（化工过程机械专业论文）分布式磁力泵智能监测系统设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 磁力驱动离心泵利用磁力驱动器实现了磁力扭矩的无接触传递，彻底解决 了机械传动泵轴封的泄漏问题，达到了完全无泄漏的效果。国内外学者在磁力 驱动离心泵的理论研究方面已取得了一定的成果，磁力驱动泵的相关技术已经 比较成熟，但在使用过程中，由于其特殊的密闭式结构，使得用户很难对其运 行状态进行监测，很难了解其故障发生的征兆，对其运行的安全性、可靠性带 来了不利影响。随着工业自动化技术以及工厂设备管理现代化的发展，磁力泵 的这一缺点严重的阻碍了其应用范围。 本文针对国内磁力泵监控技术还处于初级阶段的现状，对磁力泵监控技术 方案及其实现进行了研究，主要的研究工作如下： 1 、结合国内外对磁力泵特性及故障研究成果，对磁力泵运转中主要故障及 其表现形式进行详细分析，并在此基础上，结合磁力泵结构特点，确定出以磁 力泵隔离套运行温度为主要监控参数的分布式磁力泵状态监控系统方案。 2 、根据磁力泵工作现场的情况以铠装铂电阻为温度传感器，以8 0 5 1 单片 机为主控制器，配以其他芯片以及继电器电路设计磁力泵现场监控系统硬件与 软件，实现磁力泵运行数据的采集与传送，高温越限报警，故障泵停机保护， 备用泵的启动。 3 、为方便上下位机系统之间数据的传送，采用了串行异步通信、r s 4 8 5 现 场总线等技术，并采用c r c 8 数字校验算法对传送的数据进行差错控制，确保 传送数据的准确性。 4 、利用面向的可视化编程工具d e l p h i 7 0 和w h l d o w s 数据库a c c e s s 2 0 0 3 对分布式磁力泵监控系统上位机进行软件设计和调试，实现数据的接收，存储， 显示，修改，查询及曲线绘制等功能。 本文的研究为我国磁力泵自动监控技术的研究与应用进行了有益的尝试和 实践，为磁力泵智能监控系统的研究开发提供了一种具有参考价值的实现方法。 关键词：磁力驱动离心泵，隔离套，分布式温度监测系统，串行异步通信，r s 4 8 5 总线，数据库 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ec o n t a c t l e s st r a n s f e ro fm a g n e t i cf o r c e ，l e a ko fa x i ss e a l sc a nb ea v o i d e d b yu s i n gm a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p s o m ea c h i v e m e n t sa b o u td e s i g nt h e o r y o fm a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m ph a v eb e e ng a i n e db ys c h o l a r sa th o m ea n d a b r o a d h o w e v e r , i nt h er u n n i n gp r o c e s s ，a st h es p e c i a la i r t i g h ts t r u c t u r e ，t h eu s e r c a nh a r d l ym o n i t o rt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n dp r e v i s et h ef a i l u r e ，a n di tb r i n gb a d e f f e c tt ot h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p w i t h t h ed e v e l o p i n go ft h ea u t o m a t i c sa n de q u i p m e n tm a n a g em o d e r n i z a t i o no ft h e f a c t o r y , t h i sp r o b l e mb l o c kt h ea p p l ya r e ao f t h em a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p a p p o i n tt oa c t u a l i t yo ft h ee l e m e n t a r ym a g n e t i c d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p m o n i t o rs y s t e mi no u rc o u n t r y , t h em o n i t o rt e c h n o l o g ya n dr e a l i z a t i o na l es t u d i e di n t