基于虛擬儀器的水電機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：介紹了基于虛擬儀器的在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成、實(shí)現(xiàn)方法和功能，采用PXI總線儀器和LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，用戶可以通過修改虛擬儀器的軟件改變其功能與規(guī)模。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水電機(jī)組振動(dòng)信號的自動(dòng)采集，并能通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行振動(dòng)信號的處理和分析。

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，大型機(jī)組的投產(chǎn)，各種容量的機(jī)組數(shù)量不斷增多。如何保證水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定是人們普通關(guān)心的重要問題。而現(xiàn)階段我國水電機(jī)組的檢修一般實(shí)行計(jì)劃檢修制度，不管設(shè)備狀態(tài)如何，到期必修，由此造成大量的資源浪費(fèi)。這種傳統(tǒng)的預(yù)期維修體制已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代維修、運(yùn)行、管理的要求。水電機(jī)組設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(xiàn)出來，但統(tǒng)計(jì)資源表明，水電機(jī)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(jī)組下機(jī)架的振動(dòng)參數(shù)表示在轉(zhuǎn)動(dòng)部門的平衡情況，其振動(dòng)的極頻分量說明發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)情況等。因此，振動(dòng)監(jiān)測是目前應(yīng)用最為普通和有效的方法[2]，通過對這些振動(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(jī)組的安全生活、決策具有重要的實(shí)際意義[3]。

水電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測可由傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。系統(tǒng)功能是由廠家事先定義且固定不可變更功能的傳統(tǒng)儀器完成。由于傳統(tǒng)儀器聽功能缺乏靈活性，有時(shí)盡管資金投入很大，但仍很難滿足任務(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，它開創(chuàng)了儀器使用者可以成為儀器設(shè)計(jì)者的新時(shí)代。虛擬儀器就是通過軟件平臺(tái)構(gòu)造與真實(shí)儀器物理面板相類似的虛擬面板，硬件不再是系統(tǒng)的主體，它只是在其中實(shí)現(xiàn)信號的輸入輸出，而由功能強(qiáng)大的軟件完成信號的采集、分析處理和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念。虛擬儀器用計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件功能，用戶可以根據(jù)需要定義儀器的功能，虛擬儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展也只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需要增添新的儀器。因此，虛擬儀器技術(shù)具有開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便、靈活、功能強(qiáng)大、用戶可自行定義等特點(diǎn)[4]。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件由傳感器、SCB-68接線端子盒、PXI-1010組合機(jī)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(shù)據(jù)采集卡、PXI-PCI833X計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 振動(dòng)傳感器的選擇及安裝

