Assessment of the intensity of intermodule interaction and the choice of means of its organization in vibration monitoring systems of turbine units

Full Text

Введение

Возникновение и развитие дефектов в различных частях роторной машины в большинстве случаев сопровождается изменением параметров вибрации её элементов [1]. Поэтому одной из наиболее универсальных и совершенных методик диагностики роторных машин, к которым относятся турбоагрегаты (ТА) электрических станций, является вибродиагностика, то есть выявление дефектов на основе анализа характеристик вибрации элементов машины [2]. В ряде случаев вибрация является не только индикатором, но и причиной развития дефектов. Более того, в некоторых ситуациях вибрация нарастает лавинообразно и требует экстренной остановки ТА для предотвращения его разрушения. Наиболее масштабным событием такого рода является авария на Саяно-Шушенской ГЭС, произошедшая 17.08.2009 [3].

В связи с вышеизложенным в процессе эксплуатации ТА электростанций необходим непрерывный контроль уровней вибрации основных элементов машины [4, 5], осуществляемый с помощью стационарных систем вибромониторинга (СВМ). От показателей точности и надёжности СВМ зависит безопасность и экономическая эффективность функционирования агрегатов.

Современные стационарные СВМ ТА имеют иерархическую структуру
[6–9]. На нижнем уровне находятся первичные и вторичные преобразователи измеряемых параметров: ортогональных составляющих вибрации опор и шеек роторов, осевого расширения и сдвига ротора и некоторые другие. Информация с них поступает на средний уровень, где в результате её комплексной обработки формируются управляющие воздействия, инициирующие при необходимости аварийный останов ТА или включение сигнализации. Наконец, на верхнем уровне на основе углублённого анализа текущих и ретроспективных данных с использованием прогнозных моделей формируются рекомендации по срокам профилактических работ, проведению технического обслуживания, замене элементов агрегата. Однако оставаясь в рамках описанной иерархической структуры, СВМ могут отличаться способами объединения измерительных каналов и организации взаимодействия элементов системы, что существенно влияет на характеристики СВМ.

С целью обеспечения отказоустойчивости, отказобезопасности и ремонтопригодности системы, а также упрощения её масштабирования и конфигурирования авторами разработана структурная схема цифровой СВМ [10], приведённая на рисунке.

В соответствии со спецификой контролируемых параметров, регламентируемых документами [4, 5], все измерительные каналы СВМ делятся на ряд подсистем:

– подсистема измерения вибрации опор – контролирует параметры абсолютной вибрации опор валопровода, то есть совокупности роторов ТА;

– подсистема измерения относительной вибрации – контролирует виброперемещение роторов валопровода относительно подшипниковых опор;

– подсистема измерения мехвеличин – контролирует тепловые расширения, смещения и наклоны элементов ТА;

– подсистема измерения частоты и фазы – предоставляет информацию о частоте вращения и угловом положении ротора, необходимую для работы других подсистем;

– подсистема цифроаналогового ввода-вывода – служит для ввода дополнительных аналоговых и дискретных параметров, а также для формирования дополнительных выходных сигналов (две последние подсистемы на рисунке не показаны).

 

Структура модульной СВМ (Аn – акселерометр; БИС – блок измерения смещений; ВО – вибрация опор; КИДВ – контроллер интеллектуального датчика вибрации; КИДП – контроллер интеллектуального датчика перемещения; МВ – мехвеличины; МВОС – модуль ввода, отображения и сигнализации; ОВ – относительная вибрация; ПОВ – преобразователь относительной вибрации; СК – системный контроллер)

 

Каждая подсистема может включать несколько идентичных групп каналов, предназначенных для измерения функционально связанных однотипных параметров. Примерами таких параметров могут служить ортогональные составляющие вибрации одной опоры, одной шейки ротора и некоторые другие. Каждая группа обслуживается одним контроллером интеллектуального датчика (КИД) и одним модулем ввода, отображения и сигнализации (МВОС), общее количество которых определяется сложностью ТА. Такой подход упрощает масштабирование системы и улучшает её ремонтопригодность. Каждый МВОС может функционировать независимо от других модулей среднего уровня, но для реализации в полном объёме функций сигнализации и защиты ТА, обеспечения передачи данных на верхний уровень СВМ и взаимного контроля работоспособности МВОС взаимодействуют между собой с помощью системной шины (СШ).

Постановка задачи

В процессе адаптации СВМ к конкретному ТА количество измерительных каналов и, соответственно, МВОС может изменяться от единиц для простых агрегатов малой мощности до нескольких десятков для мощных и сложных ТА. При увеличении числа МВОС возрастает и интенсивность потоков данных по системной шине СВМ. Следовательно, возникает необходимость оценки этой интенсивности с целью обоснованного выбора интерфейса для реализации системной шины, обеспечивающего бесперебойную связь модулей в максимальной конфигурации системы.