h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c ha sf o l l o w s ： 1 、i n t e g r a t et h ea c h i e v e m e n to ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm a l f u n c t i o ns t u d yf o r t h e m a g n e t i c d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p ，a n a l y s e t h em a i nm a l f u n c t i o na n di t s p e r f o r m a n c e ，a n dt h e nc o n s i d e rt h em a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p ss t r u c t u r e ， c h o o s et e m p e r a t u r ea st h em a i nm o n i t o rp a r a m e t e ro fm a g n e t i c - d r i v i n gc e n t r i f u g a l p u m p sd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e m 2 、c o n s i d e r i n gt h el o c a l ec o n d i t i o n , a p p l yp t l0 0a st e m p e r a t u r es e n s o r , c h o o s e 8 0 51s i n g l ec h i pc o m p u t e ra n do t h e rc h i p s ，s e l e c tr e l a ye l e c t r o c i r c u i tt od e s i g nt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em a g n e t i c - d r i v i n g c e n t r i f u g a lp u m p sm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n di tm a k e st h ec o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no ft h er u n n i n gd a t a , t h ea l a r ma t o v e rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h em o p p i n go ff a i l u r ep u m pa n dt h es t a r t i n go fs t a n d b y p u m p 3 、a p p l yt h ea s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d r s 4 8 5b u s s i n gt e c h n i q u e t ot r a n s m i tt h ed a t ab e t w e e nt h eu p p e rm o n i t o ra n dt h e8 0 5 1 ，a n da l s oa p p l yt h e c r c 一8c h e c k o u ta r i t h m e t i ct oc o n t r o lt h ed a t at r a n s m i s s i o ne r r o r , e n s u r et h ev e r a c i t y o ft h ed a t at r a n s m i s s i o n 江苏大学硕士学位论文 4 、d e s i g na n dd e b u gt h es o f t w a r eo ft h ed i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e mb y d e l p h i 7 0a n da c c e s s 2 0 0 3 a n dt h er e c e i v i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y , m o d i f i c a t i o n , a n d q u e r yo ft h er u n n i n gd a t a ，a n da l s ot h ec u r v ed r a w i n ga r er e a l i z e di nt h i ss o f t w a r e t h i ss t u d yi sau s e f u lt r i a la n dp r a c t i c ef