基于虛擬儀器的水電機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：介紹了基于虛擬儀器的在線振動監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成、實現(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，把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊集成在一臺計算機中，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)實現(xiàn)了水電機組振動信號的自動采集，并能通過計算機進行振動信號的處理和分析。

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，大型機組的投產(chǎn)，各種容量的機組數(shù)量不斷增多。如何保證水電機組運行穩(wěn)定是人們普通關(guān)心的重要問題。而現(xiàn)階段我國水電機組的檢修一般實行計劃檢修制度，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(tǒng)的預期維修體制已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代維修、運行、管理的要求。水電機組設備龐大、結(jié)構(gòu)復雜、故障的誘因繁多，雖有一些故障不一定以振動形式表現(xiàn)出來，但統(tǒng)計資源表明，水電機組約有80%的故障或事故在振動信號中有所反映[1]，例如水電機組下機架的振動參數(shù)表示在轉(zhuǎn)動部門的平衡情況，其振動的極頻分量說明發(fā)電機電磁振動情況等。因此，振動監(jiān)測是目前應用最為普通和有效的方法[2]，通過對這些振動信號的分析，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、決策具有重要的實際意義[3]。

水電機組的振動監(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，有時盡管資金投入很大，但仍很難滿足任務的不斷變化所產(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計者的新時代。虛擬儀器就是通過軟件平臺構(gòu)造與真實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，它只是在其中實現(xiàn)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(jié)果顯示，實現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念。虛擬儀器用計算機軟件代替?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和功能擴展也只需進行相關(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)具有開發(fā)周期短、成本低、維護方便、靈活、功能強大、用戶可自行定義等特點[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計算機控制PXI模塊、MXI-3光纖通信模塊、DFE-530TXI網(wǎng)絡適配卡等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    1.1 振動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(zhuǎn)速較低，尤其是水力因素引起的振動頻率更低。水電機組振動信號屬低頻信號。由于振動傳感器現(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會增加測量的誤差，因此需選擇可靠性高、抗干擾能力強、精神度高及性能穩(wěn)定的振傳感器。為了避免因振動傳感器安裝造成附加誤差使測量值失真，振動傳感器應合理安裝。本系統(tǒng)在測量軸擺度時，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。將電渦流傳感器安排在軸承殼體上，衽相對測量，測點位置可選在上導、下導、水導和推力等處，并各安裝兩個互為90°的電渦流傳感器。在測量機架和項蓋等振動時，選擇地震式傳感器。它測量基座所連接物體的絕對振動，具有抗振和高穩(wěn)定性的特點。地震式傳感器可直接固定在機殼上，安裝應盡量靠近轉(zhuǎn)軸，并盡可能避開母線出線等電磁場較強的位置，測點可選取在上、下機架和推力機架等處，各安裝兩個地震式傳感器，分別對相架水平方向和垂直方向的振動進行監(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點。此外，為便于分析振動與壓力、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(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實質(zhì)上是通過計算機對傳統(tǒng)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，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)功能的基礎上，增加了系統(tǒng)參考時鐘與觸發(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)自動化測控系統(tǒng)?；赑XI總線規(guī)范構(gòu)建的系統(tǒng)將PC機的性介比優(yōu)勢和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展結(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、價格低、易于組建便攜式自動測試系統(tǒng)等特點。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集通過現(xiàn)場傳感器將各個測量點的信號經(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位計數(shù)/定位器）進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡PXI-6052E上的位計數(shù)/定時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、電容組成一個濾波表路，消除由于噪聲和振動等造成的干擾。

    1.3 計算機控制模塊

本系統(tǒng)采用了NI公司的組合式機箱PXI-1010（8個PXI/Comact PCI和4個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)不僅可以進行PXI/Compact PCI機箱之間的連接，而且可通過主控計算機直接控制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132Mbps的MXI-3光纖通信模塊傳送到現(xiàn)場計算機。MXI-3包含了一塊插在現(xiàn)場計算機中的PCI MXI-3板卡和插在PXI-1010機箱控制槽內(nèi)的PXI MXI-3模塊，兩板卡通過光纜相連，實現(xiàn)PXI-1010機箱內(nèi)的各模塊與現(xiàn)場計算機的通信。MXI-3技術(shù)可實現(xiàn)200m距離內(nèi)信號傳輸，解決了現(xiàn)場計算機與數(shù)據(jù)采集模塊之間信號遠距離傳輸?shù)膯栴}。現(xiàn)場計算機通過DFE-530TXI網(wǎng)絡適配卡與網(wǎng)絡遠程監(jiān)控終端相連，實現(xiàn)遠程監(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)學函數(shù)到高級分析庫（包括信號處理、函數(shù)、濾波器設計、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、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，可以實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的軟件化，設計出符合技術(shù)要求的振動監(jiān)測系統(tǒng)。本振動監(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)動程序。另外LabVIEW的附帶網(wǎng)絡工具套件，方便了遠程監(jiān)測的設計。

