)顯示對象。利用LabVIEW軟件開發(fā)出具有形象按鈕的前面板，利用其強大的圖形化編程功能可以實現(xiàn)各種顯示和處理功能。這樣，只要對PC機面板上的按鈕進行操作就能完成監(jiān)測任務(wù)[6]。系統(tǒng)界面圖及流程圖如圖3、圖4所示。endprint

1.3.2 預(yù)警判據(jù)的選擇

在國際標準中選用振動速度作為衡量振動激烈程度的參量，這是考慮到：振動速度可以反映出振動的能量，絕大多數(shù)機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)損壞都是由于振動速度過大引起的，機器的噪聲與振動速度成正比；對于同一機器的同一部分，相同的振動速度產(chǎn)生相同的應(yīng)力；而且對于大多數(shù)的機器來說都具有相當平坦的速度頻譜等。所以我們依據(jù)標準選用振動烈度（振動速度的均方根值）作為判斷參數(shù)。

評價泵的振動級別，按泵的中心高和轉(zhuǎn)速將泵分為四類，見表1。

該換流站泵的型號是CPKN-C1 200～500，額定流量380 m3/h，揚程60 m，額定轉(zhuǎn)速1488 r/min，中心高425 mm，故該泵是第二類。

1.3.3 評價泵的振動級別

泵的振動級別分別為A、B、C、D四級，D為不合格。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗條件

本次試驗地點在上海市金山區(qū)楓涇換流站，試驗對象是該換流站站內(nèi)冷水循環(huán)泵，試驗條件：正常運行工況，轉(zhuǎn)速1488 r/min，采樣頻率2560 Hz，采樣時間1 h，試驗現(xiàn)場如圖5。

2.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表2中第二類泵的振動級別參數(shù)，可以看到5個測點共11個振動烈度均沒有超過2.8 mm/s，在B級以內(nèi)，故判定泵的工作狀態(tài)正常。

3 結(jié)語

該文提出并構(gòu)建了一套基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動監(jiān)測與評估系統(tǒng)，給出了監(jiān)測系統(tǒng)從硬件的選型到上位機軟件的設(shè)計方法。該測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，可移植性強，適用于機械振動參數(shù)的測試；軟件平臺適用性與擴展性強。對換流閥主循環(huán)泵的運行狀態(tài)能實現(xiàn)實時監(jiān)測，并對傳感器獲得的振動信號進行有效分析，依據(jù)泵的振動測試標準對其運行狀態(tài)進行評估、判定，為其狀態(tài)檢修提供依據(jù)，確保換流站閥水冷主循環(huán)泵的安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 馬松梅，馬孝江，苑宇.基于LabVIEW平臺的轉(zhuǎn)子特征譜分析[J].中國設(shè)備工程，2007（1）：44-46.

[3] GB/T 29531-2013泵的振動測量與評價方法[S].

[4] 李謙祥，胡靜濤.基于虛擬儀器的異步電動機試驗系統(tǒng)與應(yīng)用[J].儀器儀表學報，2008，29（8）：577-580.

[5] 塘東煒，黃耀升，王宇華.基于虛擬儀器技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機械故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)[J].礦山機械，2006，34（2）：103-104.

[6] 瞿曌.基于LabVIEW的水電站在線實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2004，24（2）：54-56.endprint