o rt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yf o rm a g n e t i c d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p ，a n di ta l s op r o v i d ea v a l u a b l er e a l i z a t i o nm e t h o df o rt h e s t u d y , e x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h e m a g n e t i c d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p sm o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m a g n e t i c d r i v i n gc e n t r i f u g a lp u m p ，c o n t a i n m e n ts h e l l ，d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n , r s 4 8 5b u s s i n g ，d a t ab a s e i l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 ， 学位论文作者签名：。京钍蟛 瓣歹月仅日 r奄 r 一： 卜 名 月 签 z j y 1 1 一 撕 年 乜日 捌 少 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：庶备蟛 日期：0 跏年多月参日 江苏大学硕士学位论文 1 1 磁力泵发展简介 第一章绪论 磁力驱动技术早在2 0 世纪3 0 年代就已经被人们提出，但由于当时对这一 技术认识不足，且受到永磁材料发展局限性的制约，因此对这一技术仅仅停留 在实验研究阶段，并未取得实质性的进展。直到1 9 4 3 年，英国的c h a r l e s sh o w a r d 和g e o d d r e yh o w a r d 兄弟为解决危险流体运输的泄漏问题，利用铝镍永磁体， 成功研制出第一台完全无泄漏泵，并获得了第一个磁力驱动离心泵的专利。该 项发明第一次将磁力传动应用于泵的结构之中，这也标志着磁力驱动离心泵正 式登上了历史舞台。几年以后磁力驱动离心泵的使用得到了英帝国化学工业公 司和西德b a y e r 化学公司的大力支持。在随后的3 0 年时间里，由于价格较高以 及某些出现在市场上的不成功或不可靠的产品产生的不良影响，磁力驱动离心 泵只限应用于对人身有害的危险流体，应用领域十分有限n 1 。 另一方面，随着现代工业的进步与发展，工业生产中日益重视对新技术的 需求以及对环境的保护，对工业用泵轴封泄漏问题提出了更为苛刻的要求。由 于轴封泄漏是各种工业泵最薄弱环节，即使是机械密封也始终有3 - - - 8 m l h ，对 于大型化工企业，数千台泵运转的总泄漏量是十分严重的。这就对环境造成很 大污染，甚至有可能因此危害到人的身体健康和生命安全。因此，开发无泄漏 全密封的各种设备就成为工业界的重要课题口1 1 ，也为磁力泵的研究发展带来了 契机。2 0 世纪7 0 年代后期，稀土永磁材料，如稀土钴和钕铁硼等的发展和应 用，使磁力驱动技术有了迅速的发展和极大的提高。另外，由于碳化硅等新兴 滑动轴承材料的应用，使磁力驱动泵使用寿命也大幅提高。正是这些技术上的 突破以及工艺上的改进，使磁力驱动泵的可靠性和经济性有了很大的提高。因 此，2 0 世纪8 0 年代后，磁力驱动泵应用迅速发展，成为石油，化工，制药等 许多领域中的常用设备，用来输送易燃、易爆、有毒、有腐蚀以及贵重液体等。 当今国际上磁力泵发展最快的是德国、英国、美国以及日本等国家。日本 主要在7 5 k w 以下功率领先，特别是其塑粒泵，工艺、质量都很好，日本国内 化工行业已普遍使用。德国已经发展到3 0 0 k w ，英国h m d 公司近年研制的两级 江苏大学硕士学位论文 磁力泵，流量5 6 0 m 3 h ，扬程5 0 0 m ，输送介质2 0 5 c ，功率达到了3 5 0 k w 1 。 国内磁力泵于2 0 世纪7 0 年代初开始试制，较早从事磁力泵开发研究工作 的单位有：机电部合肥通用机械研究所、甘肃省科学院磁性器件研究所、上海化 工研究院和温州市工业科学研究所等。这些单位早期以测绘仿制国外磁力泵为 主，通过几十年设计、制造经验积累，目前己基本具备自行开发和研制磁力泵 的能力口1 。如甘肃省科学院磁性器件研究所研发的磁力驱动泵功率已达1 8 5 k w ， 流量1 5 0m 3 h ，扬程3 8 0 m ，此外，国内一些泵生产企业也大都在搞磁力泵的生 产和工业应用，主要集中在小功率泵h 3 ，与国外发展水平存在着较大差距。 如今，随着磁力泵应用范围同益扩大，已经衍生出多种不同结构，适合不 同工程类型，除了磁力驱动离心泵，还有磁力驱动螺杆泵、磁力驱动转子泵、 磁力驱动旋涡泵和磁力驱动齿轮泵等。