劉曉鋒 裴翔

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和運(yùn)行參數(shù)的增加，機(jī)組振動(dòng)安全日益重要，同時(shí)設(shè)備管理信息化水平的提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)在近年得到較為廣泛的應(yīng)用。目前遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)在使用過(guò)程中，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，振動(dòng)分析功能的完備均存在缺陷，遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)其功效。本文從技術(shù)層面提出了基于PXI總線和技術(shù)階比跟蹤技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和分析方面基于先進(jìn)的測(cè)控儀表PXI總線和計(jì)算階比振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)提升，代表了未來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。

Abstract： With the increase of single-machine capacity and operating parameters of steam turbine generator sets， the vibration safety of the unit is becoming more and more important， and as the level of equipment management informatization is improved， the remote monitoring and diagnosis system for rotating machinery vibration has been widely used in recent years. At present， in the course of using the remote diagnosis system， the stability of the system， the accuracy of the data and the completeness of the vibration analysis function are all flawed， and the efficacy is far from being realized. This paper proposes a monitoring system based on PXI bus and technology order tracking technology from the technical level. Based on the advanced measurement and control instrument PXI bus and calculation order vibration signal analysis technology in dynamic signal data acquisition and analysis， the comprehensive technical improvement of the existing monitoring system is carried out， which represents the technical development direction of the future monitoring system.

關(guān)鍵詞：振動(dòng);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);PXI總線;階比分析

Key words： vibration;remote monitoring;PXI bus;order ratio analysis

中圖分類號(hào)：TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）15-0050-03

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

典型的遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)部分組成：①數(shù)據(jù)采集站;②中心服務(wù)器（專職工程師室）;③機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心（RMD系統(tǒng)），如圖1所示。數(shù)據(jù)采集站和中心服務(wù)器組成汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)（TDM系統(tǒng)），機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心即RMD系統(tǒng)。TDM系統(tǒng)+RMD系統(tǒng)即為所指遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。

本文系統(tǒng)總體架構(gòu)：TDM系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站采用PXI總線，振動(dòng)信號(hào)分析處理采用軟件計(jì)算階比跟蹤技術(shù)開(kāi)發(fā)。下面詳細(xì)論述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

2 ?基于PXI總線的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)硬件

功能概述：

研制的PXI5410卡是一種基于PXI標(biāo)準(zhǔn)的同步采集功能卡，可直接插在PXI機(jī)箱插槽中，用于4通道旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集。板卡尺寸為3U高度100mm×160mm，主要元器件布局及簡(jiǎn)要說(shuō)明如圖1，輸入端子采用BNC連接器，模擬信號(hào)調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)渦流探頭和速度傳感器切換，電壓調(diào)理范圍為-24V～+24V。AD采用AD7606，PXI接口電路，PXI總線電路。

PXI5410采集卡可分為模擬信號(hào)調(diào)理，AD同步采集和PXI接口驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換3個(gè)部分。采集卡基本框圖如圖2所示。PXI5410輸入信號(hào)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和電壓調(diào)整等調(diào)理后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，本方案中AD選用是16位8通道同步采集AD7606，最高單通道可達(dá)采樣頻率200K。PXI接口直接通過(guò)專用的PCI接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)，采用美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的PCI9054。為了實(shí)現(xiàn)多板卡的同步采樣，采用統(tǒng)一的采樣觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)由星型槽位給每個(gè)板卡（所以每個(gè)PXI板卡都要有主從模式，主模式為星型槽位，提供觸發(fā)信號(hào)，從模式為外圍槽位，接收觸發(fā)信號(hào)）。

3 ?基于階比跟蹤技術(shù)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)處理方法

3.1 階比分析的方法

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)階比跟蹤方法采用硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要有鎖相環(huán)、倍頻分頻電路，并且還需要有截止頻率實(shí)時(shí)可調(diào)的抗混疊跟蹤濾波器等，電路復(fù)雜，成本高。公告號(hào)為CN102175439的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種“針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的階次分析實(shí)現(xiàn)方法”其對(duì)等角度重新采樣是“根據(jù)更新頻率的低速脈沖以及當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖分別對(duì)采集卡輸出信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣”。此種方法在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)速不變或變化小時(shí)相當(dāng)有效，但當(dāng)轉(zhuǎn)速隨時(shí)變化大時(shí)，此時(shí)的更新頻率是由第一次采樣時(shí)的頻率計(jì)算得來(lái);因此，當(dāng)用此更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行等角度重采樣，將帶來(lái)更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖不同步，采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以，傳統(tǒng)的階比跟蹤方法用在變轉(zhuǎn)速機(jī)械，特別是升、降速速率較高時(shí)，由于瞬時(shí)頻率無(wú)法跟蹤只能采用預(yù)設(shè)，又由于等角度重采樣是通過(guò)硬件的再次采樣，因此，階比跟蹤會(huì)出現(xiàn)大的誤差，甚至是錯(cuò)誤的分析結(jié)果。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提出一種由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)同步階比跟蹤分析方法，通過(guò)由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)精確的等角度采樣，不存在頻率混亂現(xiàn)象，也就是轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)軸上的角度差是一致的，在轉(zhuǎn)軸上位置是固定的，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整周期同步采樣。

