葛笑寒，尤向陽(yáng)

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000）

0 引言

水輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的周期性檢測(cè)，能夠不斷地在線監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)的變化情況，以盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，提出預(yù)警，避免發(fā)生嚴(yán)重事故，為機(jī)組安全運(yùn)行和系統(tǒng)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)[1]。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出的比較典型的在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)相繼面世，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 如： 德國(guó)申克公司的Vibrocontrol 4000 系統(tǒng)已在我國(guó)水口、沙溪口、天生橋、萬(wàn)家寨水電廠應(yīng)用，但該系統(tǒng)局限于水輪機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量與分析，不具備診斷功能[2]；德國(guó)Simens 公司的Scada 系統(tǒng)也是常規(guī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，可用于機(jī)組的振動(dòng)保護(hù)，但不能獲得水力振動(dòng)特性的狀態(tài)參數(shù)； 國(guó)內(nèi)的PSTA2003 系統(tǒng)能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)診斷和分析，已經(jīng)在五強(qiáng)溪電廠應(yīng)用[4]，但主要是針對(duì)振動(dòng)和擺度進(jìn)行分析，不太全面。 本文提出基于C++的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能滿足監(jiān)測(cè)機(jī)組技術(shù)狀況和故障診斷的要求，比較全面地實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 方案總體分析

1.1 系統(tǒng)功能

據(jù)水力機(jī)組的運(yùn)行特征，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，表征水輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)主要有振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)[5]。 為滿足監(jiān)測(cè)機(jī)組技術(shù)狀況和故障診斷的要求， 水力機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的設(shè)置應(yīng)有如下功能：基本量的測(cè)量功能，基本的波形采集功能，對(duì)監(jiān)測(cè)量的時(shí)域、頻域分析等功能，特殊工況下的瞬態(tài)過(guò)程記錄及波形記錄功能，通訊功能等。 實(shí)際上,在線監(jiān)測(cè)就是監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)動(dòng)態(tài)記錄的過(guò)程，它應(yīng)包括波形監(jiān)測(cè)、軸心軌跡監(jiān)測(cè)、峰值監(jiān)測(cè)和軸系結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以信號(hào)采集模塊為主體，以振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)信號(hào)分析處理軟件為核心，并與安裝在被測(cè)部位的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)傳感器和輸出設(shè)備相連。 其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 水輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hydroturbine vibration on-line monitoring system overall structure

1.3 系統(tǒng)工作過(guò)程

系統(tǒng)總體工作過(guò)程為：將由傳感器或其他監(jiān)測(cè)儀表輸出的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)采集單元的放大、隔離、濾波等預(yù)處理后， 按照分析要求轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳給微機(jī)， 從而進(jìn)行大量的在線信號(hào)操作、 處理和加工。 系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)值的在線分析、歷史趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)瀏覽和查詢、數(shù)據(jù)保存和轉(zhuǎn)換等，還可以根據(jù)反映機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)的各種特征參數(shù)和原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障預(yù)警、報(bào)警，以及對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析和診斷等。

2 水輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由傳感器檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊三大部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示。 其中，傳感器檢測(cè)模塊中的擺度傳感器裝于上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)集電環(huán)處的大軸處，用來(lái)測(cè)擺度。 振動(dòng)傳感器裝于發(fā)電機(jī)組機(jī)架、水輪機(jī)頂蓋、上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)和支架上，用來(lái)測(cè)頂蓋振動(dòng)。 壓力傳感器裝于尾水管、轉(zhuǎn)輪上、下密封，蝸殼和導(dǎo)流錐中，用來(lái)測(cè)壓力脈動(dòng)[6]。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System hardware overall structure

2.1 傳感器檢測(cè)模塊

2.1.1 振動(dòng)測(cè)量傳感器

由于大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速頻率較低，而且壓力脈動(dòng)形成的振動(dòng)也大都是低、中頻的，所以，對(duì)振動(dòng)參量的測(cè)定宜選擇適于測(cè)低頻振動(dòng)的速度型振動(dòng)傳感器。 本系統(tǒng)選擇清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)院生產(chǎn)的DP 型地震式低頻振動(dòng)傳感器（水平振動(dòng)型和垂直振動(dòng)型）。 這種傳感器既有抗振、耐沖擊和高穩(wěn)定的特點(diǎn)，又有良好的低頻輸出特性，適用于大型水輪發(fā)電機(jī)組和低速回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.1.2 擺度測(cè)量傳感器

水輪發(fā)電機(jī)擺度的測(cè)量屬于小位移動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，所以，一般應(yīng)選擇電渦流位移傳感器CWYDO-20 系列。 該傳感器由探頭、殼體、固定電纜和接頭等4 部分組成。 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，傳感器和與其相匹配的延長(zhǎng)電纜、前置器組成傳感器系統(tǒng)。 當(dāng)帶有高頻電流的探頭內(nèi)線圈靠近被測(cè)金屬時(shí)，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流。 通過(guò)電路，可將被測(cè)金屬相對(duì)于傳感器探頭之間的距離變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。 電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。

2.1.3 壓力脈動(dòng)測(cè)量傳感器

尾水管的壓力脈動(dòng)往往是機(jī)組振動(dòng)加劇的主要誘因，這種振動(dòng)的特點(diǎn)是頻率較低，估算式為

式中：fn為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

因此，選用ST3088 壓力變送器對(duì)尾水管的壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。 其工作過(guò)程是，當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的電感量發(fā)生變化，從而引起了振蕩器的振蕩電壓幅度變化。 這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)檢波、濾波和線性校正后，就變成與位移成正比的電壓量。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采集電路由8 個(gè)中速ADC 并行工作，時(shí)序控制由8 個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。 由振蕩器送來(lái)100MHz 時(shí)鐘經(jīng)8 個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器輸出， 然后由8 個(gè)RAM 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)接口電路傳送給計(jì)算機(jī)。 這就完成了對(duì)傳感器提供的交變電信號(hào)進(jìn)行采集及處理，并得到振動(dòng)的峰值和傳感器間隙電壓值。 本設(shè)計(jì)所選用的采集模塊的內(nèi)部框圖如圖3 所示。