今后，随着工程应用的需要，磁力驱动 泵的结构和种类还会不断改进和分化，发展前景十分广阔陋勺1 。 由查阅分析相关资料，以及磁力泵应用情况反馈来看，磁力泵应用覆盖范 围将会越来越广，它与常规的工业用泵相比将在泵业发展史上起到重要的作用。 磁力泵在技术开发方面有以下几个发展趋势： ( 1 ) 、开发低能耗、高效率磁力泵 磁力泵的功率损失除包括一般机械密封泵的水力损失，容积损失，机械损 失外，还增加了转子的惯性损失以及隔离套内转子与液体的摩擦损失，冷却润 滑流道损失，以及金属隔离套产生的涡流损失等h 1 ，这就大大降低了磁力泵运 行效率，增加了磁力泵的能耗。随着社会科技的发展，磁力泵技术必然朝着低 能耗，高效率方向发展。 ( 2 ) 、开发高温、高压、大流量磁力泵 随着新一代永磁材料的成功研制n 旷1 1 1 ( 如s m 。f e 们n ，其最大磁能积的理论值 为4 7 2k j m 3 ，居里温度高达5 0 0 c ) ，以及各种耐磨、耐高温、高强度材料的 问世，使得进一步研发输送高温、高压、大流量介质成为可能，并努力开发以 太阳能为能源的高温、高压、大流量磁力泵。 ( 3 ) 、开发智能化磁力泵 由于磁力泵应用场合以及输送介质的特殊性，一旦发生故障，将造成重大 损失，因此磁力泵运行的安全可靠性，成为用户关心的重要问题。现代电子技 2 江苏大学硕士学位论文 术以及计算机实时监控技术在工厂设备维护、管理中的成功应用，使得开发智 能化磁力泵成为磁力泵进一步发展的必然趋势。 1 2 国内外磁力泵监控技术发展现状 国外由于磁力泵技术发展较早，在磁力泵运行监测方面技术比较成熟，泵 生产厂家以及用户采取了一些列措施对磁力泵进行监测保护，磁力泵机组均随 机装备基于泵的保护系统微处理器”，一旦磁力泵发生故障，将实现系统报警 停机，启动备用泵系统。其监测对象主要集中在l 、磁力泵滑动轴承磨损状态监 测器；2 、液体泄漏探头；3 、隔离套温度监测器；4 、滑动轴承温度监测器：5 、 滑动轴承形状蠕变监测器：6 、运行时振动与噪声监测器。此外，整个磁力泵保 护及状态监测系统还可以通过r s 4 8 5 r s 2 3 2 c 接口与局域网相连，其结构示意图 如图卜1 所示。这些措旄的采用，对确保磁力泵安全可靠运行起到积极的效果。 但是这些系统的价格比较高，不能为国内企业所接受“。 遗磁 - 遮羞萄 c h e m p u m p sw h hi n t e l h s e m 。 图卜1 磁力泵智能监控示毒田 自磁力泵在我国推广应用以来，依靠国内业界的不懈努力，在磁力泵的磁 路设计、水力设计和机械设计方面取得了很大进展，但在磁力泵的监控技术方 面还处于初级阶段，由于磁力泵采用全密封结构，目前尚未有一套理想的监控 系统，现场操作人员仅能对磁力泵一些明显故障做出主观判断，很难对其运行 状态及趋势进行客观准确的判断。发展现况可概述为：1 、磁力泵在运行时自身 的工作状态无法检测控制；2 、磁力泵没有与计算机控制系统联接的接口，不能 江苏大学硕士学位论丈 联入计算机控制系统；3 、磁力泵的故障无法在线预告和诊断。而另一方面，磁 力泵主要应用于石油，化工，医药等高度自动化行业，这些行业的设备需要可 以监测、控制，故障可以诊断，失效可以预测，而且设备需要联入整个计算机 控制系统网络。这给磁力泵应用推广带来了不少的障碍n 。 伴随着磁力泵的功率的变大，工厂生产过程自动化，设备管理现代化的进 一步发展，目前很多单位急需安装磁力泵的状态监测系统，国内已有部分学者 对此进行了一系列的研究，取得了一些理论成果，如刘凯n l l ，于华余口羽，张奇 志n 割，李多民n 4 1 等人就对磁力泵运行故障及监控参数进行了系统研究。江苏大学 袁铁军，曾培，孔繁余等人对磁力泵滑动轴承磨损机理以及监控技术进行了理 论和实验的研究n 州引。但是由于磁力泵封闭式结构，给技术实施上带来了很大 的困难，目前磁力泵监控技术在实际应用中仍然较少，目前的磁力泵基本可视 为“裸泵 ，未来的磁力泵将包含多方面智能监测系统，即磁力泵滑动轴承磨损 监测、磁力泵温度监测、磁力泵启动装置监测、内外磁转子滑脱监测等构成完 善的状态监测系统n “6 l 。 1 3 本课题研究的主要内容、目的和意义 本课题研究的主要内容包括以下几个方面：( 1 ) 、结合国内外对磁力泵特性 及故障研究成果，对磁力泵运转中主要故障及其表现形式进行详细分析，并在 此基础上，选定监测参数以及相关的监测技术方案。( 2 ) 、结合磁力泵结构的特 殊性，确立各监控设备的安装设计以及采样信号的相关处理方法。( 3 ) 、开发整 个监测系统的程序，如信号采集、处理，友好人机界面设计等。 其目的与意义在于通过采用工业过程控制的技术，对整个磁力泵系统运行 状态进行监控和保护，使得系统运行状态可以监测，发生故障可处理( 报警， 停车，备用切换等) ，潜在故障可预测，为进一步实现磁力泵的在线故障诊断打 下基础。从而提高设备日常维护、管理的效率，确保生产的安全可靠性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章磁力泵运行故障分析 根据现代磁学原理，磁力泵是利用永磁体产生的磁力作用，实现扭矩的无接触 传递，是一种新型的无密封、无泄漏、无污染的工业用泵。