（机械制造及其自动化专业论文）旋转机械监控保护系统振动监测模块软件研发.pdf

中文摘要 旋转机械监控保护系统振动监测模块软件研制 研究生姓名：张学君 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 随着工业生产朝着现代化、高速化和系统化方向发展，旋转机械监控保护技术对于提高设备寿 命和使用效率起着越来越重要的作用。本文在系统分析旋转机械振动监测与诊断技术的基础上，结 合最新的d s p 技术和分布式人工智能技术，研制了应用于旋转机械监控保护系统的振动监测模块软 件。 首先，对振动监测模块进行需求分析和软件总体设计。振动监测模块主要由数据采集模块、数 据处理及监测参数提取模块、数据报警和报警输出模块、软件维护管理模块、数据通信模块等构成， 各个模块之间功能单一，易于软件开发及维护。 其次，对振动监测模块软件的若干关键技术进行了研究。在d s p 中实现了8 1 9 2 点定点f f t 计 算；通过对不同类型的窗函数性能比较，选择h a r m i n g 窗来改善频谱泄漏现象；通过对能量重心校 正法和比值校正法分别在无噪声、小噪声和大噪声的情况下进行仿真对比，选择能量重心法对监测 参数进行幅值和相位校正；采用c a n 总线完成监测参数传输，并且制定相关的通信协议；对模块 任务调度进行优化分析，提高模块运行的可靠性。 最后，编制了振动监测模块软件并进行了应用验证，软件具有振动采集、监测参数提取和校正、 机组状态判别、数据传输、机组在线调试和系统远程更新功能，能够对旋转机械进行在线监测和保 护，保障机组安全运行，系统具有良好的组态化、实用性和扩充性。 关键词：振动监测，d s p ，离散频谱校正 国家高技术研究发展计划资助项目( 2 0 0 7 a a 0 4 z a 2 1 ) a b s t r a c t s o f t w a r e d e v e l o p m e n to fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gm o d u l e o f c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e mf o rr o t a t i n g m a c h i n e r y b yz h a n gx u e - j u n s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rj i am i n g - p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m t ht h em o d e r n i z a t i o n ，h i 曲一s p e e da n ds y s t e m a t i co ft h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，t h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yi sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h el i f e c i r c l ea n de f f i c i e n c yo ft h er o t a t i n gm a c h i n e r y i nt h i sp a p e r , b a s eo nt h ea n a l y s i so fc u r r e n tt r e n d sa n d a d v a n c e so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sb o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a d ，as o f t w a r ef o r t h e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gm o d u l eu s e di nac o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e mf a rr o t a t i n gm a c h i n e r y i sd e v e l o p e dc o m b i n e dw i t ht h en e w e s tt e c h n o l o g yo fd i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dd s e f i r s t l y , t h er e q u i r e m e n t sa n da r c h i t e c t u r eo ft h es o f l 3 v a r eo ft h ev i b r a t i o nm o d u l ea r es t u d i e d t h e s y s t e mi sc o n s i s to fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，m o n i t o r i n gp a r a m e t e r se x t r a c t i o n m o d u l e ，c o n d i t i o na l a r ma n do u t p u tm o d u l e ，s o f t w a r em a i n t e n a n c em o d u l ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n m o d u l e e a c hm o d u l ei ss i m p l i e dt os i n g l ef u n c t i o ns ot h a ti ti se a s yt om a i n t a i na n du p d a t e s e c o n d l y , s e v e r a lk e yi s s u e so fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gm o d u l ea r er e s e a r c h e d t h ef i x e d p o i n t f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) o f819 2p o i n t si sr e a l i z e d b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h ed i f f e r e n t w i n d o wf u n c t i o n s ，t h eh a r m i n gw i n d o wi ss e l e c t e dt oi m p r o v et h es p e c t r u ml e a k a g e t h ee n e r g y c e n t r o b a r i cc o r r e c t i o nm e t h o da n dr a t i oc o r r e c t i o nm e t h o da r es i m u l a t e dw i t ht h r e ek i n d so fs i g n a l ，t h a ti s ， t h es i g n a lw i t h o u tn o i s e ，w i t hs m a l ln o i s ea n dw i t hb i gn o i s e t h ee n e r g yc e n t r o b a r i cm e t h o di sc h o s e nt o c o r r e c tt h es p e c t r u ma m p l i t u d ea n dp h a s e t h ec a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u si ss e l e c t e dt ot r a n s p o r t t h em o n i t o r i n gp a r a m e t e r sa n dt h er e l a t e dp r o t o c o li se s t a b l i s h e d t h et a s ks c h e d u l ei so p t i m i z e da n dt h e s o f t w a r er e l i a b i l i t yo ft h em o d u l ei si m p r o v e d f i n a l l y , t h es o f t w a r eo ft h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gm o d u l ei sp r o g r a m m e da n dv e r i f i e dw i t ha p p l i c a t i o n t h ef u n c t i o n so fv i b r a t i o ns a m p l i n g , e i g e n v a l u ee x t r a c t i o n , s t a t ed i s c r i m i n a t i o n ，d a t at r a n s m i t i o n ，o n l i n e d e b u g g i n ga n dr e m o t em a i n t e n c a n c ea r er e a l i z e di nt h es o f t w a r e ，a n dc a r lb ea p p l i e dt om o n i t o ra n dp r e t e c t t h er o t a t i n gm a c h i n e r yo n l i n e t h es y s t e me x h i b i t sg o o dp r a c t i c a b i l i t y , c o n f