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、定時器等），它相當于實際儀器的操作面板。設計時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(diào)整。前面板的合理設計有助于振動監(jiān)測系統(tǒng)功能的實現(xiàn)并方便操作。因此前面板應設置多段開關(guān)以實現(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輸出，前面板還應有控制窗口和開關(guān)，以實現(xiàn)對振動監(jiān)測系統(tǒng)的操作。流程圖則是程序的圖形化源代碼。設計時從函數(shù)庫中選取所需要的函數(shù)圖標，并按照數(shù)據(jù)在程序中傳遞的順序把它們和控件圖標的位置統(tǒng)一編排好，再用連線工具將圖標連起來。系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，其系統(tǒng)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升級[5]。

2.1 “譜泄漏”現(xiàn)象的消除

在運用傅立葉運算對采樣信號進行變換的過程中，會引起“譜泄漏”現(xiàn)象。為了消除“譜泄漏”現(xiàn)象，提高譜分析精度，在傅立葉變換時實現(xiàn)整周期截斷，對振動信號實行整周期采樣。整周期采樣是指系統(tǒng)的采樣頻率動態(tài)地跟蹤信號頻率的變化，以確保在采樣點數(shù)不變的情況下，采樣周期均勻，所采信號周期完整。實現(xiàn)整周期采樣的關(guān)鍵是如何將一個完整的周期信號均勻地分成K等分進行采樣，其中K為一個采樣周期內(nèi)的采樣點數(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采樣周期。本系統(tǒng)中通過軟件計算機出采樣時間間隔來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，對某一個信號選擇一個合適的窗函數(shù)。窗函數(shù)越寬，抑制雜波能力越強；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，對采集的水電機組信號進行處理和分析，主要包括非線性變換、數(shù)字濾波、時域分析、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，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現(xiàn)信號的非線性變換。

（2） 數(shù)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(shù)對現(xiàn)場采集的信號進行快速傅立葉變換，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為0，然后在運用ReInvFFT（）函數(shù)進行傅立葉反變換，求出濾波后的時域數(shù)據(jù)。

（3） 時域分析：主要是時域波形顯示（包括實時數(shù)據(jù)隨時間變化圖及局部放大及縮小）、波形特征值的計算（包括計算振動/擺度的峰峰值的均值、方差等）、相位分析（包括測點信號的相位隨時間變化及不同測點之間的相位差）及其相關(guān)分析（通過兩個量之間相關(guān)變化找出自變量如水頭和開度等對震動/擺度的影響）等。

（4） 頻域分析：將整周期采集的信號進行快速傅立葉變換，得到振動信號的頻譜。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信號中出現(xiàn)的奇異點有時難以準確識別，而這種奇異點的出現(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組振動信號分析的有具工具。應用小波分析技術(shù)對振動信號進行“細化和放大”，使振動信號更加清晰，以便于捕捉振動信號變化的特征點，尤其是對突變信號的處理優(yōu)勢明顯。

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

2.3 數(shù)據(jù)庫的設計

數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2000，利用LabVIEW 6i開發(fā)平臺內(nèi)帶的SQL Tooikit工具包與數(shù)據(jù)庫進行聯(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)庫分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種。實時數(shù)據(jù)主要是有機組配置及數(shù)據(jù)采集參數(shù)、各振動和擺度原始波形、各振動和擺度頻譜數(shù)據(jù)、各振動和擺度特征數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)主要有：機組正常運轉(zhuǎn)的歷史數(shù)據(jù)，按年、月、日等進行分檔壓縮存儲；機組出現(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)平臺上開發(fā)的基于PXI平臺的水電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)集振動測試、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組在各種過程中的振動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、振動數(shù)據(jù)庫等，以便對水電機組的振動情況分析和故障診斷。該系統(tǒng)已安裝在多臺水電機組上。運行結(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展，具有很高的性價比，監(jiān)控過程可實現(xiàn)無人值守，通過聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。因此基于虛擬儀器的水電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)具有十分廣闊的應用前景。