Оценка количества измерительных каналов СВМ

Для формирования требований к интерфейсу межмодульного взаимодействия прежде всего необходимо оценить максимальное количество измерительных каналов системы. Выполним такую оценку на примере СВМ одного из наиболее сложных ТА с турбиной типа К‑800‑240 мощностью 800 МВт.

В соответствии с требованиями [4, 5] у ТА такой мощности необходимо контролировать уровни вибрации всех опор, а также вибрацию валопровода (относительные виброперемещения) по отношению ко всем опорам. Турбина К‑800‑240 [11, 12] имеет по одному ротору высокого и среднего давления и три ротора низкого давления. Кроме того, в состав рассматриваемого ТА входят роторы генератора и возбудителя. Каждый из семи роторов валопровода установлен на паре опор; таким образом, общее число опор равно четырнадцати.

Вибрация опор измеряется в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, следовательно, в состав СВМ было включено 42 канала измерения вибрации опор. Относительное виброперемещение измеряется в двух направлениях, поэтому число каналов измерения виброперемещения составило 28. Для указанной турбины необходимо контролировать относительное расширение всех роторов (пять каналов измерения), а также абсолютное перемещение цилиндров высокого и среднего давления (два канала измерения). По требованию заказчика в состав СВМ были введены каналы измерения угла поворота ригеля фундамента, а также несколько каналов измерения унифицированных аналоговых и дискретных сигналов. Общий список измерительных каналов СВМ приведён в табл. 1.

В некоторых случаях СВМ должна также контролировать вибрацию, скорости вращения и механические параметры питательных турбонасосов (ПТН) ТА, обеспечивающих подачу воды в котёл. Каждый ПТН имеет два ротора на четырёх опорах, контролируются обычно только вертикальные и поперечные составляющие вибрации опор, а также осевой сдвиг ротора. Таким образом, для организации вибромониторинга двух ПТН дополнительно к перечисленным измерительным каналам необходимо предусмотреть каналы, указанные в табл. 2.

 

Таблица 1

Список основных измерительных каналов СВМ ТА

Канал измерения	Кол-во
Вибрация
Составляющие вибрации опор	42
Составляющие относительной вибрации ротора	28
Механические величины
Абсолютное перемещение цилиндров	2
Относительное расширение ротора	5
Поворот ригеля	2
Тахометр, фаза
Частота вращения ротора	1
Отметчик фазы	1
Дополнительные параметры (унифицированные сигналы)
Активная мощность генератора (аналоговый сигнал)	1
Резерв (аналоговый сигнал)	3
Резерв (дискретный сигнал)	4

 

Таблица 2

Список дополнительных измерительных каналов СВМ ТА

Канал измерения	Кол-во
Вибрация
Составляющие вибрации опор	16
Механические величины
Осевой сдвиг ротора	2
Тахометр, фаза
Частота вращения ротора	2

 

С учётом сложности рассматриваемого ТА указанные количества каналов измерения вибрации можно считать близкими к максимально необходимым. С другой стороны, число каналов измерения мехвеличин и унифицированных сигналов существенно зависит от пожеланий заказчика, поэтому при проектировании СВМ следует предусмотреть возможность значительного увеличения количества этих каналов. Обобщённая информация о максимально необходимом числе измерительных каналов СВМ с учётом некоторого числа резервных каналов приведена в табл. 3. В последней колонке таблицы дана оценка вероятности того, что при адаптации СВМ к потребностям заказчика указанное число каналов придётся увеличить. Эта оценка потребуется далее при определении максимального количества модулей, используемых в системе.

 

Таблица 3

Общий список измерительных каналов СВМ

Канал измерения	Кол-во	Вероятность увеличения
Вибрация
Составляющие вибрации опор	64	Низкая
Составляющие относительной вибрации вала	32	Низкая
Механические величины	16	Средняя
Тахометр, фаза
Частота вращения ротора	3	Низкая
Отметчик фазы	3	Низкая
Дополнительные параметры (унифицированные сигналы)	16	Высокая
Общее число измерительных каналов	134

 

Анализ информационного обмена модулей среднего уровня

При взаимодействии модулей среднего уровня (МВОС) друг с другом они обмениваются следующей информацией:

– СК, а при его отказе – другой сконфигурированный для этого модуль, периодически передаёт короткие синхронизирующие сообщения, обозначающие начало очередного цикла измерений и вычислений, для координации работы других модулей среднего уровня;

– МВОС в каждом цикле передают на СК текущие значения обобщённых параметров вибрации по каждому каналу (среднеквадратичные значения (СКЗ) виброскорости, виброускорения, размах виброперемещения, признаки превышения пороговых уровней), а также вспомогательных параметров (расширение роторов, смещение, температура, мощность и др.);

– МВОС в каждом цикле передают соседним модулям, контролирующим смежные опоры или шейки ротора, признаки превышения пороговых уровней и текущие значения СКЗ виброскорости (размаха виброперемещения) с целью реализации алгоритмов защиты и сигнализации;

– МВОС и СК периодически (один раз за несколько циклов) передают признаки своего состояния, позволяющие другим модулям среднего уровня диагностировать отказы и исключать неисправные модули из общего алгоритма функционирования системы;

– МВОС по запросу СК передают ему сохранённые графики изменения (осциллограммы) контролируемых параметров.

