CN112683521B - 核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，该系统包括电动阀、电气开关柜及在线监测模块，电气开关柜通过一动力电源回路向电动阀提供动力电源，在线监测模块实时测量动力电源回路的电气参数及设备参数；在线监测模块包括：电源模块、传输接口、电气参数采集模块、设备参数采集模块、频率控制模块、信号转换模块、控制单元、故障诊断模块，用于接收阀门状态信号并根据阀门状态参数判断阀门状态参数是否超过安全阈值，并输出故障诊断信号。本发明的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，通过电气参数采集模块及设备参数采集模块实现了电气参数和设备参数的采集，通过故障诊断模块识别出故障诊断信号。

Description

核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及自动监控领域，尤其涉及一种核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统。

背景技术

驱动阀门在核电站中的应用广泛，对于核电站的正常运行起着至关重要的作用。阀门的运维维护，根据维护方式采用的技术、周期等可以分为以下四种方法：被动性维护；预防性维护；离线诊断维护和预测性维护。目前，阀门的维护主要还是采用前面三种方式。

（1）被动性维护：

被动性维护是以前常见的一种方式，在使用过程中，控制阀自身或执行机构等附件出现故障时，会造成控制阀无法正常工作，甚至会导致整个工艺装置不能正常工作，造成安全或生产事故。对其进行检测维修，往往是临时、不可预测并紧急的。这是一种计划外的随机维护方式，根据阀门损坏程度的严重性，进行维修或更换。主要特点是：故障时间不确定。无计划的维护常常会增加维护生产成本。而对阀门故障的误判，更会增加维修的工作量和影响正常使用时间。

（2）预防性维护：

预防性维护就是现场的一些中修、大修计划，也是比较常见的一种实践。根据以往的生产过程以及现场检修工的经验，有计划有步骤地安排某些点位的控制阀进行维护或检修，以防止控制阀的事故发生。预防性维护已经开始有了计划和预判，这是一大进步。它虽然能避免一些控制阀事故的产生，但由于没有现场使用的控制阀的更多数字信息，在安排上不可避免地会造成过度维修的现象：一些工作正常的阀门也被安排在检修行列，而某些不适用的控制阀仍被使用在过程控制系统中，属于盲目的维修方式。

（3）离线诊断维护：

通过对预防性维护计划中的阀门进行离线诊断，缩小并定位阀门故障问题，从而可以避免维修的盲目性。但它的不足在于，装置内所有排班的阀门依然需要离线诊断，工作量很大，而且同样会导致装置的现场停车，造成一定经济损失。

因此，电站运行期间，通过监测这类阀门的状态、预判阀门的故障情况，对于后期预防性维修意义重大。

目前国内现有技术的阀门和驱动器监测系统，仅对核岛内200多个安全级的阀门进行在线监测，监测范围包括电动阀、电磁阀，主要通过在线测量电气开关盘内的电气参数，再结合机械参数如阀杆推力，与主数据库中的基准参数比对，进行就地的诊断测试，再将测试数据通过网络传输到用户端。

现有技术中阀门的运维维护主要存在以下缺陷：

(1) 基线测量数据量较小，无法准确表征阀门动作时全流程的信号特性，导致系统对于阀门故障识别的功能不完善，故障识别率较差，误报警率比较高；

(2) 诊断系统的故障识别算法能够识别的故障类型较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对以上缺陷，提供一种改进的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，以解决基线测量数据量较小及基线数据不准确的问题，还解决故障识别类型过少的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，包括电动阀、与所述电动阀相连接的电气开关柜及与所述电气开关柜相连接的在线监测模块，所述电气开关柜用于通过一动力电源回路向所述电动阀提供动力电源，所述在线监测模块实时测量所述动力电源回路的阀门状态信号，所述阀门状态信号包括阀门状态参数；其中，所述在线监测模块包括：

电源模块，用于提供电源；

传输接口，与所述电气开关柜相连接并用于信号传输；

电气参数采集模块，与所述传输接口相连接，所述电气参数采集模块用于实时监测所述动力电源回路的所述电气参数、并生成电气参数信号，所述阀门状态参数包括所述电气参数；

设备参数采集模块，与所述传输接口相连接，所述设备参数采集模块用于实时测量所述动力电源回路的所述设备参数、并生成设备参数信号，所述阀门状态参数包括所述设备参数；

频率控制模块，与所述电气参数采集模块和所述设备参数采集模块相连接、用于设置所述电气参数采集模块和所述设备参数采集模块的采集频率至少4kHz；

信号转换模块，与所述电气参数采集模块和所述设备参数采集模块相连接，所述信号转换模块用于将所述电气参数信号及所述设备参数信号进行模数转换，所述阀门状态信号包括所述电气参数信号及所述设备参数信号；