相对于机械密封泵 有着特殊的密闭式结构，在磁力泵运行过程中，与其他机械密封泵有着不同的 故障以及表现形式，磁力泵运行故障分析对磁力泵故障诊断，设备维护以及运 行状态实时监测都有着重要的意义。 2 1磁力泵的结构与特点 磁力驱动离心泵是诸多磁力驱动泵中比较常用的一种，主要由泵头( 泵体、 叶轮、泵轴、泵盖、轴承等) ，磁力驱动器( 外磁转子、隔离套、内磁转子) ， 和其他零部件( 托架、电机、底座等) 三部分组成n 钔。磁力泵典型的结构如图 2 - 1 所示，和机械密封泵最大不同之处在于以磁力驱动器代替原来的机械联轴 器传递扭矩。 图2 - 1 磁力驱动离心泵结构图 1 泵体2 叶轮3 叶轮螺母4 轴承座5 滑动轴承6 泵轴7 内磁钢转子 8 联结体9 隔离套1 0 外磁钢转子1 1 轴承箱1 2 电机轴1 3 滚动轴承 磁力驱动器是一种无需机械接触就可以传递扭矩的机电装置，可以应用于 5 江苏大学硕士学位论文 密封装置，透过隔离套传递扭矩，也可以应用于高度安全性装置，用来避免由 于过载而发生故障。如图2 - 1 所示，该驱动器是由内、外两个磁钢转子和设置 在内、外磁钢转子之间工作气隙中的隔离套三部分构件所组成。通常外磁钢转 子为主动磁转子，与电机的功率输出轴相连；内磁钢转子为从动磁转子，与泵 轴相连。在内、外磁钢转子上设置有均匀排列的永磁体，其磁极按n 、s 极方式 排列。在电机带动外磁转子旋转时，由于永磁体的吸引与排斥作用，带动内磁 转子一起旋转，从而驱动泵轴和叶轮旋转，达到输送介质的目的 4 1 9 1 。目前常 用的永磁体磁性材料是稀土类永磁材料，其中以钕铁硼的各种磁性能最为优越， 应用也最为广泛。 为了防止受工作介质的侵蚀，在内磁转子外表面加一个耐腐蚀的非磁性材 料做成的内包套h 1 ，在内外磁转子之间加一个非磁性材料制作的隔离套，并紧 固在泵盖上，将输送的介质以静密封的形式封闭在泵体内，将工作介质完全与 外界分离，防止介质外泄。 隔离套的材料主要分为金属材料与非金属材料两种。常用的金属材料有 3 1 6 l 、3 1 6 不锈钢、哈氏合金c 、c 2 7 6 合金、钛合金、7 1 8 铬镍铁合金等。金属 材料工艺性能好、强度高、壁厚小，但不能适用于强腐蚀性介质，运行工作时 存在涡流损失问题。非金属材料分为陶瓷材料及其他各种合成材料，其好处是 可完全消除涡流损失，且可适用于几乎所有的腐蚀性介质和高温、高磨损场合。 但其存在强度小，壁厚较大的局限性。由于磁力泵工作过程中，隔离套需要承 受高压介质的冲击，因此从磁力装置运行的可靠性出发，各种不同用途的磁力 泵的隔离套仍广泛使用不锈钢材料。隔离套的主要结构方式可分为三种：平 底式隔离套；轴承式隔离套；蘑菇状式隔离套擒9 1 。目前工业上最常用的为 平底式隔离套，其结构比较简单，加工也较为方便。 磁力泵上述特殊的结构，决定了它有着一系列的特点： ( 1 ) 以静密封代替动密封，实现动力的零泄漏传递。在磁力泵的结构中， 用隔离套将泵的工作介质与外界完全隔离开，并且无需传动轴穿过隔离套，从 而实现动力传递过程静密封代替传动轴的动密封。正因如此，该泵才能在各类 石化行业得到广泛应用，并取得了很好的效果。 ( 2 ) 传递振动小、噪声低。机械传动泵在运转过程中，由于刚性连接， 6 江苏大学硕士学位论文 产生振动大、噪声大。而磁力泵采用磁力驱动不存在刚性连接的问题，因此振 动小，噪声低，运行平稳，可延长泵运转周期。一般说机械式传动泵振动量x 。 与磁力驱动泵振动量) 【e 的关系为x i = ( 3 5 - - 7 ) ) 【e h 8 1 。 ( 3 ) 过载保护作用。机械传动泵在运行过程中，过载情况一旦发生，会 带来泵轴损坏、电机烧毁等重大损失。而磁力泵在过载情况下，内、外磁转子 会自动作相对滑脱运动，泵轴或电机不会被损伤或烧毁。 ( 4 ) 与机械传动泵相比，安装，拆卸，调试，维修均较为方便。磁力驱 动式装置在结构上较为简便，主动件与从动件之间存在间隙，因此易于安装拆 卸和维修，既可减少设备维修的难度和劳动强度，又可提高设备的工作效率。 ( 5 )自冷却循环回路。工作介质从泵的高压区经过内磁转子与隔离套之 间的空隙进入隔离套底部，再由轴的中心孔返回到泵的低压区。对轴承、磁力 驱动器、隔离套等部件进行冷却，一般情况不需要外加冷却系统。 ( 6 ) 可净化环境，消除污染，实现文明生产。磁力泵无泄漏的特点使得 在石油化工等行业输送有毒，有害，易燃，易爆，强腐蚀等液体过程中，既保 护了操作者的安全，又防止了对环境的污染。 图2 - 2 滑动轴承结构示意图 2 2 磁力泵系统工作故障分析 尽管磁力泵严格的实现了无泄漏输送液体，但是其最大的缺点就是制造磁 钢的永磁体材料性能受到温度的限制，常常因温度过高，超过允许范围，而导 致磁钢的退磁损坏嗍。磁力泵的结构特点决定了隔离套内各部件工作状况无法 7 江苏大学硕士学位论文 直观观察，对发生的故障损坏，无法及时采取相应的处理措施，从而引起整个 磁力泵系统的破坏。下面针对磁力泵各关键组件容易发生的故障以及表现形式 进行分析。 1 、滑动轴承 由磁力泵结构图可知，内磁转子与叶轮、泵轴连成一体，通过轴套支撑在 滑动轴承( 图2 2 ) 上。