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                如何用PLC設計水電機組的機械穩定監測系統

                2020-09-24 17:50:56

                如何用PLC設計水電機組的機械穩定監測系統

                PLC

                1 水輪機振動

                水輪機機組在正常工作過程中會受到機械、水力和電磁3種力作用的影響,產生3種振動。機械振動是轉子軸線沒有與基準面保持垂直、轉動部件的動靜態不平衡等原因造成的,引起的是周期性振動,主要表現在主軸軸線不正而引起的機械振動。

                水力振動是由于流道設計不合理、過流部件表面粗糙及機組運行偏離設計工況等原因,使流場中出現不良渦流引起的周期性振動,這些運動包括了二次流振動和空化空蝕振動等。在機組運轉過程中,產生的電磁振動有兩種類型,即轉頻或者極頻。

                電磁振動的原因主要是水輪機組在運轉過程中產生的,在機組轉子高速運行時引起機組振動。在水輪機進行正常運轉的過程中,水輪機中產生的各種振動相互之間會產生影響。而且,這3種振動在相同水力下也會表現出不同的振動情況,對水輪機產生的影響也各不相同。

                2 水輪機組特征信號采集及處理

                2.1 水輪機組振動及擺度信號采集

                在水輪發電機運行過程中,由于水輪機系統的復雜程度較高,需要保證水輪機運轉過程的穩定性,所以在水輪機運轉過程穩定性的研究中,首先需要采集到足夠的特征信號。大型水輪發電機組機械穩定的特征信號包括機組振動、主軸擺動值、抬機量、機組鍵相、進出口壓力、壓差、軸心軌跡等。

                工程上將機組固定部件在平衡位置的擺動稱為振動,反映機組穩定性的振動特征量有:①上機架的X軸和Y軸水平振動、垂直振動;②定子機座兩個軸上的徑向運動和軸向運動;③端蓋上的水平運動和鐵心上的徑向運動和切向運動。

                工程上對水輪機組的運動過程有規定的稱謂,一般將機組在平衡位置的擺動叫做擺度,它主要是用來反映機組在X軸和Y軸的特征量。抬機量是指在運行過程中機組沿主軸豎直方向的上下移動。水力壓力脈動容易使水輪機振動加劇,為此需監測尾水進出口壓力和蝸殼壓差來反映蝸殼內水流流動。

                目前,在機組監測中傳感器的運用范圍較廣,主要是針對機械振動中加速度和振動的監測。對于主軸的監測,一般采用的是電渦流和電容式的傳感器。合理的布置數據采集點是采集特征信號的關鍵,一方面應保證數據的有效性,另一方面要避免數據冗余。河北PLC控制

                2.2 信號處理

                由于水電機組是一個集成機械和電氣特性的復雜系統,且機組空間中存在著強烈的電磁場耦合現象,在通過傳感器采集的信號中往往含有各種干擾,因此對采集到的信號進行濾波意義重大。本文在上位機中基于Matlab采用二階高斯濾波對采集振動及擺度信號進行濾波。

                通常要求水電機組在額定工況下運行,各狀態量所采集的信號接近周期性函數,并且具有比較固定的頻率。對這些采集的信號進行傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT),可以分析出頻譜圖,從而獲得關于機組穩定性的重要信息。

                利用Matlab中的“DFT”函數,可對采集到的振動信號、擺度信號進行傅里葉分析,將離散的信號繪制成頻譜圖,從而獲得引起該信號的主頻及振動幅值。通過采用消除和限制主頻頻率、減小主頻信號的幅值等方法,來改善振動和擺度,有利于提高水電機組的機械穩定性,對水電機組的安全穩定運行具有重要意義。

                3 監測系統設計

                3.1 傳感器選型和布置

                在水輪發電機組中共裝置8個傳感器,監測振動和擺度信號的傳感器各有4個,其中:①將監測振動的4個傳感器分別裝設在上機架的兩側,采集上機架水平方向振動的數據為X向和Y向,采集上機架垂直方向振動的數據為X向和Y向;②將監測擺度的4個傳感器裝設在上導和水導附近,采集上導軸承擺度的數據為X向和Y向,采集水導軸承擺度的數據為X向和Y向。

                3.2 系統硬件搭建

                在本監測系統的設計中,將硬件搭建分為3層。第1層為傳感器,作用是采集數據。第2層為可編程控制器(programmable logic controller, PLC),PLC沒有模擬量處理功能,添加EM231I和EM231II兩個模擬量采集模塊的作用是采集模擬量。

                將傳感器采集的振動值通過模擬量采集模塊送入PLC,PLC再將數據轉換成工程值送入第3層。第3層為基站,由主機MIN、可以編程的工程師站、只能讀取數據的操作員站組成,在本設計中不考慮廣域網。由于PLC沒有儲存器,所以需要將數據通過現場總線(profibus)傳送到基站中,基站再按照主機、工程師站、操作員站的順序讀取數據。


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