CN215860593U - 工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，属于水轮机大轴保护技术领域。该装置包括输入模块、HMI工控机、总线、模拟量输出模块、开关量输出模块、同步网络控制模块和电源逆变器；输入模块与水轮发电机上的传感器相连，用于将传感器采集到的水轮发电机轴电流、轴电压模拟信号转化为数字信号；电源逆变器的输入端与电源相连，输出端与同步网络控制模块相连；同步网络控制模块通过总线分别与输入模块、HMI工控机、开关量输出模块、开关量输出模块相连；同步网络控制模块通过以太网接口与网络相连。本装置结构新颖，实现了水轮机大轴保护中的轴电压和轴电流监测，数据精准同步，便于定位故障点。

Description

工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置

技术领域

本实用新型属于水轮机大轴保护技术领域，具体涉及一种工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置。

背景技术

随着工业发展对清洁能源的需求日益增长，水力发电机容量越来越大，机组的故障往往造成的损失也越来越大。提前预防事故的发生变得越来越重要。为了做好预防工作，对故障的发生时间点的精确记录，以及数据之间的相关性分析，对保护和监测设备提出更高的要求。

对发电机的保护，传统的离散的控制方式如图1，突显出不能适应整个监控系统的实时、同步的要求。存在的主要问题：

1.装置采用单片机，PLC模式，单片机本身对时间没有严格的约定。每套装置各自为政，只起到报警作用，无法将报警和信号带有准确的时间信息，在数据分析上没有基准。

2.由于信号采集还是基于单片机的硬件滤波，原始数据不完整，导致只能对有限频率的信号进行傅立叶频域转换，而不能对广泛的频率任意进行监测。会遗漏所需要的报警信息。

例如，专利号CN201120191855.9实用新型专利，采用的还是传统的基于单片机，PLC的设计，是离散的结构；装置内部采用FPGA逻辑门阵列编程，原始数据频带不宽，0-300Hz基本围绕50Hz，150Hz在做监控；PLC做数据处理，PLC、单片机和采集到的信号，没有高精度时间戳同步；通过MODBUS串行通讯将实时数据、告警单元远传，串行通讯的实时性差，设备间传送信息无法实现很好的同步。总之，各报警信号都是通过单片机，PLC等传统技术来实现。报警信号的同步无法保证，在进行数据分析时，不利于得到正确的结果。

同时，部分装置所进行的频谱分析，在时域内的同步无法保证，频谱分析结果容易造成偏差。因此如何克服现有技术的不足是目前涂料技术领域亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，包括输入模块、HMI工控机、总线、模拟量输出模块、开关量输出模块、同步网络控制模块和电源逆变器；

输入模块与水轮发电机上的传感器相连，用于将传感器采集到的水轮发电机轴电流、轴电压模拟信号转化为数字信号；

电源逆变器的输入端与电源相连，输出端与同步网络控制模块相连；

同步网络控制模块通过总线分别与输入模块、HMI工控机、模拟量输出模块、开关量输出模块相连；

同步网络控制模块通过以太网接口与网络相连。

进一步，优选的是，输入模块为A/D模数转换器。

进一步，优选的是，同步网络控制模块通过RJ接口与输入模块、HMI工控机、模拟量输出模块、开关量输出模块相连。

进一步，优选的是，HMI工控机中还包括数据存储模块，数据存储模块通过总线与输入模块相连。

进一步，优选的是，HMI工控机上安装有触摸屏。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：

1.数据采集能够精确到µs级，且每个数据有精准的时间戳；

2. 装置内部采用的是统一的时钟，各部件之间严格同步；

3. 基于精准的时间同步数据，可以任意对某些频率进行监测，更加适合不同的现场情况；

本实用新型提供一种工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，结构新颖，实现了水轮机大轴保护中的轴电压和轴电流监测，从μs级的数据同步、记录入手，精确的获得轴电压和轴电流的同步，并且基于该时域同步信息，做频域的转换，可以有针对性的监测特定频率，更直观，准确的定位故障点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的离散的控制方式示意图；

图2为本发明工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置的结构示意图；

其中，1、输入模块；2、HMI工控机；3、总线；4、模拟量输出模块；5、开关量输出模块；6、同步网络控制模块；7、电源逆变器；8、数据存储模块；9、触摸屏。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术、连接关系或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术、连接关系、条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图2所示，工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，包括输入模块1、HMI工控机2、总线3、模拟量输出模块4、开关量输出模块5、同步网络控制模块6和电源逆变器7；

输入模块1与水轮发电机上的传感器相连，用于将传感器采集到的水轮发电机轴电流、轴电压模拟信号转化为数字信号；

电源逆变器7的输入端与电源相连，输出端与同步网络控制模块6相连；

同步网络控制模块6通过总线3分别与输入模块1、HMI工控机2、模拟量输出模块4、开关量输出模块5相连；

同步网络控制模块6通过以太网接口与网络相连。

优选，输入模块1为A/D模数转换器。

优选，同步网络控制模块6通过RJ45接口与输入模块1、HMI工控机2、模拟量输出模块4、开关量输出模块5相连。

优选，HMI工控机2中还包括数据存储模块8，数据存储模块8通过总线3与输入模块1相连。

优选，HMI工控机2上安装有触摸屏9。

本实用新型采用的是工业互联网的实时通讯方式，全网一个统一的µs级时钟，精度更高，组网更灵活。除了在一个网络中实现同步之外，本装置还能在同样协议的网络之间实现同步，以及把网络的分布时同步到一个外部IEEE1588参考时钟。