i g u r a t i o na n de x t e n s i b i l i t y k e yw o r d s ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g , d s p , d i s c r e t es p e c t r u mc o r r e c t i o n + s u p p o r t e db yn a t i o n a lh i - t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( n o 2 0 0 7 a a 0 4 z a 21 ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：趣歪奄日期：垫鲥6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：瓣导师签名： 日期：趟兰：? 7 第1 章绪论 i i 课题研究背景与意义 第1 章绪论 随着现代工业的发展，旋转机械日趋大型化、高速化、自动化和智能化，特别是计算机技术的 发展，设备结构越来越复杂，旋转机械产生故障或失效的潜在可能性越来越大，旋转机械状态监测 与故障诊断技术越来越受到重视，已经成为保证生产系统安全稳定运行和提高产品质量的重要手段 和关键技术。预测和及时发现并有效处理故障，对于保障机械设备的可靠性、保障人员生命及设备 安全，获得最佳的经济效益具有十分重要的意义l m j 。 据统计，在2 0 0 4 年中，大唐发电公司下属电厂1 9 4 台次非计划停运中，汽轮机故障发生达2 7 台次。2 月1 4 日，安徽大唐淮北发电厂躬机组撑2 、撑3 瓦振动大停机。5 月2 3 日，河南大唐安阳电 厂撑8 机组槲、拌7 、撑8 瓦振动大，无法升负荷，停机检修。8 月2 7 日，湘潭发电厂撑l 机组( 3 0 0 m w ) 因为群3 、槲瓦振动大停机等，给大唐公司造成很大的经济损失p 钏。2 0 0 6 年8 月，重庆白鹤电厂3 0 万千瓦机组因故障停机，使重庆电力供应极为严峻【5 1 。2 0 0 7 年，华能海口电厂6 群机组发生故障停机， 造成了海南省有史以来最严重的电力紧缺现象，给全省工业生产和居民生活造成很大的影响1 6 j 。以 一台2 0 0 m w 的汽轮发电机为例，每停机一天，则少发电4 8 0 万千瓦时，经济损失高达数百万元， 一台3 0 万吨的合成氨压缩机，停机一小时直接损失高达数十万元。 过去，只有在机械运行出现问题或者拆开设备检查，才知道机器中某部分发生了故障。为了确 保机器的正常运行，不得不规定定期维修检查制度，既不经济又不合理。而在线故障监测和诊断技 术是依据设备在运行过程中，通过伴随故障必然产生的振动、噪声、温度、压力等物理参数的变化 来判断和识别设备的工作状态和故障，对故障进行早期预报、识别，做到预知维修，保证设备安全、 稳定、长周期运行，避免“过剩维修”造成的不经济、不合理现象。 目前，监测机械设备状态的手段虽然很多，但实践证明，振动信号检测是一种易于实现而又可 靠的方法。设备振动信号是设备状态信息的载体，它蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，而振动 特征是设备运行状态好坏的重要标志。因此，振动测试是设备状态信号采集的基本测试手段。对振 动信号的检测能够获得设备状态的有效信息，对它的分析则是设备诊断领域中一个被广泛采用的方 法1 7 1 。传统的基于快速傅里叶变换( f f t ) 的频谱分析方法是振动信号处理中最重要的途径，尤其是 近代各种谱分析软件和谱分析仪的推出，使频谱分析方法得到了更为广泛的应用。 现代传感技术、信号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是计算机技术及网络 技术的飞速发展，为设备振动监测提供了强大的技术支持。旋转机械状态监测朝着小型化、高速实 时连续采集、网络实时监控等方向发展。8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，将微处理器、存储 器、i o 、a d 、d a 转换、串行接口等部件统统集成到一个v l s i 中，由此制造而成的微处理器在 嵌入式系统中一枝独秀。其后发展的d s p 产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平。目前 基于d s p 和嵌入式技术开发的振动监测系统已成为国内外相关领域研究的热点之一p 1 。 l 东南大学硕士学位论文 因此研究、开发基于d s p 的旋转机械振动监测系统，对保证旋转机械关键设备安全高效地运行， 避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生，具有重大的现实意义。 1 2 旋转机械振动监测诊断发展概况 1 2 1 振动监测诊断技术发展概况 旋转机械振动监测技术近年来国内外发展较快，不仅在理论上有了很大的突破，而且不断转换 为技术投入到实际的项目应用中。