數(shù)據(jù)采集是指將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程。 一般數(shù)據(jù)采集包括模擬量、開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量3 種數(shù)據(jù)類(lèi)型。 模擬量類(lèi)型是數(shù)據(jù)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換裝置輸入計(jì)算機(jī)；開(kāi)關(guān)量類(lèi)型是數(shù)據(jù)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入裝置輸入計(jì)算機(jī)；數(shù)字量類(lèi)型是數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)(串、并口)通訊方式輸入計(jì)算機(jī)，其數(shù)據(jù)采集的流程如圖4 所示。

圖3 采集模塊流程圖Fig.3 Acquisition module process

圖4 數(shù)據(jù)采集的流程圖Fig.4 Data acquisition process

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

在經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊得到的信號(hào)中，總有干擾成分，即所謂的噪聲，噪聲過(guò)大，有用的信號(hào)就不突出，因而就難以做出準(zhǔn)確的判斷。 因此，必須通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊設(shè)法使噪聲與有用信號(hào)分離，并予以抑制和消除，改善信號(hào)質(zhì)量，減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量和難度。 通濾除干擾通常采用時(shí)域平均和濾波兩種方法。 濾波法有模擬濾波和數(shù)字濾波兩種方式，低通、高通、帶通和帶阻等4 種基本類(lèi)型。 數(shù)字濾波法的實(shí)質(zhì)是對(duì)采集到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，增強(qiáng)或提升所需要的信號(hào)，壓低或?yàn)V掉干擾成分。 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的流程如圖5 所示。由于發(fā)電機(jī)組(包括汽輪機(jī)和水輪機(jī))的重要特征頻率一般都在1kHz以下[7],故采用1kHz 的低通濾波器完全可以達(dá)到濾波效果[8]。

圖5 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊流程圖Fig.5 Data preprocessing module process

3 水輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Borland C++ Builder6 作為開(kāi)發(fā)工具對(duì)頂層軟件進(jìn)行編程[9]。 頂層軟件采用模塊化編程，各個(gè)模塊之間用數(shù)據(jù)庫(kù)SQL sever 連接起來(lái)。 系統(tǒng)由系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)分析、歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)管理以及幫助等模塊組成。 其中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、振動(dòng)分析模塊是軟件的主要功能模塊。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊可連續(xù)在線監(jiān)測(cè)和顯示機(jī)組各導(dǎo)軸承處的擺度情況、機(jī)架和頂蓋的振動(dòng)情況，以及尾水管壓力脈動(dòng)情況，并能以圖形的方式實(shí)時(shí)顯示幅值。 振動(dòng)分析模塊可以對(duì)機(jī)組各工況進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、相關(guān)分析， 并以圖形方式顯示分析結(jié)果。 系統(tǒng)構(gòu)建如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.6 System architecture

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

利用前面所介紹的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)使用軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 獲得了機(jī)組實(shí)時(shí)振動(dòng)波形圖和棒狀圖，具體如圖7、圖8 所示。從圖7 可以看出其振動(dòng)位移與時(shí)間變化的關(guān)系，圖8 變化動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)通道隨時(shí)間變化所測(cè)的振動(dòng)值，可比較同一時(shí)刻各通道的振幅的大小；而且可以通過(guò)數(shù)字來(lái)實(shí)時(shí)顯示棒狀現(xiàn)在所處的位置(振幅)。

圖7 實(shí)時(shí)波形顯示圖Fig.7 Real-time waveform display

圖8 實(shí)時(shí)波形棒狀圖Fig.8 Real-time waveform stick diagram

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)水輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)， 選取影響系統(tǒng)穩(wěn)定的最關(guān)鍵參數(shù)：振動(dòng)、擺度、壓力，并且選擇能夠最接近系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的點(diǎn)作為系統(tǒng)信號(hào)采集點(diǎn)， 對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)、配置、選擇，對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試分析。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)可直觀地了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并能對(duì)常見(jiàn)的運(yùn)行故障做出判斷，具有狀態(tài)預(yù)測(cè)功能，能夠比較全面地實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)保證設(shè)備維護(hù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性起到關(guān)鍵作用。

[1] 王善永,范文.基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的水電廠主設(shè)備檢修計(jì)劃決策系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,25(16):45-47.

[2] 羅云. 水電廠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 武漢:華中科技大學(xué),2006.

[3] 鞏宇.廣州蓄能水電廠SCADA 自動(dòng)發(fā)電控制功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 水電自動(dòng)化育大壩監(jiān)測(cè),2008(6):9-10.

[4] 劉承. 淺談水輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)在五強(qiáng)溪水電廠的運(yùn)用[J]. 中國(guó)科技信息,2011(3):28-32.

[5] 周立華，鄒淑云.基于LABVIEW 的水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)研究[J]. 水力發(fā)電,2010(3):78-80.

[6] 楊俊，李敬松.水力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2010(2):279.

[7] M ELLQ V IST J,AX ELSSON H,RO SEN A.The d ifferen tial op ticaabsorp tion spectroscopy techniqu e in em iss ion m on itoring:tem pera-tu re and nonlinearity effects.p roceed ing of SPIE,Berlin,1992,1717:65-75.

[8] 王萬(wàn)崗，吳廣寧.水輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2009(7):36-38.

[9] 朱時(shí)銀,馬承志.C++Builder6.0 編程實(shí)例與技巧[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:353-512.