本实用新型中HMI工控机2采用德国倍福的CP6600型号产品；同步网络控制模块6采用倍福的EK1100型号产品。

工作原理：

输入模块1采集来自于传感器的水轮发电机轴电流、轴电压模拟信号转化为数字信号；输入模块1有2个通道，每通道的最大采样率为100,000采样/秒，可以处理-10到+10V范围内的信号。输入信号被数字化后的分辨率为16位

同步网络控制模块6用于对经过同步网络控制模块6的信号加上同步时间信号（时间戳），形成了即可以独立同步，又可以通过网络扩展，形成同协议站点之间的同步，还可以与其他不同协议的网络进行同步的信号。

通过输入模块1获得的数字信号，经过同步网络控制模块6加上同步时间信号后，通过总线3传输至HMI工控机2；

HMI工控机2若检测到传来的数字信号为有效数值；则：将数字信号通过同步网络控制模块6加上同步时间信号后传输给模拟量输出模块，模拟量输出模块进行数模转化，形成模拟量，传送给DCS；将数字信号与HMI工控机2中预设的阈值进行比较，判断是否超过阈值，若超出则触发报警，触发报警的，将触发报警信号通过同步网络控制模块6加上同步时间信号后传输给开关量输出模块，发出报警；HMI工控机2上的触摸屏9直接将数字信号的有效数值显示在屏幕上。

本发明中所述的DCS为：分散式控制系统Distributed control system。

本发明中所述的SCADA为：SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统。

HMI工控机2若检测到传来的数字信号为时域信号，先将时域信号转化为频域信号；然后：将频域内的数字信号通过同步网络控制模块6加上同步时间信号后传输给模拟量输出模块，模拟量输出模块进行数模转化，形成模拟量，传送DCS；将将频域内的数字信号与HMI工控机2中预设的阈值进行比较，判断是否超过阈值，若超出则触发报警，触发报警的，将触发报警信号通过同步网络控制模块6加上同步时间信号后传输给开关量输出模块，发出报警；HMI工控机2上的触摸屏9将将频域内的数字信号显示在屏幕上，例如可以采用棒状图的形式进行显示。

在频域内，可以通过HMI工控机2选择对所关心频率的监测。

模拟量输出模块4采用16bit A/D电气隔离信号，用于生成0~20mA范围内的信号，优选，有两个输出通道。

开关量输出模块5优选有8个开关量输出通道；本发明对于报警优选采用声和/或光报警，更为优选的，采用LED灯显示报警状态。

通过输入模块1获得的数字信号，经过同步网络控制模块6加上同步时间信号后，会保存在数据存储模块8中。

DCS/SCADA可通过TCP/IP访问数据存储模块8，对某时间段关心的数据，进行时域、频域的分析。即对历史数据进行分析。因数据都带有同步信息，方便定位故障发生前后，轴电压、轴电流的发生情况。

本装置通过一个同步环路，采集到实时的信号，带有时间戳。可以通过将这些信号进行离散傅立叶变换，可针对用户关心的频率进行分析、监测。例如；除了可以检测发电行业常用的50Hz和150Hz，还可以监测与转速有关的频率。某些情况下，轴承绝缘破坏，与某点绝缘下降有关，反映在轴电流大小与转速有密切关系。

本装置通过时间戳将各部件精准同步，同步精度达到µs级。时域上的同步精度越高，频域分析越准确，越便于定位故障点。例如：本装置有两路信号输入，一路轴电压，一路轴电流。在轴承绝缘破坏的情况下，轴电压会击穿油膜，绝缘材料，造成大轴与大地间绝缘下降在某一瞬间，轴电压急剧下降，而同时，轴电流会有一个明显上升。从时域、频域上都可以反映出在某一时刻的幅值变化。

通过监测轴电压的变化与轴电流的幅值，可以精准确定报警发生的时刻。从时域、频率数据综合分析，便于得出造成轴电流的原因，从而保护大轴免于受损坏。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，其特征在于，包括输入模块（1）、HMI工控机（2）、总线（3）、模拟量输出模块（4）、开关量输出模块（5）、同步网络控制模块（6）和电源逆变器（7）；

输入模块（1）与水轮发电机上的传感器相连，用于将传感器采集到的水轮发电机轴电流、轴电压模拟信号转化为数字信号；

电源逆变器（7）的输入端与电源相连，输出端与同步网络控制模块（6）相连；

同步网络控制模块（6）通过总线（3）分别与输入模块（1）、HMI工控机（2）、模拟量输出模块（4）、开关量输出模块（5）相连；

同步网络控制模块（6）通过以太网接口与网络相连。

2.根据权利要求1所述的工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，其特征在于，输入模块（1）为A/D模数转换器。

3.根据权利要求1所述的工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，其特征在于，同步网络控制模块（6）通过RJ45接口与输入模块（1）、HMI工控机（2）、模拟量输出模块（4）、开关量输出模块（5）相连。

4.根据权利要求1所述的工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，其特征在于，HMI工控机（2）中还包括数据存储模块（8），数据存储模块（8）通过总线（3）与输入模块（1）相连。

5.根据权利要求1所述的工业互联网模式水轮机大轴实时同步保护装置，其特征在于，HMI工控机（2）上安装有触摸屏（9）。

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