3.2 計(jì)算階比分析的具體實(shí)施方式

基于重采樣原理的計(jì)算階比跟蹤分析實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)整周期同步采樣，它主要能解決因轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的振動(dòng)頻率模糊現(xiàn)象。算法可以在振動(dòng)信號(hào)采樣頻率不變的情況下，將等時(shí)間間隔振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為等角度間隔振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算流程參見(jiàn)圖3。計(jì)算階比跟蹤的數(shù)據(jù)輸入包括等時(shí)間采樣間隔的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)（由鍵相信號(hào)提供每轉(zhuǎn)1個(gè)），根據(jù)設(shè)備工作轉(zhuǎn)速確定振動(dòng)分析頻率范圍，確定分析階比數(shù)M。對(duì)采集到的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行2×M倍插值，獲得等角度信號(hào)樣本的時(shí)間序列。對(duì)等時(shí)間間隔采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行抗混濾波并依據(jù)等角度樣本時(shí)間序列插值重采樣，將時(shí)域等間隔振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為角域等角度振動(dòng)信號(hào)。對(duì)角域振動(dòng)采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化（FFT），得到振動(dòng)信號(hào)階比譜與各階振動(dòng)波形。其具體步驟是：

①信號(hào)采集。信號(hào)采集裝置的采樣頻率固定，采樣頻率最低應(yīng)大于2×M倍工作轉(zhuǎn)速，連續(xù)采集振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)。

②轉(zhuǎn)速估計(jì)。算法設(shè)定轉(zhuǎn)速脈沖電壓的觸發(fā)閾值，標(biāo)定轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿的時(shí)間，計(jì)算兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)速脈沖的時(shí)間間隔。這樣就可以確定設(shè)備旋轉(zhuǎn)一周的轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率。

③等角度振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列。對(duì)每周期的轉(zhuǎn)速脈沖間隔進(jìn)行2×M倍插值。確定時(shí)域等時(shí)間隔振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為角域等角度信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列。插值算法采用級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器[1]。

④根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)和等角度振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列。首先根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)對(duì)采集的等時(shí)間隔振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字抗頻率混疊濾波。然后依據(jù)角域等角度時(shí)間序列插值技算得到對(duì)應(yīng)的均角振動(dòng)信號(hào)。

⑤對(duì)角域等角度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，得到振動(dòng)頻譜和階比譜，各階振動(dòng)波形可通過(guò)恒帶寬濾波[2]或者Gabor變換[3]得到。

本實(shí)施例實(shí)時(shí)跟蹤的實(shí)現(xiàn)：每采集0.25秒就進(jìn)行一次信號(hào)分析，信號(hào)重采樣頻率是根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（因?yàn)樾盘?hào)已經(jīng)完成采集，根據(jù)信號(hào)進(jìn)行精確計(jì)算的）進(jìn)行調(diào)整的，而非硬件方式下，由上一次轉(zhuǎn)動(dòng)頻率值，對(duì)下一次轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行預(yù)測(cè)，再對(duì)采樣頻率進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)施例中，所述的插值重采樣算法是線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或者sinc插值算法中的一種。在精度運(yùn)行范圍內(nèi)，最佳方案是采用線性插值，速度快，準(zhǔn)確精度高。

實(shí)施例中，所述階比數(shù)M是2的n次方，n是4或4以上的正整數(shù)。最佳n是6，速度快，精度已基本滿足要求。

實(shí)施例中，所述數(shù)字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器。

本實(shí)施例中：

①如圖3所示，按照某一固定的采樣頻率;如圖3所示，同步采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一路轉(zhuǎn)速鍵相脈沖信號(hào)，N路振動(dòng)信號(hào)，如圖4所示。

②對(duì)鍵相脈沖信號(hào)，根據(jù)上升（或下降）沿電壓值大小人為指定閾值，或按照某一算法，由統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，自動(dòng)計(jì)算閾值大小。根據(jù)這一閾值，由檢波算法，如圖5所示，準(zhǔn)確識(shí)別和記錄鍵相脈沖信號(hào)上升沿（或下降沿）的到達(dá)時(shí)間t0、t1、t2…tN。

③如圖6所示，由兩個(gè)脈沖間的時(shí)間差，dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtN-1=tN-tN-1，計(jì)算轉(zhuǎn)速rpm和瞬時(shí)頻率f。

④如圖7所示，根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)對(duì)采集的等時(shí)間隔振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字抗頻率混疊濾波。然后依據(jù)角域等角度時(shí)間序列插值技算得到對(duì)應(yīng)的均角振動(dòng)信號(hào)。

⑤圖8所示為對(duì)等角度振動(dòng)信號(hào)FFT分析得到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)階比譜。

采用本實(shí)施例方法，使用美國(guó)NI公司的24位數(shù)據(jù)采集USB4432，無(wú)需添加任何其他硬件（如鎖相環(huán)、倍頻電路等），由1個(gè)光電傳感器和4個(gè)振動(dòng)傳感器分別采集1路轉(zhuǎn)速鍵相信號(hào)和4路振動(dòng)信號(hào)，即構(gòu)成了一個(gè)高精度振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速振動(dòng)信號(hào)階比跟蹤采集和階比分析功能。

本實(shí)施例方法目的是實(shí)現(xiàn)精確的等角度采樣，也就是轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)軸上的角度差是一致的，在轉(zhuǎn)軸上位置是固定的，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整周期同步采樣。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，目前進(jìn)入了滯脹期，究其原因，一是：技術(shù)陳舊落后，導(dǎo)致采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)法達(dá)到故障診斷的要求;二是，故障振動(dòng)系統(tǒng)的人工智能化停滯不前。本文在基于PXI總線和技術(shù)階比跟蹤技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和分析方面基于先進(jìn)的測(cè)控儀表PXI總線和計(jì)算階比振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)提升。下一步將在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的智能診斷方面進(jìn)行研究和突破。

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