振动监测技术主要是建立在对故障机理研究的基础上，在技术发 展中它大致经历了两个主要的阶段：第一阶段是以计算机技术、传感器技术和动态测试技术为基础， 主要集中在故障机理和诊断方法的研究等方面，是以信号处理技术为手段的常规振动监测技术发展 阶段；第二阶段是随着信息技术和人工智能技术的发展而发展起来的网络化、智能化振动监测与诊 断系统1 1 12 1 。 在第一阶段，大型旋转机械振动监测技术在国外的研究是在对故障机理分析的基础上的。对于 大型旋转机械而言，这一阶段的研究工作始于六十年代末期。代表性的工作是1 9 6 8 年美国的j o h n s o h r e 在他多年工厂实践的基础上，对高速涡轮机械故障的起因及其预防措施进行了系统的研究， 并将典型的故障分为九类二十七种，这一成果至今仍广为应用【l3 1 。日本白木万博自六七十年代以来 发表了大量的故障诊断文章，积累了丰富的现场故障处理经验，并进行了理论上的研究【l4 。日本三 菱重工研制的机械状态监测系统( m h m s ) 是具有代表性的电站机组监测系统。配置了规则型知识 基于框架知识表示的m a s t e r 推理机制，带有决策树表示诊断规则描述，以及采用模糊逻辑分析确定 置信度因素功能的振动诊断专家系统。这些工作为故障机理的深入研究奠定了基础。七十年代以后， 故障机理和诊断技术的研究发展非常迅速。人们使用机组或故障的数学模型进行故障诊断，先对研 究对象或机械故障建立有关的数学模型，然后根据数学模型进行故障诊断。这种方法可以用来预测 信号和估计非测量的状态变量、过程参数和其它的过程特性。根据故障机理研究的成果，人们建立 了各种旋转机械可能发生的故障的数学模型，如不平衡、不对中、碰磨、油膜振荡等和振动有关的 故障以及裂纹、磨蚀、泄漏、发热、烧损、松动、变形等。 在诊断方法上，对于故障诊断主要采用振动分析诊断法、声发射诊断法、温度分析诊断法、压 力分析诊断法、油液分析诊断法、光谱诊断法、铁谱诊断法、热成像诊断法、核辐射诊断法、以及 统计诊断方法、状态空间分析诊断法、模糊诊断方法等。这些故障诊断方法的主要手段可归结为模 式识别，它以提取足够识别故障的特征信息为基础。为了提取故障的特征信息，许多先进的信号处 理方法先后发展起来，其中在d f t 基础上发展而成的快速傅里叶变换( f f t ) 是故障诊断中特征值 提取的主要手段【”1 。f f t 已经成为信息处理中最重要、最基本的技术，目前几乎所有的动态分析仪 器都是以它为核心进行信号处理。以f f t 为基础派生出来的分析方法均获得了极大地发展，如周期 图分析法、快速卷积与反卷积、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传递函数、 谱趋势分析等。同时针对f f t 得到的离散频谱的频率、幅值和相位可能产生较大误差的现象，国内 外学者也进行了大量的离散频谱校正理论和校正方法的研究，如比值校正法、能量重心校正法、 f f t + f 1 r 连续细化分析傅里叶变换法和相位差法等，这些方法在故障诊断中得到了广泛的应用【l 。 2 第1 章绪论 全息谱分析l l 引、希尔伯特变换( h i l b e r t ) 、维格纳( w i n g n e r ) 分析、小波分析、时序分析、经验模 式分解( e m d ) 、h i l b e r t - h u a n g 变换【1 9 】等方法也被引进故障诊断领域作为信息提取手段。目前基于 f f t 分析的信息提取方法仍是故障诊断中应用最广泛和最为有效的手段。 人工智能技术的发展，标志着现代设备诊断技术进入了第二个阶段一智能诊断阶段。这一阶段 的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着重大变化，原来以数值技术和信号处理为核心的诊 断技术将被知识处理和知识推理为核心的诊断技术代替，形成了基于知识的设备诊断技术。这阶段 开展了专家系统、神经网络、模糊分析、聚类分析、粗糙集理论、人工免疫算法、模拟退火算法、 蚁群算法、多智能体诊断等理论和方法，并且在工程中得到应用【2 0 。 1 2 2 振动监测诊断模式发展概况 随着检测技术和手段的不断提高，尤其是计算机技术和网络技术的迅猛发展，旋转机械振动监 测模式已经发生了本质的变化，逐渐由单一设备对应的专用的振动监测诊断系统向网络化、分布式 监测与诊断模式发剧2 1 啦j 。 第一代为单机监测诊断模式。在机器逐步取代手工在工厂的地位后，对机器设备的状态监测和 故障诊断仅局限于“点到点”的诊断模式，即一台设备配有一套专用的工况监视与故障诊断系统。 在故障诊断技术发展初期所设计的系统大多数属于这种模式，它在工程实际中发挥了重要作用。这 类系统的优点是针对性强，但是每个系统的工作效率低，浪费了大量的人力、物力，而且随着工厂 规模的扩大，机器数的增加，这种模式的局限性日益突出。 第二代为分布式监测诊断模式。在计算机技术发展的背景下，分布式监测诊断模式得到了发展， 它通过串口通信或工业局域网将各个监测现场的本地计算机互联起来，实现资源共享，分散监控和 集中操作管理。对于复杂设备的故障诊断，有时需要设计人员、安装人员、运行人员和维护人员以 及相应领域的专家共同商讨故障性质和排除对策，而分布式监测诊断模式则是最适合的解决方案之 一。这种诊断方式可以用于大型机械设备，也适用于中小型设备。