透平貨油泵健康監測系統設計與實現

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

透平貨油泵[1-2]是利用鍋爐蒸汽產生動力驅動貨油泵進行原油的裝卸作業的設備，廣泛應用于大型原油運輸的船舶與海洋工程裝備，實現液貨對外輸送、船內液貨轉駁等功能[3-4]。對比國際一流貨油泵產品，我國貨油泵產品設計開發處于起步階段[5]，亟需設計開發一套健康監測系統，實現對透平貨油泵的健康狀態進行監測,為用戶提供透平貨油泵維護計劃的實時性意見及狀態周期報告，以達到延長透平貨油泵使用壽命、減少停機時間、降低維護成本、增加產品可靠性等目的。

1 透平貨油泵健康監測系統硬件框架

在已有控制系統監測點基礎上，增加振動信號監測及油液顆粒監測，并將所有監測變量統一到一個監測軟件系統中[6]。其中控制系統PLC中的監測變量及油液監測模塊監測變量通過OPC協議與基于LabVIEW的上位機監測系統通訊[7]；振動信號通過NI以太網采集卡機箱進行采集，上位機LabVIEW監測系統通過DAQmx驅動程序實現對采集卡數據的讀取[8]。

1.1 振動監測傳感器布置

通過可靠性分析，振動傳感器布置監測點如圖1所示。包含18個振動傳感器及6個軸振動位移傳感器。

18個振動監測變量包括：隔艙傳動上軸承；隔艙傳動下軸承；貨油泵上軸承；貨油泵泵支座；透平高速軸上軸承；透平高速軸下軸承X、Y；透平低速軸上軸承；透平低速軸下軸承X、Y；貨油泵下軸承。

6個軸振動位移監測變量包括：透平高速軸軸相對位移X，透平高速軸軸相對位移Y；隔艙傳動軸軸相對位移X、Y；透平低速軸軸相對位移X、Y。

1.2 OPC通信

OPC(OLE for Process Control)是一個工業標準，利用它可以將不同開發商研發的驅動程序與應用軟件有機地集成或連接起來，使不同的應用程序和控制器能相互交換數據。OPC采用客戶/服務器模式，其中OPC服務器是數據的供應方，負責為OPC客戶端提供所需的數據；OPC客戶端為數據的使用方法。

OPC服務器采用NI公司數據記錄與監控(DSC)模塊，該模塊集成了Siemens大部分PLC產品基于以太網協議OPC server驅動程序，同時也集成了用于采集油液監測模塊基于Modbus協議的OPC server驅動程序。故可通過這一個模塊實現基于OPC通信的對不同設備的數據采集功能，見圖2。

1.3 監測系統總體結構

根據上述分析，透平貨油泵健康監測系統架構見圖3。為簡化通信及布線，使系統顯得高效緊湊，主通信網采用以太網結構。所有傳感器信號通過一定信號采集處理及轉換后，通過以太網接入工業以太網交換機。上位工控機也接入交換機，并通過合適的數據采集開發軟件LabVIEW，實現對傳感器數據的讀取、處理、存儲及相應的信號分析等操作。

其中加速度傳感器及渦流位移傳感器輸出高頻振動信號，NI采集卡采集這些信號后通過以太網高速上傳；油液監測傳感器及其他4～20 mA信號輸出傳感器輸出低頻信號。為統一成以太網通訊，將這些信號全部轉換成OPC數據格式并通過OPC協議進行網絡上傳。

2 透平貨油泵健康監測系統軟件框架

根據系統需求分析泵艙泵油泵健康監測系統架構，預開發的LabVIEW健康監測系統需具備以下軟件開發環境：

1)Windows 7 SP1專業版或旗艦版64位操作系統。

2)Labview 2014軟件。

3)Labview 2014 DSC Module軟件。

4)NI-DAQmx 14.5驅動軟件。

5)NI Sound and Vibration 2014聲音與振動工具包。

6)Labview advanced signal processing toolkit 2014高級信號處理工具包。

軟件開發環境搭建好后，預開發的健康監測軟件系統見圖4。

需要特別說明的是，因振動傳感器采用主流的加速度傳感器，得到的為加速度信號，需要對其做積分處理，以得到相應的速度和位移信號；相反渦流位移傳感器采集到的為位移信號，需要對其做微分處理，以得到相應的速度和加速度信號。

3 透平貨油泵健康監測系統實驗結果

基于LabVIEW開發的透平貨油泵健康監測系統軟件界面分別見圖5～8，分別對應監測系統主頁、監測系統透平驅動組件監測模塊、監測系統隔艙傳動組件監測模塊、健康監測系統貨油泵監測模塊。

可以看到該監測系統實現了透平貨油泵關鍵監測點的實時監測，并根據提取到的特征變量進行實時報警，實現了數據分析、數據存儲、歷史數據回放等基本功能。

[1] 吳震宇,丁元亮,羅曉寧,等.貨油泵真空裝置及系統分析[J].船舶,2012(1):55-57.

[2] 吳震宇,丁元亮,羅曉寧,等.大型油船貨油泵蒸汽動力系統研究[J].機電設備,2012(增刊):43-44.

[3] 國內首臺船舶透平貨油泵驅動系統投入使用[J].軍民兩用技術與產品,2015(7):26.

[4] 公信.首套船用貨油泵透平驅動裝置和FPSO潛液泵研制成功[N].2014-09-15.