卜江濤， 郭廣躍

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200233)

核電廠中廣泛存在著泵組設(shè)備，其中很多泵組對(duì)核電廠安全和發(fā)電效率起到十分關(guān)鍵的作用，如核電廠給水泵、循環(huán)水泵、設(shè)備冷卻水泵等，對(duì)這些關(guān)鍵泵組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，可以有效提高設(shè)備穩(wěn)定性、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，從而避免設(shè)備意外停機(jī)的發(fā)生。

核電廠有多種功能的泵組設(shè)備，其中除少量泵組外，大部分都是臥式泵組，因此以臥式泵組為研究對(duì)象具有通用性。鑒于研究開(kāi)展的可行性，以國(guó)際上廣泛認(rèn)可的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬臥式泵組。轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、操作方便等特點(diǎn)，可以模擬多種設(shè)備故障模式，有利于開(kāi)展研究。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷流程

首先了解設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)備關(guān)鍵部件的常見(jiàn)故障及其與設(shè)備的故障模式之間的關(guān)系等，從而確定設(shè)備監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)；然后對(duì)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)時(shí)表征設(shè)備狀態(tài)；最后從監(jiān)測(cè)的參數(shù)中挑選能夠表征設(shè)備典型故障的參數(shù)，通過(guò)診斷算法訓(xùn)練建模進(jìn)行故障診斷。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的通用流程[1]見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷流程

1.1 設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)選取

設(shè)備監(jiān)測(cè)的參數(shù)，應(yīng)該是能夠反映設(shè)備發(fā)生異常、性能退化或故障的信號(hào)，比如泵組軸承的振動(dòng)信號(hào)，能夠顯著反映泵組的設(shè)備狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要有兩個(gè)來(lái)源，即設(shè)備自帶的信號(hào)和附加采集的信號(hào)。通常情況下，應(yīng)首先從設(shè)備自帶的信號(hào)考慮，如果自帶信號(hào)不足以支撐監(jiān)測(cè)及診斷的需要，則要另外安裝傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。

1.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

首先對(duì)監(jiān)測(cè)的參數(shù)設(shè)置合理的報(bào)警閾值，通過(guò)報(bào)警的方式提醒設(shè)備可能出現(xiàn)的性能退化情況；其次是從監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)中進(jìn)行特征提取，從而能夠在較低的維度上顯示設(shè)備的狀態(tài)。常用的特征提取方法有統(tǒng)計(jì)分析(平均值、均方根值、峰值等)、頻域分析和時(shí)頻域分析等。

1.3 設(shè)備故障診斷

設(shè)備故障診斷是指采用數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法，如支持向量機(jī)(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)等，輸入設(shè)備的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，即建立包絡(luò)了設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)及已知故障的運(yùn)行狀態(tài)的模型，然后輸入設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否發(fā)生了故障以及發(fā)生的故障類(lèi)型。設(shè)備故障診斷是典型的監(jiān)督性學(xué)習(xí)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠判斷設(shè)備發(fā)生的故障類(lèi)型，但較難獲得設(shè)備的故障運(yùn)行數(shù)據(jù)[2]。

2 泵組狀態(tài)監(jiān)測(cè)

泵組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件采用LabVIEW平臺(tái)，硬件主要由PXI機(jī)箱N(xiāo)I PXIe-1065、數(shù)據(jù)處理器NI PXIe-8840、多通道采集卡NI PXI-6229等組成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、特征提取，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的診斷算法和人際界面開(kāi)發(fā)[3]。

2.1 臥式泵組監(jiān)測(cè)參數(shù)

監(jiān)測(cè)的參數(shù)能夠反映臥式泵組發(fā)生異常、性能退化或故障的信號(hào)，泵組的故障主要通過(guò)設(shè)備的振動(dòng)體現(xiàn)，輔以轉(zhuǎn)速、電流等信號(hào)，因此在綜合考慮設(shè)備故障位置、故障模式的基礎(chǔ)上，參考標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME OM-S/G—2003 《核電站的運(yùn)行和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和指南》第14章中推薦的泵組狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器類(lèi)型及安裝位置，給出的臥式泵組的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括軸承的三個(gè)方向振動(dòng)、軸承轉(zhuǎn)速、泵組基座振動(dòng)、電機(jī)電流、電機(jī)殼體振動(dòng)共10個(gè)參數(shù)，具體的參數(shù)及傳感器位置見(jiàn)圖2和表1。

