摘  要： 設(shè)計(jì)了一種發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電渦流變送器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳送至系統(tǒng)硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)使用FPGA作為控制核心對(duì)電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、FIR濾波及溫度矯正，并通過(guò)USB 2.0接口傳輸至上位機(jī)。硬件平臺(tái)提供USB 2.0和RS-232兩種接口，分別用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，通用性強(qiáng)，通過(guò)VISA組件與硬件平臺(tái)USB 2.0接口和RS-232接口通信，獲取數(shù)據(jù)并控制硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)振動(dòng)波形分析、頻域分析和軸心軌跡分析。系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與發(fā)布，并能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)SD卡及數(shù)據(jù)庫(kù)中。測(cè)試及分析結(jié)果顯示，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞： 發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)測(cè)試；FPGA；LabVIEW

　　發(fā)電機(jī)組作為電力系統(tǒng)中的電源，其運(yùn)行狀況直接影響到電網(wǎng)用電的安全性、穩(wěn)定性和質(zhì)量。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是電廠中的核心設(shè)備。由于設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行等多方面原因，機(jī)組不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)超限時(shí)，會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，過(guò)大的振動(dòng)，甚至?xí)l(fā)災(zāi)難性的毀機(jī)事故。

　　振動(dòng)是一柄雙刃劍，雖然對(duì)機(jī)組運(yùn)行不利，但振動(dòng)信號(hào)中也包含豐富的信息，通過(guò)這些信息可以對(duì)振動(dòng)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行診斷，做到防患于未然。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)分析是機(jī)組故障診斷的重要方法。機(jī)組轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的幅度，反映了故障的嚴(yán)重程度；不同的故障引起的振動(dòng)信號(hào)一般包含不同頻率的分量，通過(guò)對(duì)頻譜圖的分析，可以推斷故障原因；對(duì)于頻譜類似的故障，可以參考軸心軌跡圖對(duì)故障進(jìn)行甄別。因此，在機(jī)組運(yùn)行和維修時(shí)，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)軸振動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析，對(duì)于有效延遲機(jī)組壽命和提高用電質(zhì)量有著非常重要的意義[1-2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

　　本設(shè)計(jì)參考GB11348.2《陸地大型發(fā)電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，使用雙電渦流傳感器對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)軸振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~20 mA電流信號(hào)；電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送至AD9280進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；核心控制單元FPGA獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器濾波；CY7C68013和MAX232提供USB 2.0接口和RS-232接口，硬件平臺(tái)通過(guò)USB和串口分別與上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令交換；LabVIEW可對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示、頻譜分析、繪制軸心軌跡，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要部分

　　2.1 硬件平臺(tái)核心控制器

　　本設(shè)計(jì)采用Altera公司的CycloneⅡ系列高性價(jià)比FPGA芯片EP2C5Q208C8N作為控制核心。該芯片采用208引腳的PQFP封裝，用戶定義I/O數(shù)為148，完全能夠滿足系統(tǒng)需要。同DSP相比，F(xiàn)PGA具有并行的特性，能夠?qū)崟r(shí)完成多項(xiàng)工作，適于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用。使用5 V電壓輸入，在硬件設(shè)計(jì)中分別使用電源管理芯片LM1805、LP38500、MAX1681等及外圍電路提供3.3 V、1.2 V和±5 V的電壓。

　　2.2 電渦流變送器安裝

　　選用HZ-899電渦流變送器，由外接24 V電源供電，10 Hz~5 kHz頻響范圍，最大可靠傳輸距離為300 m，直接輸出4 mA~20 mA信號(hào)。使用雙HZ-899互相垂直安裝，可繪制軸心軌跡。在典型300 MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組上，傳感器安裝位置如圖2所示。