另一方面，磁力泵的转动件浸没在所输送的介质中，以 其无泄漏的特点所构成的结构设计因素，加之所输送介质的腐蚀性、磨蚀性和润 滑性等特殊条件，以及结构条件的种种限制，使其在通常情况下无法采用常规轴 承和常规的润滑方式，而多采用以其本身所送的液体进行润滑和冷却的滑动轴 承n 3 叫6 1 。同时，磁力泵输送的液体介质润滑性又往往较差，甚至可能发生冷却 润滑流道堵塞，这样一来，磁力泵滑动轴承工作条件极为恶劣，成为磁力泵工 作过程中最容易磨损的部件。 滑动轴承磨损后，轴承与轴的径向间隙增大，转子部件转动松动，同时内 磁转子因受到外磁转子磁力的作用，转子中心偏离轴几何中心线，造成内外磁 转子间隙不均匀，同时内外磁转子间隙间距与磁力成反比，间隙越小，外磁转 子对内磁转子的磁吸力越大，此时泵转子越偏离轴几何中心线，滑动轴承磨损 也就越严重，最终导致内外磁转子脱耦，而滑动轴承磨损产生的细小颗粒也会 加剧滑动轴承的磨损，并对冷却流道产生堵塞，使得磁力泵系统短时间内产生 大量的热，甚至会引起内磁转子与密封套发生碰撞，导致隔离套被磨穿幽峭1 ， 引发输送介质的泄漏事故。 2 、内外磁转子 内外磁转子是磁力泵中的核心部件，磁力泵运转过程中，电机轴带动外磁 转子旋转，在磁场作用下，带动内磁转子与之同步旋转，从而实现了转矩的无 接触传递。因此，磁钢的好坏直接决定着整个磁力泵的使用寿命。 一 由磁钢结构示意图( 图2 - 3 ) 可知，磁钢是由一个个瓦型磁块，经冲磁后， 用高温粘结剂粘结在内外磁转子圆筒上n 钔。磁块所用的永磁材料性能，主要包 括剩磁、矫顽力、磁能积、居里温度、剩磁可逆温度系数等。居里温度是物质 从铁磁性转变成顺磁性的临界温度，达到居里温度的永久磁体则完全丧失磁性。 在居里温度范围内，剩磁随温度上升呈线性下降，如图2 - 4 所示口一劓。 8 江苏大学硕士学位论文 囊 静 壤 霸 井环 i 趸h ：j i 内磁环 图2 - 3 磁钢蛄构示毒图 田2 - 4 温度对待连扭矩的影响曲线囤 剩磁与温度基本满足以下公式； b 。= b ，0 + 血) ( 2 1 ) 式( 2 一1 ) 中：b 。工作温度下磁性材料的表面剩磁，单位t ； b 常温下磁性材料的表面剩磁，单位t ； 剩磁可逆温度系数，； a t 温升，单位。 由于材料的n 。不同，温度每升高1 0 0 c ，铁氧体剩磁下降1 8 ，钐钴( s w c 0 5 ) 剩磁下降4 ，钕铁硼( n d f e b ) 下降1 2 ，钐钻( s t a 2 c o l 7 ) 下降3 。而传动扭矩与 江苏大学硕士学位论文 b r 2 成正比，故可计算出每当温度升高1 0 0 c ，上述材料的传动扭矩分别减少 3 3 ，8 ，2 3 ，6 h2 射。 由此可知，高温退磁是磁钢可能发生的主要故障。此外，当出现尖峰负荷时， 如启动过程中电机升速过快，磁传动器的内外磁转子将产生滑脱现象，短时间内 造成温度急剧升高，严重时甚至造成输出轴停止。同时，如果温升过高，还会导 致粘结剂的失效，引起磁块膨胀滑脱，卡住磁力泵或打出火花 2 5 。 3 、隔离套 隔离套是应用在磁力驱动装置中的密封件，位于旋转内磁转子和旋转外磁 转子之间( 图2 - 1 ) ，处在交变磁场中工作，一般承受较高的内压力。隔离套中 装有内磁转子，空隙及空腔中流动着工作介质。内磁转子旋转时，由于内磁转 子的旋转搅拌，空隙和空腔中的液体随着转子的旋转而流动，隔离套不仅承受 内压力，还受到输送介质的冲击和冲刷，因此，为了保持隔离套的强度和韧性， 其制造材料大多采用金属啪呦1 。这样，在磁力泵运行过程中，隔离套最易发热， 引发磁钢的高温退磁等问题。 经国内外学者研究发现引起隔离套发热主要有以下因素，金属隔离套中的 涡流发热，内外磁转子滑脱，内外磁转子扫套( 转子擦碰隔套) ，输送介质对隔 离套的摩擦以及介质流量过低或冷却润滑流道堵塞引起冷却液体流量不足等。 其中，金属隔离套中的涡流发热是主要因素陋吲。 磁力泵运转过程中，金属隔离套处在交变磁场中，磁场的大小和方向按一 定规律随时间不断地变化，在外磁转子相对于内磁转子旋转一个转角差o ， o = 2 p 时，内磁转子开始与外磁转子同步转动，此时交变磁场强度最大，传 递的力矩也最大。金属隔离套在交变旋转的磁场作用下，壁壳中的磁通量也随 时间不断地变化，由于电磁感应作用，作为导体会产生环绕磁通量变化方向的 磁涡流，如图2 4 所示汹 3 别。 图2 - 5 涡流的产生 1 0 江苏大学硕士学位论文 涡流产生的过程，称为超肌肤效应。一方面，涡流产生的磁场方向与永磁 场方向相反，产生反力矩，减弱了有效工作磁场和磁转矩传递能力；另一方面， 由于涡电流在隔离套壁壳中自行闭合，按照焦耳一楞茨定律，涡流在隔离套中会 产生大量的热，引起隔离套温度迅速升高，浪费了电能，使机器效率降低。据 国内外有关技术资料，涡流损失的功率一般占5 2 5 位引。涡流损失功率可表 示为： 岛= f ( b ，) 2 r ( 2 2 ) 此式表明：涡流损失随磁场强度b ，转速n ，以及回转体半径r 三者的平方 增加，与隔离套材料的电阻r 成反比。 同时，输送的介质流体不断的冲击、冲刷隔离套壁，这种水力摩擦也将产 生热量。在两种作用的共同影响下，还会引起隔离套径向、轴向的变形，由于 隔离套与内外磁钢之间的距离非常小，一般为几个毫米，一旦隔离套发生变形， 就有可能和内外磁钢相碰撞，甚至可能发生隔离套磨穿，产生介质的泄漏。 