故障诊断模块，与所述信号转换模块相连接，用于接收所述阀门状态信号并根据所述阀门状态参数判断所述阀门状态参数是否超过一安全阈值，并选择性地输出故障诊断信号。

优选地，所述故障诊断模块包括阀门卡滞判断模块，用于判断是否第一时间阈值内、力矩信号达到一力矩阈值且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出阀门卡滞故障信号；所述阀门状态参数包括所述力矩信号和所述阀位传感器动作参数。

优选地，所述故障诊断模块包括电机空转判断模块，用于判断是否第二时间阈值内、接收到空载转矩信号且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出电机空转信号；所述阀门状态参数包括所述空载转矩信号和所述阀位传感器动作参数。

优选地，所述故障诊断模块包括转矩异常判断模块，用于判断转矩变化量是否超过一转矩阈值，并选择性地输出转矩异常信号；所述阀门状态参数包括所述转矩变化量。

优选地，所述故障诊断模块包括电源故障判断模块，用于判断是否接收到控制回路监测信号，并选择性地输出电源故障信号；所述阀门状态参数包括所述控制回路监测信号。

优选地，所述故障诊断模块包括电气故障判断模块，用于判断是否接收到失电压信号或失电流信号，并选择性地输出电气故障信号；所述阀门状态参数包括失电压信号或失电流信号。

优选地，所述故障诊断模块包括电机反转判断模块，用于判断是否接收到负扭矩信号，并选择性地输出电机反转故障信号；所述阀门状态参数包括所述电机反转故障信号。

优选地，所述故障诊断模块包括阀位异常判断模块，用于判断阀位信号是否与扭矩一致或阀位信号是否与给定值一致，并选择性地输出阀位异常信号；所述阀门状态参数包括所述阀位信号。

优选地，所述核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统还包括控制单元，所述控制单元包括一自检模块，所述自检模块用于检测所述在线监测模块自身的运行状态参数，并判断所述运行状态参数是否超过运行状态安全阈值，并根据判断结果输出自检结果信号。

优选地，所述自检模块所检测所述在线监测模块自身的运行状态参数包括模块电气故障参数、信号通信故障参数、控制单元故障参数和输入输出故障参数。

实施本发明的有益效果是：本发明的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统中，通过故障诊断模块识别出故障诊断信号。

本发明针对多种类型阀门的典型故障，从阀门故障模式、故障特征、测量参数、阀门故障特征匹配和故障状态识别开展深入研究，研发具有自主知识产权的控制阀状态监测及故障诊断系统方案，构建阀门智能诊断的知识库、诊断方法库和工具库，提高阀门安全运行的可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统的原理示意图；

图2是图1中故障诊断模块的原理示意图；

图3是本发明另一些实施例中核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统的原理示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1示出了本发明一些实施例中的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，用于对电动阀10参数进行在线监测，实现对电气开关柜20中动力电源回路21的电气参数、设备参数采集；解决在线检测模块自校验问题；解决高频采集问题；解决故障诊断问题。

本发明实施例中核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统包括电动阀10、电气开关柜20和在线监测模块30，其中，电气开关柜20与电动阀10相连接，电气开关柜20用于通过一动力电源回路21向电动阀10提供动力电源。在线监测模块30与电气开关柜20相连接，在线监测模块30用于实时测量动力电源回路21的阀门状态信号，阀门状态信号包括阀门状态参数。优选地，电气开关柜20开有一模块隔间，在线监测模块30设置在模块隔间内。

在一些实施例中，在线监测模块30包括电源模块31、传输接口32、电气参数采集模块33、设备参数采集模块34、频率控制模块35、信号转换模块36、控制单元37和故障诊断模块39。

其中，电源模块31用于提供电源。可以理解地，电源模块31用于为在线监测模块30提供电源，电源模块31可以为常见的有线、充电等形式，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

传输接口32与电气开关柜20相连接并用于信号传输。优选地，传输接口32包括以太网接口、光纤接口、串口中的至少一种。可以理解地，传输接口32的具体接口方式还可以为其他形式，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

