基于虛擬儀器的水電機組在線(xiàn)振動(dòng)監測系統

摘要：介紹了基于虛擬儀器的在線(xiàn)振動(dòng)監測系統的基本組成、實(shí)現方法和功能，采用PXI總線(xiàn)儀器和LabVIEW可視化的虛擬儀器系統開(kāi)發(fā)平臺，把傳統儀器的所有功能模塊集成在一臺計算機中，用戶(hù)可以通過(guò)修改虛擬儀器的軟件改變其功能與規模。該系統實(shí)現了水電機組振動(dòng)信號的自動(dòng)采集，并能通過(guò)計算機進(jìn)行振動(dòng)信號的處理和分析。

隨著(zhù)我國水電事業(yè)的發(fā)展，大型機組的投產(chǎn)，各種容量的機組數量不斷增多。如何保證水電機組運行穩定是人們普通關(guān)心的重要問(wèn)題。而現階段我國水電機組的檢修一般實(shí)行計劃檢修制度，不管設備狀態(tài)如何，到期必修，由此造成大量的資源浪費。這種傳統的預期維修體制已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代維修、運行、管理的要求。水電機組設備龐大、結構復雜、故障的誘因繁多，雖有一些故障不一定以振動(dòng)形式表現出來(lái)，但統計資源表明，水電機組約有80%的故障或事故在振動(dòng)信號中有所反映[1]，例如水電機組下機架的振動(dòng)參數表示在轉動(dòng)部門(mén)的平衡情況，其振動(dòng)的極頻分量說(shuō)明發(fā)電機電磁振動(dòng)情況等。因此，振動(dòng)監測是目前應用最為普通和有效的方法[2]，通過(guò)對這些振動(dòng)信號的分析，充分發(fā)掘其中所包含的故障信息，對水電機組的安全生活、決策具有重要的實(shí)際意義[3]。

水電機組的振動(dòng)監測可由傳統儀器系統構成，如圖1所示。系統功能是由廠(chǎng)家事先定義且固定不可變更功能的傳統儀器完成。由于傳統儀器聽(tīng)功能缺乏靈活性，有時(shí)盡管資金投入很大，但仍很難滿(mǎn)足任務(wù)的不斷變化所產(chǎn)生的多樣化的需求。而虛擬儀器技術(shù)改變了這種狀況，它開(kāi)創(chuàng )了儀器使用者可以成為儀器設計者的新時(shí)代。虛擬儀器就是通過(guò)軟件平臺構造與真實(shí)儀器物理面板相類(lèi)似的虛擬面板，硬件不再是系統的主體，它只是在其中實(shí)現信號的輸入輸出，而由功能強大的軟件完成信號的采集、分析處理和結果顯示，實(shí)現了“軟件就是儀器”的理念。虛擬儀器用計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件功能，用戶(hù)可以根據需要定義儀器的功能，虛擬儀器性能的改進(jìn)和功能擴展也只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設計更新，而不需要增添新的儀器。因此，虛擬儀器技術(shù)具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低、維護方便、靈活、功能強大、用戶(hù)可自行定義等特點(diǎn)[4]。

1 系統硬件結構

本系統的硬件由傳感器、SCB-68接線(xiàn)端子盒、PXI-1010組合機箱、SCXI-1125可編程隔離放大模塊、SCXI-1141可編程低通濾波模塊、SCXI-1140采樣/保持模塊、PXI-6052E數據采集卡、PXI-PCI833X計算機控制PXI模塊、MXI-3光纖通信模塊、DFE-530TXI網(wǎng)絡(luò )適配卡等組成，其硬件結構如圖2所示。