Из приведённого описания можно сделать следующие выводы.

(a) В процессе взаимодействия модулей по СШ передаётся информация различной важности: некоторые данные требуют первоочередной доставки, другие могут доставляться по мере появления возможности. В связи с этим СШ должна поддерживать приоритизацию сообщений.

(b) Информация, передаваемая каждым модулем среднего уровня, в общем случае потребляется несколькими модулями. Для эффективного использования пропускной способности СПД в этом случае целесообразно передавать данные в широковещательном режиме с указанием некоторого признака, позволяющего их идентифицировать. На основе анализа этого признака другие модули будут либо принимать информацию, либо игнорировать её. Используемая в структуре СВМ шинная топология сети передачи данных обеспечивает такой режим взаимодействия без каких-либо нежелательных побочных эффектов.

Оценка интенсивности межмодульного взаимодействия

Выполним предварительную оценку интенсивности потока данных по СШ СВМ. Пусть в системе имеется M типов модулей, причём количество модулей каждого типа задано величиной m_k (k = {1, 2, …, M}). Каждый модуль некоторого типа отправляет в сеть определённое количество n_q,k значений параметра v_q, где Q – количество параметров, q = {1, 2,…, Q}, каждый параметр имеет разрядность b_q. Значения передаются модулями с периодичностью t_q,k, выраженной числом циклов синхронизации между передачами. Среднее количество значений параметра q-го типа, передаваемое всеми модулями в течение одного цикла синхронизации, можно вычислить как

$n_q=\sum _{k=1}^M\frac{m_k{n}_{q,k}}{t_k}$.

Если обозначить через T_SYNC длительность цикла синхронизации, то среднюю интенсивность потока данных по шине μ можно определить по формуле

$\mu =\frac{1}{T_{SYNC}}\sum _{q=1}^Q{n}_q{b}_q$. (1)

Для предварительной оценки интенсивности потока данных по СШ СВМ в конфигурации, близкой к максимальной, составлена табл.  4, содержащая информацию о количестве, разрядности и частоте передачи параметров, формируемых каждым модулем среднего уровня. В качестве исходных данных для неё использованы сведения о максимальной конфигурации СВМ, приведённые в табл. 3.

 

 

При составлении табл.  4 было принято, что значения большинства аналоговых величин передаются в нормализованной форме в виде 16-разрядных двоичных чисел с фиксированной точкой. Это обеспечивает погрешность представления данных не более ±0,001 %, вполне достаточную для решаемых задач. Исключение сделано лишь для измеренного значения частоты вращения ротора: поскольку оно используется в СВМ множеством алгоритмов обработки данных и от его точности существенно зависят погрешности вычисления других параметров вибрации, оно представлено в виде 32-разрядного числа. Для обозначения МВОС, относящихся к разным подсистемам СВМ, в табл.  4 использованы следующие сокращения: МВО – модуль вибрации опор, МОВ – модуль относительной вибрации, МЧФ – модуль частоты и фазы, ММВ – модуль мехвеличин, МВВ – универсальный модуль ввода-вывода.

Длительность цикла синхронизации T_SYNC определим исходя из необходимого быстродействия СВМ. Специальные требования к скорости выполнения каких-либо функций в нормативных документах [4, 5, 13, 14] отсутствуют, однако в [4] отмечена необходимость выявления внезапных необратимых изменений СКЗ виброскорости более чем на 1 мм/с в течение 5 с на время более 10 с. Для измерения указанных временных интервалов с погрешностью 2…4 % следует анализировать СКЗ с частотой 5–10 Гц, то есть T_SYNC можно принять равным 0,1 с. В таком случае среднее значение интенсивности потока данных по СШ СВМ, вычисленное по формуле (1) с использованием данных табл.  4, будет равно 49 968 бит/с.

Полученная оценка является весьма приблизительной, поскольку не учитывает такие факторы, как пиковые нагрузки, необходимость передачи служебной информации, информации по запросу. Тем не менее она позволяет выбрать интерфейс и протокол, пригодные для реализации СШ СВМ. Дальнейшие детальные исследования особенностей межмодульного взаимодействия с учётом реальной конфигурации системы и текущего вибрационного состояния ТА могут быть выполнены с помощью аналитических и имитационных моделей, разработанных как авторами [15, 16, 17], так и другими исследователями [18, 19].

