一种具备健康感知的智能屏蔽泵

技术领域

本发明涉及一种具备健康感知的智能屏蔽泵，属于智能装备技术领域。

背景技术

屏蔽泵是工业、国防、环保等领域输送危险、有毒、腐蚀、高温介质的专用工业密闭特种泵。其特点是输送介质与泵的传动轴、泵电机定子、叶轮、支撑轴承处于一个直接接触的密封空间，传动电机的定子通过防腐保护套与输送介质隔离。核电站的许多环节的介质输送、火箭液体燃料加注的输送泵都采用屏蔽泵。另外，核电站的核主泵也是屏蔽泵。由于应用领域的重要性和介质的危害性，屏蔽泵的安全运行尤为重要。特别是，在智能制造、状态运维理念深入普及到智能工厂的当代，具备健康感知和故障诊断能力的设备是构成智能制造系统的基石。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种具备健康感知的智能屏蔽泵。该智能屏蔽泵将屏蔽泵旋转部件实时检测部件、轴位移检测单元、信息采集与智能诊断单元及工业网络互联单元与屏蔽泵本体一体化配置，通过基于MPU嵌入式软件的核心算法构建了具备拥有轴位移、轴偏移在线状态检测的健康在线感知和故障诊断的智能屏蔽泵，并可以与工控系统实现直接网络互连。

为了实现上述发明目的，解决现有技术存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种具备健康感知的智能屏蔽泵，包括泵体及设置在泵体上的旋转部件检测单元、健康检测分析单元、工控网络接口、第1、2加速度振动传感器、一体化轴位移传感器、轴倾斜感应线圈及弱电电源系统，所述弱电电源系统输出端分别与工控网络接口输入端、健康检测分析单元输入端及旋转部件检测单元输入端相连，用于提供稳定的直流电源电压，所述工控网络接口通过UART与健康检测分析单元相连，健康检测分析单元通过SPI与旋转部件检测单元相连，所述第1、2加速度振动传感器输入端分别与旋转部件检测单元输出端相连、第1、2加速度振动传感器输出端分别与旋转部件检测单元输入端相连，一体化轴位移传感器、轴倾斜感应线圈输出端分别与旋转部件检测单元输入端相连。

所述旋转部件检测单元，包括偏轴感应线圈、差动感应线圈、恒流激励及信号处理单元、放大、滤波单极性处理单元、基于差动感应的轴位移变送单元及A/D转换单元，所述第1加速度振动传感器输入、输出端分别与恒流激励及信号处理单元输出、输入端相连，第2加速度振动传感器输入、输出端分别与恒流激励及信号处理单元输出、输入端相连，偏轴感应线圈输出端与放大、滤波单极性处理单元输入端相连相连，差动感应线圈输出端与基于差动感应的轴位移变送单元输入端相连，恒流激励及信号处理单元、放大、滤波单极性处理单元及基于差动感应的轴位移变送单元输出端通过VIN分别与A/D转换单元输入端相连。

所述健康检测分析单元，包括LED显示器、霍尓元件磁开关按键组、MPU健康分析核心单元、FLASH事件存储器及通信单元，所述旋转部件检测单元通过SPI与MPU健康分析核心单元相连，MPU健康分析核心单元通过SPI与FLASH事件存储器相连，LED显示器通过UART与MPU健康分析核心单元相连，霍尓元件磁开关按键组输出端与MPU健康分析核心单元输入端相连，MPU健康分析核心单元通过UART与通信单元相连。

所述工控网络接口，包括CANBUS接口单元、第1、2双向光电隔离、CANBUS接口驱动、RS-485接口驱动、4GNB-IOT/zigbee模块、工业以太网接口IC、接口驱动及EEPROM事件存储器，所述MPU健康分析核心单元通过SPI分别与EEPROM事件存储器、4GNB-IOT/zigbee模块及工业以太网接口IC相连，工业以太网接口IC通过LAN与接口驱动相连，所述MPU健康分析核心单元通过UART与CANBUS接口单元相连，CANBUS接口单元输出、输入端分别与第1双向光电隔离输入、输出端相连，第1双向光电隔离输出、输入端分别与CANBUS接口驱动输入、输出端相连，所述MPU健康分析核心单元通过UART与第2双向光电隔离相连，第2双向光电隔离输出、输入端分别与RS-485接口驱动输入、输出端相连。