从磁力泵实际使用反馈情况来看，类似故障很容易发生。 4 、冷却润滑系统 为解决磁力泵散热及润滑问题，在设计中采用了外循环冷却系统散热和内 循环冷却系统散热两种方式，从泵体高压腔引出输送流体，流经隔离套和滑动 轴承，最后流回叶轮进口进行循环，以此带走磁力泵运行产生的热量，同时对 滑动轴承起到润滑作用。这两类系统容易因输送介质中存在的杂质颗粒物以及 轴承磨损产生的颗粒而产生堵塞，使得磁力泵运行过程中产生的热量来不及及 时带走，引起磁力泵的发热。此外，泵运行过程中发生干运转或者流量过低， 不能保证冷却循环系统的正常流量，也会引起发热h 1 。 通过对磁力泵磁钢、滑动轴承以及隔离套等主要件的故障分析可以看出， 大多数的故障都与温度升高密切相关，因此只要对温度变化进行实时监测，就 能及时发现磁力泵的大多数故障，及时采取相关措施，避免磁力泵故障迸一步 扩展，将造成的损失减到最小。 江苏大学硕士学位论文 2 3 磁力泵运行保护措施 针对上述问题，除了加强高温磁性材料研究应用以及强化冷却系统设计外， 对磁力泵运行状态进行实时监测也是确保磁力泵安全可靠运行的必要条件，而 微电子，微计算机技术的发展为磁力泵实时状态监控提供了可靠的技术支持。 磁力泵监控主要包括以下方面： l 、磁力泵常规监测主要是对磁力泵运行过程中压力，流量等参数的监控 测，这是多年来已经得到公认的最基本监测指标，以便生产厂家和用户初步评 价磁力泵的运行状况n 明。并且压力、流量监测还能对磁力泵运行中干运转或者 流量过低以及由于错误操作引起的断流等问题提供保护。 2 、磁力驱动器运行监测对磁力驱动器运行监控主要集中在滑动轴承磨损 监测n 8 1 们和隔离套温度监测两个方面。 本文将对磁力泵系统流量、出口压力及隔离套温度变化实时监测的原理及 实现方法进行进一步的研究。 当磁力泵运行中各监测参数发生异常时，上述监控系统动作，发出报警信 号，并通过继电器控制系统及时对故障泵实行停杌保护，及时启动备用泵，确 保磁力泵系统安全，可靠，连续运行。 2 4 本章小结 本章对磁力泵结构特点、工作原理以及运行中存在的主要故障及其表现形 式进行了分析和研究，发现高温退磁是磁力泵破坏最主要因素，而磁力泵运行 过程中大部分故障均与隔离套温度升高密切相关，为磁力泵实时监测参数选择 提供了理论依据。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第三章基于单片机技术的磁力泵监测系统设计 通过对磁力泵故障分析，确定了通过流量、出口压力以及隔离套温度参数 的监测来反映磁力泵系统的运行情况。由于隔离套是磁力泵内温度最高的地方， 因此，只要实时监测隔离套运行温度的变化，就能及时反映磁力泵系统运行故 障情况。 3 1单片机控制系统的发展概况 自1 9 7 2 年微型计算机诞生以来，计算机在信息处理，逻辑分析，决策判断， 输入输出管理等方面显示出优异的性能，引起了自动控制领域工程技术人员的 浓厚兴趣。人们将计算机系统嵌入对象体系，如机床，生产线等，实现对这些 对象的信号采集、实时数据处理、智能化决策、输出驱动控制等。这些计算机 系统在嵌入对象体系后便失去了通用计算机系统的形态和功能，形成了形形色 色的自动化系统，也就是所谓的“嵌入式系统。从形式上分类，嵌入式系统可 分为系统级，板级和芯片级。系统级为各种类型的工控机；板级为各种类型的 带c p u 及o e m 的产品；芯片级则以单片机最典型。单片机自1 9 7 4 年问世以来， 发展非常迅速。目前，8 位和1 6 位单片机已被普遍使用，3 2 位超大规模集成电 路单片机也已面世，同时其性能不断提高。 与此同时，计算机控制理论也与计算机技术同步发展，为计算机控制系统 提供了分析、设计的理论基础。香农( s h a n n o n ) 在1 9 4 9 年提出的采样定理解 决了采样值复现信号的理论问题。1 9 5 2 年被定义的z 变换经过改进，在2 0 世 纪5 0 年代末发展成熟并引出脉冲传递函数的概念，其为分析、设计采样系统提 供了有效的数学工具。当时，可用差分方程描述离散系统，用差分方程的特征 根来定义系统稳定性。对于现代工业日趋复杂的问题，1 9 6 2 年庞特里亚金确定 了最优控制的极大值理论，k a l m a n 建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了 现代控制理论的发展基础。哟与现代控制理论应用于现代航天工业取得了巨大 的成功，2 0 实际6 0 年代初到7 0 年代末掀起了现代控制理论向过程控制领域推 广应用的热潮。除线性多变量系统和最优控制理论外，随机控制、自适应控制 和大系统控制等理论逐渐成熟起来。 江苏大学硕士学位论文 基于上述情况，计算机控制系统的应用得到了空前的发展，特别是单片机 控制系统，在功能、可靠性、实时性、控制算法等方面都得到了快速的发展。 作为单片机家族一员，5 1 系列单片机至今仍不失单片机的主流机型。目前国内 同类机型较多，价格也不高。2 0 多年来的应用证明，单片机性能稳定、可靠。 