　　2.3 溫度補(bǔ)償模塊

　　電渦流傳感器內(nèi)部敏感軟件受溫度影響，會(huì)產(chǎn)生近似線性的漂移。與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃相比，HZ-899電渦流變送器在溫度變化5℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生約1％正向偏差。設(shè)計(jì)中使用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)取待測(cè)點(diǎn)溫度。FPGA對(duì)DS18B20發(fā)送控制命令，讀取12位串行數(shù)字量，與20℃進(jìn)行比較，并作如下運(yùn)算：

　　其中，D為補(bǔ)償后的振幅，AD為AD9280獲取的幅值，T為溫度傳感器獲取的實(shí)時(shí)溫度。

　　2.4 信號(hào)調(diào)理電路

　　選用MAX396模擬開關(guān)芯片，提供16路模擬輸入通道，F(xiàn)PGA采用單A/D輪詢策略。MAX396具有約200 Ω的通道電阻，因此需要將4 mA~20 mA的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)250 Ω的電阻分壓成1 V~5 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器增大輸入阻抗，進(jìn)入模擬開關(guān)。在模擬開關(guān)的輸出端，使用運(yùn)放AD8065與電阻網(wǎng)絡(luò)搭建減法電路，使輸入信號(hào)與參考電壓Vref相減，得到式（2），將電壓轉(zhuǎn)換為0 V~2 V。

　　其中，UAD為輸入到AD9280的電壓，UIN為MAX396輸出電壓，Vref為AD9280輸出的參考電壓。

　　2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　選用ADI公司高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9280，該芯片具有8位分辨率，單路可對(duì)0~10 MHz的信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定采集[3]。本設(shè)計(jì)將AD9280配置為頂?shù)啄Ｊ?，采樣時(shí)鐘由FPGA中鎖相環(huán)提供，如圖3所示。

　　2.6 USB接口電路

　　CY7C68013集成了USB 2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器，為系統(tǒng)提供USB2.0接口，最大穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)30 Mb/s。本設(shè)計(jì)中，編寫CY7C68013固件程序，對(duì)寄存器進(jìn)行配置，使芯片工作在異步SlaveFIFO寫入狀態(tài)，設(shè)置FIFOADR[1：0]使端點(diǎn)6為4倍緩沖輸入端點(diǎn)，芯片與FPGA連接電路如圖4所示[4]。

　　FPGA控制CY7C68013工作時(shí)序如下：當(dāng)有寫事件發(fā)生時(shí)，使FIFOADR[1：0]指向端點(diǎn)6；如果FIFO滿，則等待，否則驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)使SLWR先低后高，使FIFO寫指針遞增，成功寫入數(shù)據(jù)后再重復(fù)以上步驟。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 控制命令傳輸程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)通過(guò)RS-232發(fā)送控制命令。FPGA接收到上位機(jī)不同的命令代碼，識(shí)別后開啟或關(guān)閉相應(yīng)的功能，如采集通道開關(guān)、SD卡存儲(chǔ)與讀取等。數(shù)據(jù)庫(kù)和Web發(fā)布功能則由LabVIEW直接完成。

　　3.2 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

　　對(duì)于A/D采集的數(shù)據(jù)，必須通過(guò)數(shù)字濾波器濾除傳輸過(guò)程中的高頻干擾。系統(tǒng)中每路振動(dòng)信號(hào)頻率在1 kHz以內(nèi)，每路信號(hào)采樣率為10 kHz。基于此，提出FIR數(shù)字濾波器的指標(biāo)如下：采用通帶邊界頻率Ωp=0.2 π，阻帶邊界頻率Ωs=0.4 π，阻帶最大衰減50 dB。凱塞窗可以通過(guò)改變參數(shù)β值來(lái)折中選擇主瓣寬度和旁瓣衰減，適應(yīng)能力強(qiáng)且比較靈活，能滿足阻帶衰減的要求[5]。根據(jù)式（3）和（4）以及濾波器性能指標(biāo)，可計(jì)算出凱塞窗FIR濾波器的節(jié)數(shù)N為30，形狀參數(shù)β為4.55。其中，δ2為阻帶衰減分貝數(shù)，Δω為過(guò)渡帶寬。