它是一个相对开放的系统，但是 这种模式的缺点在于，它只存在与局域网内，不同的工厂需要建立各自的检测诊断局域网，造成重 复建设。 第三代为远程监测诊断模式。进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着i n t e m e t 和万维网技术的普及和 完善，通过网络将不同节点上的诊断系统资源联系起来，将监测诊断现场和诊断中心联系起来，实 现资源共享，通过这些诊断系统协同工作，共同完成对大型复杂设备的故障诊断或复杂问题的求解。 远程监测诊断系统将企业管理部门、监测现场、诊断专家和设备制造商有机地结合起来，形成一个 面向用户的真正开放的系统。 1 2 3 振动监测诊断设备的国内外发展现状 目前国内外已经开发了多种旋转机械振动监测与诊断系统，并成功地应用于工业生产实际。 通用电气公司( g e ) 的b e n t l yn e v a d a 涡轮机械状态监测和故障诊断系统是一套先进的在线管 理和故障诊断软件包，应用于关键旋转机械，包括离心和轴流压缩机、蒸汽轮机、燃气轮机、电动 3 东南大学硕士学位论文 机和发电机、各种风机、齿轮箱、泵以及其他类似机械。它具有高分辨率的数据采集、趋势分析、 复杂报警管理、异常事件报告、用户通知功能等。利用它可以使资产的运行更接近于峰值效率，资 产停机时间降到最低【2 3 】。该公司在2 0 0 5 年完成了b e n t l yn e v a d a a d r e 便携式数据采集系统第五 代产品的开发。a d r es x p 代表了g e 公司最先进的高转速、多通道的便携式数据采集解决方案， 适用于要求以极高的分辨率和或以延长的采集时间同时采集多个通道的数据【2 4 1 。该公司的还具有一 些监测系统如b e n t l e y3 5 0 0 、3 3 0 0 、1 9 0 0 等，其中，b e n t l e y 3 5 0 0 产品应用极为广泛【2 5 1 。 美国派利斯公司生产的p d m l 2 0 1 双通道机壳振动监测表，可以监测由于转子的不平衡、不对 中、机件松动、滚动轴承损坏、齿轮损坏等一起的振动增大现象，适合于各种旋转机械，如风机、 压缩机、电机、齿轮箱、水轮机等【2 6 l 。 与国外相比，国内对于机械振动监测起步相对较晚，但是得到了快速的发展。自上世纪八十年 代以来，振动监测开始受到国内一些大型企业得重视，借助于高校和研究所的科研力量对故障机理 进行了深入的探索和研究并开发出一系列振动监测系统。 北京英华达公司的e n t e k 9 0 0 0 是在线振动监测保护系统和故障诊断专家系统的集成，可以对 大型旋转机械进行在线振动监测保护、分析和故障诊断。在振动测量方面，利用四通道振动位移模 块来测量轴振动、瓦振、轴位移和胀差，可以接入电涡流传感器和速度传感器，利用四通道加速度 监测模块来实时测量瓦振，可以接入加速度传感器，两个模块提供4 - 2 0 m a 报警输出功能和四通道 继电器报警功静2 7 j 。 北京东方振动和噪声技术研究所的机器运行状态监测和故障诊断系统提供在线监测和离线巡检 两种方案，适合不同要求，自定义各种监测、结构和组态参数，可以对振动、噪声、转速、温度、 压力、扭矩等信号进行监测，自动进行设备和数据的管理，通过趋势分析和故障分析等手段实现对 设备运行状态的监控和故障判别。该系统适合于对重点设备的运行状态进行长期连续的在线监测 【2 羽。 东南大学自1 9 9 0 年以来研制了m f d 系列工况监视与故障诊断系统，其主要功能包括数据高速 采集和在线显示、数据管理和分析等功能，已在国内多家石化、电力、冶金企业使用，取得了较好 的经济效益和社会效益【2 9 1 。 1 3 本文研究内容 本论文根据工程的实际需要，对旋转机械监控保护系统中的振动监测模块进行软件研制，实现 了振动信号采集、振动信号处理与监测参数、机组状态识别、数据通讯、组态和程序更新等功能。 振动监测模块的运行完全受到组态参数的控制，只要更改组态，可以方便的建立一个全新的监控保 护系统。振动监测模块的软件研制涉及到系统功能分析、监测参数提取、离散频谱校正等关键技术 问题。针对以上问题，本论文的主要安排如下： 第l 章：绪论部分。阐述了课题的研究背景及意义、旋转机械振动监测诊断技术的发展概况， 结合振动监测技术和工程项目的实际需求提出本文研究的主要内容。 第2 章：结合旋转机械振动监测的要求，对振动监测模块进行需求分析和设计，同时对振动监 4 第1 章绪论 测模块进行软件总体设计，给出了软件总体结构图和软件任务划分，最后，介绍了振动监测模块的 软硬件开发平台。 第3 章：论述了振动监测模块实现的若干关键技术。包括监测参数提取、离散频谱校正、基于 c a n 总线的监测参数传输和模块任务调度研究。 第4 章；主要描述系统的实现情况，介绍各个模块的实现方式，并验证了振动监测模块的采集 正确性。 第5 章：对研究成果和课题进行总结和展望，根据工程实际要求，结合现有研究基础，对课题 下一阶段研究和推广应用作进步的规划。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章振动监测模块总体设计 本章首先根据振动监测技术的实际要求，对振动监测模块进行总体需求分析，在此基础上，对 振动监测模块进行总体结构设计，讨论了软件任务划分。最后，介绍了振动监测模块开发的软硬件 平台。 