1.1 振動(dòng)傳感器的選擇及安裝

水電機組與火電機組相比，水電機組的額定轉速較低，尤其是水力因素引起的振動(dòng)頻率更低。水電機組振動(dòng)信號屬低頻信號。由于振動(dòng)傳感器現場(chǎng)環(huán)境惡劣、電磁干擾大、溫度變化大，且傳感器支架本身長(cháng)期顫動(dòng)會(huì )增加測量的誤差，因此需選擇可靠性高、抗干擾能力強、精神度高及性能穩定的振傳感器。為了避免因振動(dòng)傳感器安裝造成附加誤差使測量值失真，振動(dòng)傳感器應合理安裝。本系統在測量軸擺度時(shí)，選擇電渦流傳感器，它利用電渦流效應測量位置，具有非接觸測量、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。將電渦流傳感器安排在軸承殼體上，衽相對測量，測點(diǎn)位置可選在上導、下導、水導和推力等處，并各安裝兩個(gè)互為90°的電渦流傳感器。在測量機架和項蓋等振動(dòng)時(shí)，選擇地震式傳感器。它測量基座所連接物體的絕對振動(dòng)，具有抗振和高穩定性的特點(diǎn)。地震式傳感器可直接固定在機殼上，安裝應盡量靠近轉軸，并盡可能避開(kāi)母線(xiàn)出線(xiàn)等電磁場(chǎng)較強的位置，測點(diǎn)可選取在上、下機架和推力機架等處，各安裝兩個(gè)地震式傳感器，分別對相架水平方向和垂直方向的振動(dòng)進(jìn)行監測。系統中采用光電式接近開(kāi)關(guān)獲取鍵相信號，確定整周期采樣的基準點(diǎn)。此外，為便于分析振動(dòng)與壓力、工作水頭和上、下游水位的關(guān)系，還應安裝有功功率、壓力、上、下游水位相應的傳感器。

1.2 數據采集模塊

在數據采集領(lǐng)域中，有基于多種PC機總線(xiàn)的PC-DAQ數據采集卡，也有基于VXI總線(xiàn)的各種數據采休模塊。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI三種虛擬儀器體系中，GPIB實(shí)質(zhì)上是通過(guò)計算機對傳統儀器功能的擴展與延伸；PC-DAQ直接利用了標準的工業(yè)計算機總線(xiàn)，沒(méi)有儀器所需要的總線(xiàn)性能；而一次構建VXI系統需要較大的資金投入。PXI是1997年NI公司推出的一種全新的開(kāi)放性和模擬化儀器總線(xiàn)規范，它將Compact PCI的集成式觸發(fā)功能與Windows操作系統結合在一起。在保留PCI總線(xiàn)與Compact PCI模塊結構功能的基礎上，增加了系統參考時(shí)鐘與觸發(fā)器總線(xiàn)等，加之熟悉的Windows環(huán)境，使得PXI系統更適合構建工業(yè)自動(dòng)化測控系統?；赑XI總線(xiàn)規范構建的系統將PC機的性介比優(yōu)勢和PCI總線(xiàn)面向儀器領(lǐng)域的擴展結合起來(lái)，成為一種新型的虛擬儀器系統。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，還具有開(kāi)發(fā)周期短、價(jià)格低、易于組建便攜式自動(dòng)測試系統等特點(diǎn)。

本系統中數據采集通過(guò)現場(chǎng)傳感器將各個(gè)測量點(diǎn)的信號經(jīng)過(guò)SCB-68接線(xiàn)端子盒將信號送到信號調理模塊SCXI-1125（可編程隔離放大器）、SCXI-1141（可編程低通濾波器）、SCXI-1140（采樣/保持放大器）進(jìn)行信號調理；最后將經(jīng)過(guò)信號調理的信號送到數據采集卡PXI-6052E（16路單端/8路差分模擬輸入、采樣頻率333ksps、2路模擬輸出、8條數字I/O線(xiàn)、2路24位計數/定位器）進(jìn)行數據采集。數據采集卡PXI-6052E上的位計數/定時(shí)器的抗干擾能力不強，為了彌補這一不足，可利用LS7084芯片和電阻、電容組成一個(gè)濾波表路，消除由于噪聲和振動(dòng)等造成的干擾。

1.3 計算機控制模塊

本系統采用了NI公司的組合式機箱PXI-1010（8個(gè)PXI/Comact PCI和4個(gè)SCXI插槽），零槽控制模塊采用PXI-PCI833X。PXI-PCI833X采用MXI-3技術(shù)。MXI-3技術(shù)是一種PCI總線(xiàn)之間的連接技術(shù)，它采用標準PCI-PCI橋技術(shù)及1.5Gbps高速串口連接，為PXI控制引入了更加快速方便的擴展方式。MXI-3技術(shù)不僅可以進(jìn)行PXI/Compact PCI機箱之間的連接，而且可通過(guò)主控計算機直接控制PXI系統。在本系統中將PXI-6052E數據采集卡采集到的數據通過(guò)PXI-PCI833X模擬和傳輸速率高達132Mbps的MXI-3光纖通信模塊傳送到現場(chǎng)計算機。MXI-3包含了一塊插在現場(chǎng)計算機中的PCI MXI-3板卡和插在PXI-1010機箱控制槽內的PXI MXI-3模塊，兩板卡通過(guò)光纜相連，實(shí)現PXI-1010機箱內的各模塊與現場(chǎng)計算機的通信。MXI-3技術(shù)可實(shí)現200m距離內信號傳輸，解決了現場(chǎng)計算機與數據采集模塊之間信號遠距離傳輸的問(wèn)題?，F場(chǎng)計算機通過(guò)DFE-530TXI網(wǎng)絡(luò )適配卡與網(wǎng)絡(luò )遠程監控終端相連，實(shí)現遠程監測。