结合图1所示，电气参数采集模块33与传输接口32相连接，电气参数采集模块33用于实时监测动力电源回路21的电气参数、并生成电气参数信号，阀门状态参数包括电气参数。电气参数采集模块33所采集的电气参数包括三相动力电流、电压、视在功率、有功功率、频率、电能耗中的至少一种。可以理解地，电气参数中的具体参数类型还可以包括其他电气相关参数，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。可以理解地，电气参数采集模块33的实现方式不限于常见电路图，还可以包括其他形式，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

再如图1所示，设备参数采集模块34与传输接口32相连接，设备参数采集模块34用于实时测量动力电源回路21的设备参数、并生成设备参数信号，阀门状态参数包括设备参数。设备参数采集模块34所采集的设备参数包括断路器分闸位置、断路器合闸位置、负载率中的至少一种。可以理解地，设备参数中的具体参数类型还可以包括其他电气相关参数，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

频率控制模块35与电气参数采集模块33和设备参数采集模块34相连接、用于设置电气参数采集模块33和设备参数采集模块34的采集频率维持在至少4kHz。设置频率控制模块35的好处是，通过频率控制模块35来将电气参数采集模块33和设备参数采集模块34的采集频率维持至少4kHz，实现了电气参数和设备参数的高频采集。可以理解地，采集频率还可以根据具体需求进行人工设置或者自动设置，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。可以理解地，频率控制模块35可以使用已有技术中常见的频率控制电路、频率控制芯片等方式实现频率控制，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

信号转换模块36与电气参数采集模块33和设备参数采集模块34相连接，信号转换模块36用于将电气参数信号及设备参数信号进行模数转换。阀门状态信号包括电气参数信号及设备参数信号。可以理解地，信号转换模块36可以使用已有技术中常见的信号转换电路、信号转换芯片等方式实现模数转换，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

控制单元37包括自检模块371和报警模块372。自检模块371用于检测在线监测模块30自身的运行状态参数，并判断运行状态参数是否超过运行状态安全阈值，并根据判断结果输出自检结果信号。具体地，自检模块371所检测在线监测模块30自身的运行状态参数包括模块电气故障参数、信号通信故障参数、控制单元故障参数和输入输出故障参数。可以理解地，运行状态参数还可以包括其他形式，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

报警模块372与自检模块371相连接，并根据自检结果信号选择性地输出报警信号。可以理解地，报警信号的表现方式可以为灯光、报警声等形式或其他形式，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

结合图1-2所示，故障诊断模块39与信号转换模块36相连接，用于接收阀门状态信号并根据阀门状态参数判断阀门状态参数是否超过一安全阈值，并选择性地输出故障诊断信号。

一些实施例中，故障诊断模块39包括阀门卡滞判断模块391、电机空转判断模块392、转矩异常判断模块393、电源故障判断模块394、电气故障判断模块395、电机反转判断模块396、阀位异常判断模块397。

其中，阀门卡滞判断模块391用于判断是否第一时间阈值内、力矩信号达到一力矩阈值且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出阀门卡滞故障信号；阀门状态参数包括力矩信号和阀位传感器动作参数。

电机空转判断模块392用于判断是否第二时间阈值内、接收到空载转矩信号且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出电机空转信号；阀门状态参数包括空载转矩信号和阀位传感器动作参数。

转矩异常判断模块393用于判断转矩变化量是否超过一转矩阈值，并选择性地输出转矩异常信号；阀门状态参数包括转矩变化量。

电源故障判断模块394用于判断是否接收到控制回路监测信号，并选择性地输出电源故障信号；阀门状态参数包括控制回路监测信号。

电气故障判断模块395用于判断是否接收到失电压信号或失电流信号，并选择性地输出电气故障信号；阀门状态参数包括失电压信号或失电流信号。

电机反转判断模块396用于判断是否接收到负扭矩信号，并选择性地输出电机反转故障信号；阀门状态参数包括电机反转故障信号。

阀位异常判断模块397，用于判断阀位信号是否与扭矩一致或阀位信号是否与给定值一致，并选择性地输出阀位异常信号；阀门状态参数包括阀位信号。

结合图1-3所示，在一些实施例中，核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统可包括数个电动阀10、数个电气开关柜20和数个在线监测模块30，电动阀10、电气开关柜20和在线监测模块30的数量一致。核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统还包括信号采集汇总柜40，信号采集汇总柜40通过总线38和网络传输接口41接收所有在线监测模块30采集的电气参数信号和设备参数信号。