水電機(jī)組與火電機(jī)組相比，水電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速較低，尤其是水力因素引起的振動(dòng)頻率更低。水電機(jī)組振動(dòng)信號屬低頻信號。由于振動(dòng)傳感器現(xiàn)場環(huán)境惡劣、電磁干擾大、溫度變化大，且傳感器支架本身長期顫動(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(qiáng)、精神度高及性能穩(wěn)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(yīng)合理安裝。本系統(tǒng)在測量軸擺度時(shí)，選擇電渦流傳感器，它利用電渦流效應(yīng)測量位置，具有非接觸測量、抗干擾能力強(qiáng)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(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)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(jī)架和項(xiàng)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(wěn)定性的特點(diǎn)。地震式傳感器可直接固定在機(jī)殼上，安裝應(yīng)盡量靠近轉(zhuǎn)軸，并盡可能避開母線出線等電磁場較強(qiáng)的位置，測點(diǎn)可選取在上、下機(jī)架和推力機(jī)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(jiān)測。系統(tǒng)中采用光電式接近開關(guān)獲取鍵相信號，確定整周期采樣的基準(zhǔn)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(yīng)安裝有功功率、壓力、上、下游水位相應(yīng)的傳感器。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，有基于多種PC機(jī)總線的PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡，也有基于VXI總線的各種數(shù)據(jù)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)上是通過計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展與延伸；PC-DAQ直接利用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，沒有儀器所需要的總線性能；而一次構(gòu)建VXI系統(tǒng)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放性和模擬化儀器總線規(guī)范，它將Compact PCI的集成式觸發(fā)功能與Windows操作系統(tǒng)結(jié)合在一起。在保留PCI總線與Compact PCI模塊結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘與觸發(fā)器總線等，加之熟悉的Windows環(huán)境，使得PXI系統(tǒng)更適合構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化測控系統(tǒng)?；赑XI總線規(guī)范構(gòu)建的系統(tǒng)將PC機(jī)的性介比優(yōu)勢和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展結(jié)合起來，成為一種新型的虛擬儀器系統(tǒng)。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，還具有開發(fā)周期短、價(jià)格低、易于組建便攜式自動(dòng)測試系統(tǒng)等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集通過現(xiàn)場傳感器將各個(gè)測量點(diǎn)的信號經(jīng)過SCB-68接線端子盒將信號送到信號調(diào)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(diào)理；最后將經(jīng)過信號調(diào)理的信號送到數(shù)據(jù)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(shù)字I/O線、2路24位計(jì)數(shù)/定位器）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡PXI-6052E上的位計(jì)數(shù)/定時(shí)器的抗干擾能力不強(qiáng)，為了彌補(bǔ)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(jì)算機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)采用了NI公司的組合式機(jī)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總線之間的連接技術(shù)，它采用標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展方式。MXI-3技術(shù)不僅可以進(jìn)行PXI/Compact PCI機(jī)箱之間的連接，而且可通過主控計(jì)算機(jī)直接控制PXI系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中將PXI-6052E數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過PXI-PCI833X模擬和傳輸速率高達(dá)132Mbps的MXI-3光纖通信模塊傳送到現(xiàn)場計(jì)算機(jī)。MXI-3包含了一塊插在現(xiàn)場計(jì)算機(jī)中的PCI MXI-3板卡和插在PXI-1010機(jī)箱控制槽內(nèi)的PXI MXI-3模塊，兩板卡通過光纜相連，實(shí)現(xiàn)PXI-1010機(jī)箱內(nèi)的各模塊與現(xiàn)場計(jì)算機(jī)的通信。MXI-3技術(shù)可實(shí)現(xiàn)200m距離內(nèi)信號傳輸，解決了現(xiàn)場計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊之間信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}?，F(xiàn)場計(jì)算機(jī)通過DFE-530TXI網(wǎng)絡(luò)適配卡與網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)選擇NI公司的LabVIEW 6i作為開發(fā)工具，它采用圖形化編程方案，也稱為G語言。LabVIEW提供了豐富的函數(shù)及子程序庫，從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)到高級分析庫（包括信號處理、函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、傅立葉變換、小波分析等），通過這些函數(shù)及子程序庫，可以實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的軟件化，設(shè)計(jì)出符合技術(shù)要求的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。本振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司的產(chǎn)品，可以使用LabVIEW提供的大量數(shù)據(jù)采集子程序，無需為數(shù)據(jù)采集卡編制驅(qū)動(dòng)程序。另外LabVIEW的附帶網(wǎng)絡(luò)工具套件，方便了遠(yuǎn)程監(jiān)測的設(shè)計(jì)。

LabVIEW開發(fā)環(huán)境由前面板和流程圖兩部分組成。前面板是人機(jī)交互的圖形用戶接口，集成了多種常用的控制對象（如開關(guān)、按鈕、示波器、指示器、定時(shí)器等），它相當(dāng)于實(shí)際儀器的操作面板。設(shè)計(jì)時(shí)只需從控件庫中選取所需的控件，并為它們設(shè)計(jì)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(diào)整。前面板的合理設(shè)計(jì)有助于振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)并方便操作。因此前面板應(yīng)設(shè)置多段開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，前面板主要部門是顯示圖形和數(shù)據(jù)，可采用多窗口完成不同信號的同時(shí)輸出，前面板還應(yīng)有控制窗口和開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的操作。流程圖則是程序的圖形化源代碼。設(shè)計(jì)時(shí)從函數(shù)庫中選取所需要的函數(shù)圖標(biāo)，并按照數(shù)據(jù)在程序中傳遞的順序把它們和控件圖標(biāo)的位置統(tǒng)一編排好，再用連線工具將圖標(biāo)連起來。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。采用模塊化設(shè)計(jì)有助于軟件的設(shè)計(jì)和日后改進(jìn)升級[5]。