2 系統軟件結構

本系統選擇NI公司的LabVIEW 6i作為開(kāi)發(fā)工具，它采用圖形化編程方案，也稱(chēng)為G語(yǔ)言。LabVIEW提供了豐富的函數及子程序庫，從基本的數學(xué)函數到高級分析庫（包括信號處理、函數、濾波器設計、線(xiàn)性代數、概率論與數理統計、曲線(xiàn)擬合、傅立葉變換、小波分析等），通過(guò)這些函數及子程序庫，可以實(shí)現硬件系統的軟件化，設計出符合技術(shù)要求的振動(dòng)監測系統。本振動(dòng)監測系統所用的數據采集卡為NI公司的產(chǎn)品，可以使用LabVIEW提供的大量數據采集子程序，無(wú)需為數據采集卡編制驅動(dòng)程序。另外LabVIEW的附帶網(wǎng)絡(luò )工具套件，方便了遠程監測的設計。

LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境由前面板和流程圖兩部分組成。前面板是人機交互的圖形用戶(hù)接口，集成了多種常用的控制對象（如開(kāi)關(guān)、按鈕、示波器、指示器、定時(shí)器等），它相當于實(shí)際儀器的操作面板。設計時(shí)只需從控件庫中選取所需的控件，并為它們設計合理的屬性（例如尺寸和量程等）和具體放置位置。這些屬性和位置可通知程序方便地調整。前面板的合理設計有助于振動(dòng)監測系統功能的實(shí)現并方便操作。因此前面板應設置多段開(kāi)關(guān)以實(shí)現不同的數據處理方法，前面板主要部門(mén)是顯示圖形和數據，可采用多窗口完成不同信號的同時(shí)輸出，前面板還應有控制窗口和開(kāi)關(guān)，以實(shí)現對振動(dòng)監測系統的操作。流程圖則是程序的圖形化源代碼。設計時(shí)從函數庫中選取所需要的函數圖標，并按照數據在程序中傳遞的順序把它們和控件圖標的位置統一編排好，再用連線(xiàn)工具將圖標連起來(lái)。系統軟件采用模塊化設計，其系統軟件功能模塊如圖3所示。采用模塊化設計有助于軟件的設計和日后改進(jìn)升級[5]。

2.1 “譜泄漏”現象的消除

在運用傅立葉運算對采樣信號進(jìn)行變換的過(guò)程中，會(huì )引起“譜泄漏”現象。為了消除“譜泄漏”現象，提高譜分析精度，在傅立葉變換時(shí)實(shí)現整周期截斷，對振動(dòng)信號實(shí)行整周期采樣。整周期采樣是指系統的采樣頻率動(dòng)態(tài)地跟蹤信號頻率的變化，以確保在采樣點(diǎn)數不變的情況下，采樣周期均勻，所采信號周期完整。實(shí)現整周期采樣的關(guān)鍵是如何將一個(gè)完整的周期信號均勻地分成K等分進(jìn)行采樣，其中K為一個(gè)采樣周期內的采樣點(diǎn)數。信號周期可以通過(guò)鏈相信號測得，兩相鄰鏈相信號的上升沿或下降沿之間即為一個(gè)采樣周期。本系統中通過(guò)軟件計算機出采樣時(shí)間間隔來(lái)達到均勻采樣的目的。此外加窗也是減小“譜泄漏”影響的一種有效辦法，對某一個(gè)信號選擇一個(gè)合適的窗函數。窗函數越寬，抑制雜波能力越強；窗函數越窄，分辨率越高。

2.2 信號處理和分析

利用LabVIEW的Signal Processing Suite專(zhuān)用軟件包、函數和子程序庫，對采集的水電機組信號進(jìn)行處理和分析，主要包括非線(xiàn)性變換、數字濾波、時(shí)域分析、頻域分析、小波分析、軸心軌跡分析等。