1,2,4,6—加速度傳感器；3—位移傳感器；5—轉(zhuǎn)速傳感器；7—鉗形電流表

圖2 傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案

以上測(cè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上的安裝位置見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)點(diǎn)布置

傳感器安裝方式見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 加速度傳感器安裝情況

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器安裝情況

圖6 位移傳感器安裝情況

圖7 電流傳感器安裝情況

2.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)特征提取

對(duì)于監(jiān)測(cè)的參數(shù)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行濾波、放大等信號(hào)處理后，送給PXI硬件系統(tǒng)，并通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行信號(hào)的閾值報(bào)警和特征提取等操作。建立的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)參考標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME OM-S/G—2003 第14章中的推薦報(bào)警值進(jìn)行了閾值設(shè)置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了峰值、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換等特征提取，并可顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及軸心軌跡等信號(hào)，顯示界面見(jiàn)圖8。

圖8 信號(hào)報(bào)警及特征提取界面

3 泵組故障診斷

3.1 泵組故障模式

臥式泵組有多種故障模式，其中以不平衡和不對(duì)中居多，不平衡故障主要是由于轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損或質(zhì)量偏心造成，不對(duì)中故障是由于機(jī)器基礎(chǔ)的不均勻沉降、安裝誤差以及泵組帶載后軸系變形等原因?qū)е碌?。泵組各轉(zhuǎn)子軸線都會(huì)產(chǎn)生不平衡和不對(duì)中故障，這兩類(lèi)故障據(jù)統(tǒng)計(jì)占到泵組故障的約70%，因此重點(diǎn)針對(duì)不平衡和不對(duì)中故障模式進(jìn)行研究[4]。

3.2 故障診斷算法

故障診斷是典型的監(jiān)督性學(xué)習(xí)，需要泵組的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，由于采用轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)模擬臥式泵組設(shè)備，可以在試驗(yàn)臺(tái)上模擬設(shè)備故障狀態(tài)采集故障數(shù)據(jù)，因此可以進(jìn)行故障診斷算法訓(xùn)練。泵組故障診斷具有故障診斷實(shí)時(shí)性、高可靠性以及信息多源性特點(diǎn)，而NN是一種面向模式識(shí)別的智能算法，具有較強(qiáng)的多源信息處理能力，能夠滿足泵組故障診斷需求，因此采用NN作為診斷算法[5]，算法流程見(jiàn)圖9。

圖9 算法流程

3.3 故障診斷試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)共實(shí)時(shí)采集了10個(gè)參數(shù)信號(hào)，考慮到不平衡和不對(duì)中故障主要體現(xiàn)在軸承振動(dòng)上，因此在線采集軸承1和軸承2的水平和垂直方向的實(shí)時(shí)振動(dòng)加速度信息作為NN算法的訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本[6]。通過(guò)在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤(pán)局部安裝10.8 g的質(zhì)量塊、安裝不對(duì)中的聯(lián)軸節(jié)和在軸承座底部加墊片的方式，可以模擬泵組不平衡和不對(duì)中的狀態(tài)特征，診斷驗(yàn)證試驗(yàn)通過(guò)不同故障的模擬組合，總共模擬了泵組的6種狀態(tài)，每種狀態(tài)分別用1天樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練、1天樣本數(shù)據(jù)驗(yàn)證。診斷試驗(yàn)的準(zhǔn)確率見(jiàn)表2。

表2 故障診斷測(cè)試準(zhǔn)確率

測(cè)試樣本的診斷準(zhǔn)確率均在90%以上，因此模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了診斷流程和算法的正確性，以及該泵組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的可用性。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)流程、結(jié)構(gòu)、算法等均具有通用性，可以推廣至核電廠其他關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷研究工作。此外，在提高傳感器及信號(hào)處理設(shè)備的材料性能及工業(yè)防護(hù)、滿足核電廠運(yùn)行環(huán)境要求后，可以將此系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際核電廠臥式泵組設(shè)備上， 切實(shí)做到及時(shí)有效地向運(yùn)行人員提供設(shè)備狀態(tài)及故障信息，保障核電廠發(fā)電的安全性和經(jīng)濟(jì)性。