单片机控制系统较好的实现了以软件取代模拟或数字电路硬件，提高了系统性 能，改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 相对于一般常规模拟系统，单片机控制系统具有以下突出优点：( 1 ) 技术 集成和系统复杂度高；( 2 ) 可靠性高和可维护性好；( 3 ) 抗干扰能力强；( 4 ) 控制的多功能性好；( 5 ) 应用扩展灵活等口3 删1 。 因此，根据磁力泵监测系统的规模和可靠性考虑，采用单片机控制系统对 各磁力泵流量、出口压力以及隔离套温度进行实时监控。 3 2 磁力泵监测系统工作原理及控制系统组成 12 3 图3 1 温度传感器的安装 l 、引出线2 、温度传感器3 、隔离套法兰4 、外磁转子5 、内磁转子 磁力泵温度检测如图3 - 1 所示，通过对称安装在磁力泵隔离套法兰测温孔 内的两个温度传感器对隔离套温度进行采样，将采样得到的模拟量通过转换电 路，将温度信号放大修正，再由a d 转换器转化为数字量，并由c p u 读入，经 数据处理后( 数字滤波、标度变换等) ，一方面送温度显示电路，一方面和设定 值进行比较，若超过设定值时，电路自动发出声光报警信号，同时，输出控制 1 4 江苏大学硕士学位论文 信号使执行机构动作，及时对故障泵自动停机并及时启动备用泵。 流量和压力参数的检测则是将传感器安装在泵出口管道上，其处理过程与 温度处理一样。 3 3 磁力泵监测系统总体构成及硬件设计 单片机控制系统有单片机系统和工业对象组成，如图3 - 2 所示。单片机系 统由硬件和软件两部分组成。硬件是指单片机本身即外围设备，软件是指管理 单片机的程序以及过程控制的应用程序。工业对象包括被控对象、测量变送、 执行机构和电气开关等装置口3 1 。 2 1 2 刊黧道p 单 t j 、 厂- 1 外存 业片 对 象机 一 输出通道 。t 一 人机联系设 及接口 卜广一 4 卜 、厂备与接口 图3 - 2 单片机控制系统的组成 本系统整体系统详细硬件组成如图3 - 3 所示，选用单片机8 0 5 1 为主机，配 以两路标准铠装铂电阻p t l 0 0 温度传感器，光电耦合式隔离放大器，1 2 位a i ) 转换器i c l 7 1 0 9 ，自我检测电路，同时，还设有l e d 温度显示模块，声光报警 模块，键盘输入模块，以及自动启动停机模块等。在电路部分设计中，采用典 型的线路，力求电路中的器件性能匹配，以确保仪表能长期可靠运行。采取对 信号隔离放大措施以消除来自工作环境中电场、磁场的干扰，提高系统响应的 准确性。 1 5 江苏大学硕士学位论文 图3 - 3 系统硬件组成框图 3 4 系统各主要硬件设计实现 系统硬件电路的设计实现，在保证技术指标前提下，以简约为原则，合理 利用单片机的i 0 资源，在此原则下，设计出的电路使用芯片少，结构紧凑。 下面就各芯片的功能以及芯片类型选择进行论述。 3 4 1 单片机的选择 目前，单片机已有上百个系列，其功能强大、品种繁多。通用型单片机按 位数分有4 位机，8 位机1 6 位机和3 2 位机等。按厂家分种类就更多了。如 i n t e l ( m c s 5 1 系列，m c s 9 6 系列) ，a t m e l ( a t 8 9 系列，m c s 5 1 内核) ，m i c r o c h i p ( p i c 系列) 等口3 叫 。 考虑到快速开发以及本系统应用要求，主机选用性价比较高的m c s - 5 1 系列 8 0 5 1 单片机，其片内集成了c p u ，r a m ，r o m ( e p r o m ) ，计数定时器和i 0 等各 功能部件，由内部总线把这些部件链接在一起。 工作中，其p o 口用作系统地址数据总线；p i 口与报警电路和看门狗电路 相连；p 2 口用作地址线；p 3 口用作读、写控制和中断控制以及多路开关控制。 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 4 2 传感器的种类与选择 1 、温度传感器的选择 温度传感器是将测得的外界温度信号转化为电信号，从而为所测量的温度 信号完成处理前的准备工作的物理设备。温度传感器有很多种，通常有电阻式、 热电偶式、p n 结型、辐射型、辐射型、光纤式及石英谐振型。它们都是采用温 度变化引起其物理参数( 如电阻值，热电势等) 变化的原理。随着大规模集成 电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器汹 3 7 1 。 目前在温度测量领域，电阻温度计得到广泛的应用，尤其是在工业生产中 - 1 2 0 c 一- - 1 5 0 范围内的温度测量常常使用电阻温度计，其原理是根据导体( 或 半导体) 的电阻随温度变化的性质来测量的。本系统选用w z p 系列p t l 0 0 铂电 阻温度计。铂在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性质都很稳定，因 此铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。 在0 - 8 5 0 温度范围内，铂电阻值与温度变化满足以下关系式： r ，= r ( 1 + a t + b t 2 ) ( 3 1 ) 式中，r ，为t c 铂电阻值；r 。为0 c 时铂