　　利用MATLAB中FDA Tool工具，設(shè)計(jì)凱塞窗FIR濾波器，輸入各參數(shù)，導(dǎo)出濾波器的系數(shù)表。Quartus II中提供了FIR濾波器的IP核，利用FIR Compiler工具，可以大大減小在FPGA中寫入FIR濾波器算法的難度。將MATLAB導(dǎo)出的濾波器系數(shù)表導(dǎo)入到FIR Compiler中，則可以生成濾波器模塊，其幅頻特性如圖5所示，同設(shè)計(jì)要求相符。

　　3.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換的速率同USB傳輸?shù)乃俾什黄ヅ?，本設(shè)計(jì)在FPGA中寫入FIFO模塊。當(dāng)FIFO處于“empty”狀態(tài)時(shí)，向其寫入A/D采集的數(shù)據(jù)。A/D采集的數(shù)據(jù)是8 bit，將其拓展為16 bit，其中高8 bit為通道地址，低8 bit為實(shí)際數(shù)據(jù)[6]。上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)高8 bit進(jìn)行分離，即可識(shí)別通道號(hào)。當(dāng)FIFO處于“full”狀態(tài)時(shí)，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。FIFO深度設(shè)置為4 096 B，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為2 048。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖6所示。

　　3.4 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)使用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)程序。在LabVIEW程序中使用Driver Wizard寫入CY7C68013的驅(qū)動(dòng)，調(diào)用VISA組件，對(duì)USB接口進(jìn)行配置[7]。配置程序框圖如圖7所示。

　　讀取USB接口16 bit數(shù)據(jù)，分離得到通道信息和數(shù)據(jù)信息。LabVIEW調(diào)用波形圖表模塊，對(duì)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；使用XY圖模塊繪制軸心軌跡；使用FFT函數(shù)，得到振動(dòng)信號(hào)頻譜。設(shè)置FFT點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn)，采樣率為10 kHz，得到頻譜分辨率為5 Hz。LabVIEW設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面如圖8所示。

　　本地振動(dòng)數(shù)據(jù)往往需要專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，本設(shè)計(jì)使用LabVIEW的DateSocket技術(shù)和Web發(fā)布工具，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)視。機(jī)組振動(dòng)的惡化大都有一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期定時(shí)記錄和故障記錄，本設(shè)計(jì)中使用LabVIEW與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)連接，程序和上位機(jī)界面分別如圖9和圖10所示。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論

　　機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)多以50 Hz的倍數(shù)頻率為主。最頻繁的轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障中，以二倍頻為主。因此在實(shí)驗(yàn)室條件下使用數(shù)據(jù)采集卡，產(chǎn)生50 Hz信號(hào)為主，具有2次諧波、3次諧波、5次諧波、7次諧波的信號(hào)，并附加高斯噪聲。使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析。LabVIEW得到濾波后的波形如圖11所示，頻譜圖如圖12所示。

　　實(shí)驗(yàn)顯示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地濾除了信號(hào)中噪聲，對(duì)信號(hào)的幅值和頻譜進(jìn)行了分析，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的其他功能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地對(duì)16路振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析、存儲(chǔ)及變換，能夠識(shí)別故障信號(hào)并報(bào)警，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好穩(wěn)定且具有很強(qiáng)的拓展性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 朱靜波.汽輪機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量與分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010（4）：7-8.

　　[2] 李錄平，鄒新元.汽輪發(fā)電機(jī)組碰磨故障的典型特征研究[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，2001，21（4）：281-285.

　　[3] 李寧，汪駿發(fā).基于Camera Link的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].紅外，2005（7）：31-37.

　　[4] 黃志宇，唐樂(lè).基于FPGA和BMS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].電源技術(shù)，2013，37（1）：107-110.

　　[5] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

　　[6] 魯力，張波.嵌入式TCP/IP協(xié)議的高速電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（2）：405-409.