（1） 非線(xiàn)性變換：由于傳感器結構的特點(diǎn)，它輸出的直流電壓值不是完全線(xiàn)性的，這就造成了最終距離參數難以直接獲得。采用同線(xiàn)擬合辦法可以很好地實(shí)現信號的非線(xiàn)性變換。

（2） 數字濾波：為了彌補硬件濾波器的不足，提高設備的可靠性，采用諧波去除法作為軟件濾的方法。運用ReFFT（）函數對現場(chǎng)采集的信號進(jìn)行快速傅立葉變換，在生成的幅值頻譜中將事先規定的截止頻率以上的頻率成分設為0，然后在運用ReInvFFT（）函數進(jìn)行傅立葉反變換，求出濾波后的時(shí)域數據。

（3） 時(shí)域分析：主要是時(shí)域波形顯示（包括實(shí)時(shí)數據隨時(shí)間變化圖及局部放大及縮?。?、波形特征值的計算（包括計算振動(dòng)/擺度的峰峰值的均值、方差等）、相位分析（包括測點(diǎn)信號的相位隨時(shí)間變化及不同測點(diǎn)之間的相位差）及其相關(guān)分析（通過(guò)兩個(gè)量之間相關(guān)變化找出自變量如水頭和開(kāi)度等對震動(dòng)/擺度的影響）等。

（4） 頻域分析：將整周期采集的信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到振動(dòng)信號的頻譜。分析功能主要有幅值譜分析、功率譜分析以及頻譜圖（包括頻譜分量的最大值及該最大值發(fā)生的頻率）的計算和顯示等。

（5） 小波分析：傅立葉變換對水電機組振動(dòng)信號中出現的奇異點(diǎn)有時(shí)難以準確識別，而這種奇異點(diǎn)的出現，通常又與故障的發(fā)生緊密相連，而小波分析在噪聲消除、微弱信號的提取和圖像處理等方面具有明顯的優(yōu)勢，故小波分析也是水電機組振動(dòng)信號分析的有具工具。應用小波分析技術(shù)對振動(dòng)信號進(jìn)行“細化和放大”，使振動(dòng)信號更加清晰，以便于捕捉振動(dòng)信號變化的特征點(diǎn)，尤其是對突變信號的處理優(yōu)勢明顯。

（6） 軸心軌跡分析：動(dòng)態(tài)間隙顯示、動(dòng)/靜態(tài)軸心軌跡曲線(xiàn)、動(dòng)/靜態(tài)諧波軸心軌跡曲線(xiàn)。

2.3 數據庫的設計

數據庫選用SQL Server 2000，利用LabVIEW 6i開(kāi)發(fā)平臺內帶的SQL Tooikit工具包與數據庫進(jìn)行聯(lián)系，通過(guò)SQL Toolkit可以訪(fǎng)問(wèn)大多數關(guān)系型數據庫（如Oracle、Informix、Sybase、MS SQL Server等），用SQL語(yǔ)句可實(shí)現對數據庫的查詢(xún)、修改和增刪等操作[6]。數據庫分為實(shí)時(shí)數據和歷史數據兩種。實(shí)時(shí)數據主要是有機組配置及數據采集參數、各振動(dòng)和擺度原始波形、各振動(dòng)和擺度頻譜數據、各振動(dòng)和擺度特征數據、狀態(tài)參數數據。歷史數據主要有：機組正常運轉的歷史數據，按年、月、日等進(jìn)行分檔壓縮存儲；機組出現異常情況的歷史數據，用于事故追憶。

通過(guò)在LabVIEW，系統平臺上開(kāi)發(fā)的基于PXI平臺的水電機組振動(dòng)監測系統集振動(dòng)測試、數據采集、處理和分析為一體，能迅速而有鏟地把水電機組在各種過(guò)程中的振動(dòng)情況整理成資源和圖形，如波特圖、極坐標圖、波形圖、軌跡圖、三維譜圖、軸中心位置圖、振動(dòng)數據庫等，以便對水電機組的振動(dòng)情況分析和故障診斷。該系統已安裝在多臺水電機組上。運行結果表明，與傳統監控系統相比，虛擬儀器方案不僅系統結構緊湊，構成靈活，且功能豐富，通過(guò)修改軟件功能易于擴展，具有很高的性?xún)r(jià)比，監控過(guò)程可實(shí)現無(wú)人值守，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現遠程監控。因此基于虛擬儀器的水電機組振動(dòng)監測系統具有十分廣闊的應用前景。