2 1 振动监测模块功能需求分析 振动监测模块作为旋转机械监控保护系统的一个重要模块，具有数据采集、数据处理、机组报 警、数据通信、系统维护和调试等功能。振动监测模块功能结构图如图2 - l 所示。 机组报警 功能 、 i 机机 组组 报报 警警 危危 险险 状状 态态 判输 断 出 图2 - 1 振动监测模块功能结构图 下面分别对这些功能单元进行分析。 1 ) 数据采集功能 数据采集是振动监测模块的基本功能。机械振动量经过传感器转变为模拟信号，通过a d 量化 后变成数字量，以方便数字信号处理器或者p c 机等处理。振动量的采集分为交流和直流的采集。 交流采集可以获取机组的振动量，直流量不仅可以反映机组位置，同时也可以根据直流量的大小来 判断某些常用振动传感器的状态，使振动监测模块具有系统自检能力。 在旋转机械振动采集中，一般都是整周期采样。整周期采样是指采样频率动态地跟踪信号频率 的变化，以确保在采样点数不变的情况下，所采信号周期完整。这样在傅里叶变换变换能够消除能 量泄漏现象，提高了频谱分析的精度。为此，振动监测模块在设计时加入转速采集功能，实时跟踪 机组转速，提供整周期同步采样脉冲，并且实现本模块的采样。当旋转机械监控保护系统中已有转 速或者键相模块时，可以由它们采集转速并且提供整周期采样脉冲。如果工业现场没有转速信号， 机组可以按照所指定的某一块振动监测模块的默认组态提供采样脉冲，实现整个机组的同步采样。 在振动信号频谱分析中，频率分辨率是一个很重要的参数。在采样频率不变的情况下，只有通 过增加采样长度来降低频率分辨率，提高频谱分析精度。在振动监测模块中，将采样长度设置为最 6 第2 章振动监测模块总体设计 大8 1 9 2 点，这样分析的谱线数可以得到3 2 0 0 线，可以满足大部分的振动监测和分析的要求。 2 ) 数据处理功能 数据处理功能主要对采集的振动数据进行传感器非线性校正、数据标定，提取振动监测参数和 监测参数的4 - 2 0 m a 输出。传感器修正主要是针对一些线性度不好的传感器所设定的功能，是否执 行将根据组态参数来确定。正常的传感器在工作范围内输出电压和输入信号量成线性关系，当线性 度不好时，传感器的特性曲线就不是一条直线。 振动信号时域特征主要为峰峰值、有效值、均值等。峰峰值排除了信号中直流成分的影响，在 工业现场，特别是汽轮机状态监测中，通常用电涡流位移传感器测量振动，用峰峰值来衡量振动量 的大小。有效值反映了信号功率的大小，它既考虑到了振动时间变化的经历过程，又表示了机械振 动能量的大小，如位移的有效值与位能有关，速度有效值与动能有关，加速度有效值与惯性力大小 有关等。在高频时，虽然振动位移值很小，但由于加速度是位移值的缈2 ( 缈为旋转机械的角频率) 倍，因此引起零件惯性力破坏常常发生在高频，所以，国际上近年来特别重视高频振动监测。振动 速度的有效值称为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个物理量。所以振动监测模块在设计时，应 该能够适应工程的实际要求提取峰峰值或有效值，对其进行实时监测和报警处理。 振动信号的频域分析主要分为频谱分析、相位分析和瀑布图等。在旋转机械的故障诊断中，很 多典型故障都和各分频幅值大小的变化相关，例如，转子不对中、变形和l 倍频、2 倍频、半倍频 幅值大小的变换有关系。对于一些其它的旋转机械，特征频率可能不在各分频处，如齿轮箱故障诊 断中滚动轴承内外圈特征频率等。对这些分频或特定频率的幅值监测对机组运行来说是非常重要的。 相位对于确定旋转机械的动态特性、故障特性以及进行转子动平衡等具有重要意义，相位的监测越 来越受到重视。所以，在监测参数提取中，需要考虑到分频幅值和相位的监测，同时也要考虑到某 些特定频率的监测。 3 ) 机组报警功能 振动监测模块对监测参数提取的最终目的是确定机组的状态，控制继电器，保护机组可靠运行。 机组的状态可以分为正常、报警和危险状态。对于机组的报警和危险状态，要输出相应的报警危险 信号到继电器保护单元，从而实行继电保护。在机组运行中，可能出现一些突发的干扰，这些都可 能导致监测参数超出预定范围，从而使机组突变为报警或危险状态，这些干扰在状态判别时必须剔 除。为此，在机组状态判别时，可以采用连续报警达到一定次数或者连续报警时间达到一定时间才 进行报警危险状态的切换的方法消除干扰对机组状态的影响。在振动监测模块中，采用延时的方式 进行处理。只有机组连续一段时间报警后机组才进入报警状态，只有机组连续一段时间正常后才进 入正常状态。 在机组安装调试时，为了避免振动监测模块频繁的切换报警危险状态，可以对报警危险状态进 行屏蔽，也就是旁路功能。同时，在一些特殊情况下，可能需要机组记忆报警危险状态，就是当出 现一次报警危险状态后，以后的状态都为报警危险状态，直到手工切除，这就是闭锁功能。 4 ) 系统维护和调试功能 在机组调试或者运行过程中，可能随时需要振动监测模块的运行信息或者对振动监测模块进行 控制，例如报警旁路或者报警闭锁等，这时就需要振动监测模块能够响应上位机的命令，并且执行 7 东南大学硕士学位论文 相应的操作。同时，在机组运行过程中，如果传感器更换或者机组配置方式发生改变，这时，需要 对振动监测模块的组态参数进行更新，这要求振动监测模块具有组态更新功能，这样才能完成机组 的配置。