所述弱电电源系统，包括电源滤波器并与其依次相连的尖峰/浪涌吸收单元、自恢复保险丝、变压器、整流单元及稳压电路，输出的3.3V弱电电源分别与第1DC/DC隔离电源及第2DC/DC隔离电源相连。

本发明有益效果是：一种具备健康感知的智能屏蔽泵，包括泵体及设置在泵体上的旋转部件检测单元、健康检测分析单元、工控网络接口、第1、2加速度振动传感器、一体化轴位移传感器、轴倾斜感应线圈及弱电电源系统。该智能屏蔽泵，是将屏蔽泵旋转部件实时检测部件、轴位移检测单元、信息采集与智能诊断单元及工业网络互联单元与屏蔽泵本体一体化配置，通过基于MPU嵌入式软件的核心算法构建了具备拥有轴位移、轴偏移在线状态检测的健康在线感知和故障诊断的智能屏蔽泵，并可以与工控系统实现直接网络互连。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是本发明结构示意图。

图中：1、第1加速度振动传感器，1

图3是本发明中的旋转部件检测单元原理框图。

图4是本发明中的健康检测分析单元原理框图。

图5是本发明中的工控网络接口原理框图。

图6是本发明中的弱电电源系统原理框图。

图7是本发明中的轴位移检测单元组成框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种具备健康感知的智能屏蔽泵，包括泵体及设置在泵体上的旋转部件检测单元、健康检测分析单元、工控网络接口、第1、2加速度振动传感器、一体化轴位移传感器、轴倾斜感应线圈及弱电电源系统，所述弱电电源系统输出端分别与工控网络接口输入端、健康检测分析单元输入端及旋转部件检测单元输入端相连，用于提供稳定的直流电源电压，所述工控网络接口通过UART与健康检测分析单元相连，健康检测分析单元通过SPI与旋转部件检测单元相连，所述第1、2加速度振动传感器输入端分别与旋转部件检测单元输出端相连、第1、2加速度振动传感器输出端分别与旋转部件检测单元输入端相连，一体化轴位移传感器、轴倾斜感应线圈输出端分别与旋转部件检测单元输入端相连。

如图3所示，所述旋转部件检测单元，包括偏轴感应线圈、差动感应线圈、恒流激励及信号处理单元、放大、滤波单极性处理单元、基于差动感应的轴位移变送单元及A/D转换单元，所述第1加速度振动传感器输入、输出端分别与恒流激励及信号处理单元输出、输入端相连，第2加速度振动传感器输入、输出端分别与恒流激励及信号处理单元输出、输入端相连，偏轴感应线圈输出端与放大、滤波单极性处理单元输入端相连相连，差动感应线圈输出端与基于差动感应的轴位移变送单元输入端相连，恒流激励及信号处理单元、放大、滤波单极性处理单元及基于差动感应的轴位移变送单元输出端通过VIN分别与A/D转换单元输入端相连。

智能屏蔽泵的旋转部件包括叶轮和与电机转子一体化的传动轴和支撑轴承。由于输送介质压力的不稳定，在屏蔽泵的使用中叶轮受力的不均匀性将导致传动轴成承受非轴向力，进而引起轴承不规则磨损，乃至传动轴倾斜；严重的情况会导致叶轮碰壳、电机定子轴碰“保护套”的故障发生。本发明的具备健康感知的智能屏蔽泵的旋转部件测单元包括：基于加速度运动传感器的“碰壳”/超震检测、基于感应线圈的“偏轴”检测和基于一体化轴位移传感器的“轴向磨损”检测。各部分功能分别为：

1)、恒流激励及信号处理

本发明所涉“具备健康感知的智能屏蔽泵”所采用的加速度传感器的恒流激励由本装置的运动部件检测单元提供，减速度传感器信号经“恒流激励及信号处理”单元的带通滤波获取有效带宽内的有效信号，再经A/D转换后经SPI接口由“健康分析单元”读取分析。

2)、“偏轴”感应线圈的信号处理

“偏轴”检测的信号来源于与定子线圈对称绕制的“差动检测线圈”，当电机定子完全“对称”时理论上线圈无差动感应电压输出，当支撑定子及泵的叶轮轴的轴承因磨损产生不对称旋转时该差动感应线圈输出与“不对称偏差”相对应的输出电压。“偏轴”感应线圈的信号处理对“偏轴”感应电压进行放大和滤波(主要滤除因变频驱动所产生的高频噪声)。