Выбор интерфейса и протокола межмодульного взаимодействия

К интерфейсу межмодульного взаимодействия в СВМ предъявляются следующие требования:

– шинная топология для упрощения масштабирования системы;

– скорость передачи данных (с учётом результатов предварительной оценки и с запасом на перечисленные выше факторы) – 300–500 кбит/с;

– длина шины – до нескольких метров (в пределах приборного шкафа);

– количество подключаемых модулей – до 50–60 (табл.  4);

– простота реализации, широкий выбор однокристальных микроконтроллеров (ОМК) со встроенной поддержкой интерфейса;

– наличие стандартных протоколов, поддерживающих взаимодействие модулей в режиме реального времени;

– развитые средства выявления ошибок взаимодействия.

В настоящее время всем перечисленным требованиям, за исключением последнего, полностью удовлетворяют два интерфейса: RS‑485 [20, 21] и CAN [22, 23, 24]. Однако средства выявления и исправления ошибок взаимодействия, причём реализованные на аппаратном уровне в контроллере интерфейса, имеются только в CAN. По этой причине именно он был выбран для организации СШ среднего уровня системы.

Среди достоинств интерфейса CAN можно выделить следующие:

– ориентированность на создание распределенных информационно-измерительных и управляющих систем, работающих в режиме реального времени;

– высокая степень достоверности передаваемых данных и вероятность обнаружения ошибок, возможность автоматической повторной передачи сообщений;

– экономичная шинная архитектура, невысокая стоимость аппаратных средств;

– скорость передачи данных до 1 Мбита/с;

– наличие обновленной версии интерфейса CAN FD [25], обеспечивающей при необходимости в несколько раз большую скорость передачи [26];

– широкая поддержка со стороны производителей ОМК.

В пользу этого интерфейса говорит и тот факт, что он в настоящее время является стандартным для бортовой сети автомобилей [23, 24], где в условиях воздействия самых разнообразных помех требуется высокая надёжность работы и достоверность передаваемых данных.

Несмотря на все свои преимущества, интерфейс CAN обеспечивает лишь два низших уровня модели OSI [27]: физический и канальный. Для решения несложных коммуникационных задач этого может быть достаточно, однако в СВМ, состоящей из десятков модулей, обменивающихся значениями сотен параметров, целесообразно использование протоколов более высокого уровня, решающих задачи адресации, коррекции ошибок, синхронизации и некоторые другие. Для организации взаимодействия по интерфейсу CAN существует несколько стандартных протоколов [28], из которых был выбран протокол общего назначения CANopen, предназначенный для использования в распределённых информационно-измерительных и управляющих системах, работающих в режиме реального времени [29–31].

Протокол CANopen обеспечивает верхние пять уровней модели OSI: сетевой (адресация, маршрутизация), транспортный (доставка сообщений от отправителя к получателю без потерь, искажений и в правильном порядке), сеансовый (синхронизация взаимодействия), уровень представления (кодирование данных) и прикладной уровень. Самый верхний, прикладной уровень определяет способы настройки устройств и передачи объектов данных уровня приложения.

Выводы

Проведённое исследование показало, что в состав СВМ ТА может входить до 50–60 модулей среднего уровня, взаимодействующих между собой, причём от качества этого взаимодействия зависит общая работоспособность системы. В результате предварительной оценки, выполненной на основе анализа типов передаваемых данных и периодичности их отправки, выяснилось, что пропускной способности интерфейса межмодульного взаимодействия около 300–500 кбит/с достаточно для обеспечения бесперебойной связи модулей в максимальной конфигурации СВМ. С учётом требований к скорости и надёжности передачи данных обоснована целесообразность применения в качестве системной шины СВМ интерфейса CAN и протокола обмена данными CANopen. Последующее аналитическое и имитационное моделирование работы ряда СВМ для ТА различной сложности, а также опыт их практической реализации подтвердили корректность принятых решений.

About the authors

Dmitriy A. Plotnikov

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Author for correspondence.
Email: dpl68@mail.ru

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor

Russian Federation, 132, Prosveshcheniya str., Novocherkassk, Rostovskaya obl., 346428

Vyacheslav I. Lachin

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Email: lachinv@mail.ru

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor

Russian Federation, 132, Prosveshcheniya str., Novocherkassk, Rostovskaya obl., 346428

Alexander S. Muzhenko

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Email: muzhenko97@mail.ru

Assistant

Russian Federation, 132, Prosveshcheniya str., Novocherkassk, Rostovskaya obl., 346428

References

Supplementary files