所以，振动监测模块的运行完全依靠组态参数来控制，只要组态参数更改，整个模块的运 行和监测方式就发生变化。当振动监测模块软件因为客观原因需要升级时，传统的方法均是实地取 下设备，通过仿真器进行烧写维护。这种方法效率低，缺点很多，特别是当机组比较分散或者离控 制中心比较远时则更加明显，而随着现场总线的发展，软件更新完全可以通过远程控制来实现，这 要求振动监测模块具有远程在线更新功能，这大大方便了系统维护人员。 5 ) 数据通信功能 振动监测模块的瞬态振动数据、监测参数和系统维护命令等，这些信息的传递需要振动监测模 块和上一级的通信管理单元进行通讯。为了方便通讯协议的制定，瞬态数据、监测参数和系统维护 命令分别通过三个不同的总线方式进行传递，分别为并行总线、c a n 总线和r s 4 8 5 总线。 2 2 振动监测模块软件总体结构设计 2 2 1 软件设计原则 振动监测模块是旋转机械监控保护系统的一个基本的子系统，在其中处于底层核心地位。振动 监测模块只和上一级的通信管理模块通信，而通信管理模块可以和p c 机进行通讯，同时也可以独 立运行。本模块具有如下几个特点： 1 )参数配置灵活。可以通过对组态参数的配置来实现不同的采样方式，控制采样过程和报警 输出，同时在运行过程中可以响应上位机调试命令来改变模块运行状态。本模块不仅可以以默认组 态参数运行，同时在运行过程中通过r s 4 8 5 总线可以下载组态，实现组态的更新，并且以新的组态 来运行。 2 )采样方式灵活多变。振动模块的采集方式有三种，由组态决定，主要包括：当配置有键相 或者转速模块时，振动监测模块在键相或转速模块输出的采样启动脉冲和采样脉冲信号控制下实现 多个模块的同步采样；当无键相或转速模块时，若其中的一块振动监测模块接入转速信号，则由本 板卡进行转速采样并且输出采样启动脉冲和同步采样脉冲：当无键相或转速模块，而且没有转速信 号接入振动监测模块时，由组态确定的一块板卡自行产生采样启动脉冲及采样脉冲信号实现同步采 样。 3 )通讯系统复杂。在正常采集状态下，振动监测模块通过c a n 总线向通信管理模块传递特 征值，通过并行总线传递采集原始参数，通过r s 4 8 5 总线接收系统调试命令并且进行命令响应，同 时还要处理监测参数的4 - 2 0 m a 输出和报警危险状态输出。在调试状态，主要通过r s 4 8 5 总线来实 现调试过程。 4 )数据处理量大。根据工程实际要求，单个振动监测模块可以实现最多4 通道位移速度a n 速度信号的8 1 9 2 点同步采集和处理。模块原始数据的储存需要很大的空间，在振动模块的软件和硬 件的设计过程中都需要考虑这一点。 鉴于模块的以上几个特点，因此软件设计必须合理。因此在程序设计中，遵循如下几个原则： 8 第2 章振动监测模块总体设计 1 )模块化。软件设计中将功能进行细分，对于不同的功能模块进行封装，在主程序中按照系 统运行状态来进行调用。各功能模块功能单一，编写和调试都比较容易。这样可以使系统处理简单、 明了，程序编写清晰、流畅。 2 ) 容错性。因为在模块中存在多个任务，而某些任务可能需要等待一些事件的发生。在程序 编写过程中，要避免陷入死等待，需要存在跳出循环等待等功能。 3 ) 通用性。程序在运行中的所有设置都在组态参数中给出，而且组态参数可以进行在线更改。 所以，在程序编写中，要充分按照组态要求来控制软件流程，提高程序的通用性。 2 2 2 软件总体结构设计 根据振动监测模块的功能需求和设计原则，振动监测模块的软件的结构图如图2 2 所示。 通信 管理模块 和翥萎嚣釜篓块li 数据采集模块 和组态配置模块ii ”，。、“一 数据通信模块 h 信息和数据缓冲区h 数参 软件维护 管理模块 数据报警和 报警输出模块 传感器 同步采样脉冲 转速信号 4 - 2 0 m a 输出 报警总线 图2 2 振动监测模块软件总体结构图 振动监测模块主要由以下几个功能模块构成：数据通信模块、系统初始化和组态配置模块、数 据采集模块、软件维护管理模块、数据处理及监测参数提取模块、数据报警和报警输出模块。 信息和数据缓冲区是振动监测软件的核心，其它所有的功能模块通过与信息和数据缓冲区交互 来实现数据传递和功能控制。数据采集模块根据储存在缓冲区中的组态信息进行采样方式选择，当 需要转速采集时才进行转速信号的采集，否则只根据外部采样脉冲或者内部采样脉冲实现振动信号 的交直流采样，并且将采样的交直流数据储存到缓冲区中。数据处理及监测参数提取模块根据缓冲 区的组态信息进行传感器非线性校正、数据标定、监测参数提取等工作，并且进行监测参数的4 - 2 0 m a 输出。数据报警和报警输出模块根据缓冲区中的组态信息和数据处理模块提供的监测参数进行报警 危险逻辑判断，并且向报警总线输出报警危险信息。系统初始化和组态配置模块根据缓冲区的默认 组态进行模块初始化，并且通过数据通信模块接收组态信息，完成组态更新。软件维护管理模块通 过数据通信模块将维护代码储存在缓冲区中，在软件维护管理模块中实现f l a s h 烧写，完成软件更 新工作。数据通信模块通过并行总线上传瞬态数据，通过c a n 总线上传监测参数和状态信息，通 过r s 4 8 5 总线传输控制命令、组态文件和软件更新文件。 