2.1 “譜泄漏”現(xiàn)象的消除

在運(yùn)用傅立葉運(yùn)算對采樣信號進(jìn)行變換的過程中，會(huì)引起“譜泄漏”現(xiàn)象。為了消除“譜泄漏”現(xiàn)象，提高譜分析精度，在傅立葉變換時(shí)實(shí)現(xiàn)整周期截?cái)?，對振?dòng)信號實(shí)行整周期采樣。整周期采樣是指系統(tǒng)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(shù)不變的情況下，采樣周期均勻，所采信號周期完整。實(shí)現(xiàn)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(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。信號周期可以通過鏈相信號測得，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(tǒng)中通過軟件計(jì)算機(jī)出采樣時(shí)間間隔來達(dá)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(shù)。窗函數(shù)越寬，抑制雜波能力越強(qiáng)；窗函數(shù)越窄，分辨率越高。

2.2 信號處理和分析

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

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

（2） 數(shù)字濾波：為了彌補(bǔ)硬件濾波器的不足，提高設(shè)備的可靠性，采用諧波去除法作為軟件濾的方法。運(yùn)用ReFFT（）函數(shù)對現(xiàn)場采集的信號進(jìn)行快速傅立葉變換，在生成的幅值頻譜中將事先規(guī)定的截止頻率以上的頻率成分設(shè)為0，然后在運(yùn)用ReInvFFT（）函數(shù)進(jìn)行傅立葉反變換，求出濾波后的時(shí)域數(shù)據(jù)。

（3） 時(shí)域分析：主要是時(shí)域波形顯示（包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化圖及局部放大及縮?。?、波形特征值的計(jì)算（包括計(jì)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（通過兩個(gè)量之間相關(guān)變化找出自變量如水頭和開度等對震動(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(jì)算和顯示等。

（5） 小波分析：傅立葉變換對水電機(jī)組振動(dòng)信號中出現(xiàn)的奇異點(diǎn)有時(shí)難以準(zhǔn)確識(shí)別，而這種奇異點(diǎn)的出現(xiàn)，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(jī)組振動(dòng)信號分析的有具工具。應(yīng)用小波分析技術(shù)對振動(dòng)信號進(jìn)行“細(xì)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、動(dòng)/靜態(tài)諧波軸心軌跡曲線。

2.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2000，利用LabVIEW 6i開發(fā)平臺(tái)內(nèi)帶的SQL Tooikit工具包與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)系，通過SQL Toolkit可以訪問大多數(shù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如Oracle、Informix、Sybase、MS SQL Server等），用SQL語句可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改和增刪等操作[6]。數(shù)據(jù)庫分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要是有機(jī)組配置及數(shù)據(jù)采集參數(shù)、各振動(dòng)和擺度原始波形、各振動(dòng)和擺度頻譜數(shù)據(jù)、各振動(dòng)和擺度特征數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)主要有：機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的歷史數(shù)據(jù)，按年、月、日等進(jìn)行分檔壓縮存儲(chǔ)；機(jī)組出現(xiàn)異常情況的歷史數(shù)據(jù)，用于事故追憶。

通過在LabVIEW，系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)的基于PXI平臺(tái)的水電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)集振動(dòng)測試、數(shù)據(jù)采集、處理和分析為一體，能迅速而有鏟地把水電機(jī)組在各種過程中的振動(dòng)情況整理成資源和圖形，如波特圖、極坐標(biāo)圖、波形圖、軌跡圖、三維譜圖、軸中心位置圖、振動(dòng)數(shù)據(jù)庫等，以便對水電機(jī)組的振動(dòng)情況分析和故障診斷。該系統(tǒng)已安裝在多臺(tái)水電機(jī)組上。運(yùn)行結(jié)果表明，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，虛擬儀器方案不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)成靈活，且功能豐富，通過修改軟件功能易于擴(kuò)展，具有很高的性價(jià)比，監(jiān)控過程可實(shí)現(xiàn)無人值守，通過聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此基于虛擬儀器的水電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。