3)、轴位移检测

屏蔽泵在使用过程中，输送介质外部管道压力的波动将导致叶轮对传动轴产生轴向推拉力，这种力将导致泵的支撑轴承产生轴向磨损，严重的轴向磨损所产生的轴位移是评判屏蔽泵健康的重要指标。屏蔽泵出厂检测过程中轴位移必须处于合理的范围，本发明所述的具备健康感知的智能屏蔽泵通过将轴位移在线检测单元与屏蔽泵一体化实现屏蔽泵轴向磨损的在线检测和健康评价。

如图4所示，所述健康检测分析单元，包括LED显示器、霍尓元件磁开关按键组、MPU健康分析核心单元、FLASH事件存储器及通信单元，所述旋转部件检测单元通过SPI与MPU健康分析核心单元相连，MPU健康分析核心单元通过SPI与FLASH事件存储器相连，LED显示器通过UART与MPU健康分析核心单元相连，霍尓元件磁开关按键组输出端与MPU健康分析核心单元输入端相连，MPU健康分析核心单元通过UART与通信单元相连。

如图4所示，健康感知分析由图中MPU软件完成，LED显示单元由“霍尔元件磁开关按键”操作实现屏蔽泵运动部件状态参数显示(振动数据有效值、轴偏移电压、轴位移)、健康评价参数(标尺法％)和故障报警状态显示(叶轮碰壳、转子轴磨损超限、轴位移超限)。报警“事件”被永久记录与EEPROM存储器，SCADA系统或设备管理系统可以通过本系统的通讯单元(支持MODBUS、LAN、无线zigbee/4GNB IOT)监控设备、实时读取状态数据、追溯历史报警“事件”。

如图4所示“健康监测分析单元”为整个系统的核心，其核心微处理器为STM32-L4系列MPU。故障“事件”永久存储器采用大容量FLASH存储器可支持512G以上的数据存储量。

在屏蔽泵出厂性能检测过程中，本发明所述的具备健康感知的智能屏蔽泵的“健康监测分析单元”测试记录泵体在额定工况下的基础振动噪声、“偏轴”感应线圈电压初值、轴位移初始值。这些数据是该屏蔽泵全生命周期健康评价的基础参照。在具备健康感知的智能屏蔽泵售后使用过程中，运行于“健康监测分析单元”MPU的嵌入式软件监测振动噪声、“偏轴”电压、轴位移，通过构建综合评分和“标尺”测算方法计算本发明具备健康感知的智能屏蔽泵的“健康评分”，通过叶轮“碰壳”判断算法、“偏轴”超限判断算法和“轴位移”超限测算方法实时进行具备健康感知的智能屏蔽泵的故障诊断评判。使用本发明所述具备健康感知的智能屏蔽泵的工控系统(SCADA系统)、设备监控管理系统通过选择具备健康感知的智能屏蔽泵所提供的网络通信方式和通信协议实时获取该泵的运行状态、健康数据和故障报警数据及历史数据。

如图5所示，所述工控网络接口，包括CANBUS接口单元、第1、2双向光电隔离、CANBUS接口驱动、RS-485接口驱动、4GNB-IOT/zigbee模块、工业以太网接口IC、接口驱动及EEPROM事件存储器，所述MPU健康分析核心单元通过SPI分别与EEPROM事件存储器、4GNB-IOT/zigbee模块及工业以太网接口IC相连，工业以太网接口IC通过LAN与接口驱动相连，所述MPU健康分析核心单元通过UART与CANBUS接口单元相连，CANBUS接口单元输出、输入端分别与第1双向光电隔离输入、输出端相连，第1双向光电隔离输出、输入端分别与CANBUS接口驱动输入、输出端相连，所述MPU健康分析核心单元通过UART与第2双向光电隔离相连，第2双向光电隔离输出、输入端分别与RS-485接口驱动输入、输出端相连。

本发明所述具备健康感知的智能屏蔽泵与工控系统/设备监控管理系统可以通过工业以太网、现场总线(RS-485、CAN-BUS)、无线监控网络4G NB IOT(远程)或无线传感器网络zigbee(100-300米)构建信息通道。用户可选择通信组网方式。

如图7所示，轴位移传感器与屏蔽泵从结构上实现一体化，该传感器的差动感应线圈至于屏蔽泵的端盖凹槽内(并可灵活更换)，屏蔽泵的端盖凹槽外部设有散热循环水套，用于冷却检测线圈的温度以保证轴位移检测的稳定性。轴位移传感器的磁性检测体(铁镍合金检测杆，外包304不锈钢套)与电机转子轴同轴连接。