9 东南大学硕士学位论文 各模块完成的主要功能如下： 1 ) 数据通信模块 数据通信模块主要负责振动监测模块与通信管理模块( 上位机) 之间的信息和数据的传输工作， 传输的主要途径包括并行总线、c a n 、r s 4 8 5 ，传输的内容主要有g 各通道振动原始数据： 模块组态参数； 监测参数数据； 软件更新数据； 其他维护，控制命令信息； 2 )系统初始化及组态配置模块 系统初始化及组态配置模块主要完成两个功能，第一：负责根据组态参数进行初始化配置，例 如各个端口参数的设置、调理电路的初始化、系统任务的初始化等，第- - 响应通信管理模块的组 态控制和组态更新命令。 3 )数据采集模块 数据采集模块主要负责振动信号和转速信号的采集。其中振动信号交流部分的采集由外部 a d 7 8 6 5 实现，采样位数为1 4 位，采样脉冲来自外部的同步采样脉冲或者模块自身产生的同步采样 脉冲，而直流信号的采集主要由d s p 内部的a d c 单元完成。转速信号采集由d s p 的捕获单元1 ( c a p l ) 实现。数据采集模块还需要根据组态参数负责同步采样脉冲的提供。 4 )软件维护管理模块 软件维护管理模块主要负责接收通信管理模块发送的更新命令，完成采集软件的升级和功能更 新。此外，还负责系统运行状态的监测，并及时向通信管理模块发送系统运行信息。 5 ) 数据处理及监测参数提取模块 数据处理及监测参数提取模块主要负责对各通道采集的振动瞬态数据进行处理，包括传感器非 线性校正、数据标定、定点f f t 计算、离散频谱校正、监测参数提取等，并根据组态参数进行监测 参数的4 , - - 2 0 m a 输出。 6 )数据报警和报警输出模块 数据报警和报警输出模块主要完成的任务为：根据组态参数对各通道的状态进行判别( 正常、 报警、危险) ，并且将各通道报警状态输出到报警总线上。为了防止误报警，系统中加入报警延时功 能。 2 2 3 软件任务划分 根据振动监测模块功能的需求和软件总体结构设计，可以把整个系统设计为以下一些任务，如 表2 1 所示。 l o 第2 章振动监测模块总体设计 基于任务划分后可以得到各个任务模块之间的信息流动示意图，如图2 3 所示。 同步 图2 3 振动监测模块任务信息流 2 3 振动监测模块开发平台 在振动监测模块中，作为核心单元的处理器采用t l 公司的3 2 位定点处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。软 件开发平台选取t i 公司的d s p 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 。 2 3 1t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先 进的外设，为电机控制等系统的实现提供了良好的平台。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列d s p 有以下特尉3 1 】： 采用高性能的静态c m o s 技术，主频达1 5 0 m h z ，采用低功耗设计。 支持j t a g 边界扫描接口。 东南大学硕士学位论文 高性能3 2 位c p u ：1 6 x1 6 位和3 2 x 3 2 位的乘法累加操作；1 6 1 6 位的双乘法累加器； 哈佛总线结构：4 m b 的程序数据寻址空间。 片上存储器：1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器；多个单周期访问r a m ( s r a m ) 。 时钟和控制系统：支持动态改变锁相环的倍频系数，具有片上振荡器和看门狗定时模块。 三个外部中断。 外设中断扩展扩展模块( p i e ) 支持4 5 个外设中断。 三个3 2 位c p u 定时器。 1 2 8 位的保护密码，可以保护f i a s h o t p 爪o m 中的代码。 电机控制外设，具有两个时间管理器模块。 丰富的串行通信外设：连个u a r t 接口模块( s c i ) ，增强的e c a n 2 0 b 接口模块，多通道 缓冲串口。 1 2 位模数转换模块：2 8 通道复用输入接口；两个采样保持电路；流水线最快转换周期为 6 0 n s ，单通道最快转换周期为2 0 0 n s 。 高达5 6 个可配置通用目的的i o 引脚。 一4 0 0 c + 8 5 0 c 或一4 0 0 c 一+ 1 2 5 0 c 工作环境。 2 3 2c c s 集成开发环境 c c s 是一个基于w i n d o w s 的d s p 开发平台，可以加速程序员创建和测试实时嵌入式信号处理 系统的开发过程，从而缩短将产品推向市场所需要的时间。在c c s 中，不仅集成了常规的开发工具， 如源代码编辑器、代码生成工具( 编译、连接器) 及调试环境，还提供了d s p b i o s 开发工具。它 主要由以下几个方面组成：集成开发环境c o d ec o m p o s e r ( 编辑器、调试器、项目管理器、性能分 析工具等) ：代码生成工具；指令及软件仿真器s i m u l a t o r ；实时底层软件d s p b i o s ；实时数据交换 工具r t d x , 实时分析和数据可视化工具和g e lt 具等【3 2 1 。 c c