本发明一些实施例中还包括一种在线监测模块，与前述实施例一致，此处不再赘述。

本发明实施例中核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统实现了多种电气参数的测量，包括动力电流（三相）、电压、功率（视在功率、有功功率）、频率、电能耗等实时电气运行参数。监测断路器的分、合闸位置，负载率等设备运行信息。

本发明实施例中的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统还具备高频采集效果，实现了电气参数的高频采集，采集频率至少4kHz。

本发明实施例中的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统还具备自校验效果，实现了在线监测模块的自校验功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，包括电动阀（10）、与所述电动阀（10）相连接的电气开关柜（20）及与所述电气开关柜（20）相连接的在线监测模块（30），所述电气开关柜（20）用于通过一动力电源回路（21）向所述电动阀（10）提供动力电源，所述在线监测模块（30）实时测量所述动力电源回路（21）的阀门状态信号，所述阀门状态信号包括阀门状态参数；其中，所述在线监测模块（30）包括：

电源模块（31），用于提供电源；

传输接口（32），与所述电气开关柜（20）相连接并用于信号传输；

电气参数采集模块（33），与所述传输接口（32）相连接，所述电气参数采集模块（33）用于实时监测所述动力电源回路（21）的电气参数、并生成电气参数信号，所述阀门状态参数包括所述电气参数；

设备参数采集模块（34），与所述传输接口（32）相连接，所述设备参数采集模块（34）用于实时测量所述动力电源回路（21）的设备参数、并生成设备参数信号，所述阀门状态参数包括所述设备参数；

频率控制模块（35），与所述电气参数采集模块（33）和所述设备参数采集模块（34）相连接、用于设置所述电气参数采集模块（33）和所述设备参数采集模块（34）的采集频率至少4kHz；

信号转换模块（36），与所述电气参数采集模块（33）和所述设备参数采集模块（34）相连接，所述信号转换模块（36）用于将所述电气参数信号及所述设备参数信号进行模数转换，所述阀门状态信号包括所述电气参数信号及所述设备参数信号；

故障诊断模块（39），与所述信号转换模块（36）相连接，用于接收所述阀门状态信号并根据所述阀门状态参数判断所述阀门状态参数是否超过一安全阈值，并选择性地输出故障诊断信号；

所述故障诊断模块（39）包括阀门卡滞判断模块（391），用于判断是否第一时间阈值内、力矩信号达到一力矩阈值且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出阀门卡滞故障信号；所述阀门状态参数包括所述力矩信号和所述阀位传感器动作参数；

所述故障诊断模块（39）包括电机空转判断模块（392），用于判断是否第二时间阈值内、接收到空载转矩信号且阀位传感器动作参数为零，并选择性地输出电机空转信号；所述阀门状态参数包括所述空载转矩信号和所述阀位传感器动作参数；

所述故障诊断模块（39）包括转矩异常判断模块（393），用于判断转矩变化量是否超过一转矩阈值，并选择性地输出转矩异常信号；所述阀门状态参数包括所述转矩变化量；

所述故障诊断模块（39）包括电气故障判断模块（395），用于判断是否接收到失电压信号或失电流信号，并选择性地输出电气故障信号；所述阀门状态参数包括失电压信号或失电流信号。

2.根据权利要求1所述的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断模块（39）包括电源故障判断模块（394），用于判断是否接收到控制回路监测信号，并选择性地输出电源故障信号；所述阀门状态参数包括所述控制回路监测信号。

3.根据权利要求1所述的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断模块（39）包括电机反转判断模块（396），用于判断是否接收到负扭矩信号，并选择性地输出电机反转故障信号；所述阀门状态参数包括所述电机反转故障信号。

4.根据权利要求1所述的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断模块（39）包括阀位异常判断模块（397），用于判断阀位信号是否与扭矩一致或阀位信号是否与给定值一致，并选择性地输出阀位异常信号；所述阀门状态参数包括所述阀位信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，所述核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统还包括控制单元（37），所述控制单元（37）包括一自检模块（371），所述自检模块（371）用于检测所述在线监测模块（30）自身的运行状态参数，并判断所述运行状态参数是否超过运行状态安全阈值，并根据判断结果输出自检结果信号。

6.根据权利要求5所述的核电厂电动阀状态在线监测及故障诊断系统，其特征在于，所述自检模块（371）所检测所述在线监测模块（30）自身的运行状态参数包括模块电气故障参数、信号通信故障参数、控制单元故障参数和输入输出故障参数。