（信号与信息处理专业论文）基于profibus和工业以太网旋转机械振动监测系统的研制.pdf

摘要 基于p r o f i b u s 和工业以太网旋转机械振动监测系统的研制 硕士研究生王选钢学号0 6 0 5 8 2导师邹采荣教授 东南大学信息科学与工程学院 本文针对现有系统的缺点和未来的发展趋势，设计了一套新的集嵌入式技术和网络技术于一体 的旋转机械振动监测系统。系统处理器采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，能够在一个很小的模块内实时完成多路 信息的分析。同时，p r o f i b u s 和工业以太网的采用使众多监测模块组成网络。实现整个监测系统的 数字化。 本文所设计的系统采用高性能处理器和专用通信芯片，能对八个测量点同步监测，结合机械振 动的特点采用整周期采样技术，大大提高了数据分析的精度。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要完成信号频谱分析 的功能，同时控制整个检测模块。通信模块采用集成芯片s p c 3 和r t l 8 0 1 9 a s ，分别完成p r o f i b u s 和t 业以太网数据传输功能。t i d s 3 2 0 f 2 8 1 2 在完成所有通道f f t 变换后，将结果传输到通信芯片， 最终通过网络传到控制中心，数据分析和传输的时间低于数据采集的时间。同时，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 也 能接收远程命令，完成相应功能。 论文首先介绍了旋转机械振动监测的发展和课题背景，然后给出整个系统的设计方案，包括硬 件和软件部分。后面章节详细论述了各个部分的实现，包括模拟信号调理、数据分析与传输，并包 括电路图和程序的关键部分。论文最后进行了总结，并指出改进方向。 旋转机械振动监测系统采用d s p 、p r o f i b u s 和t 业以太网技术，具有模块化、小型化、网络化 等优点，因而有很大的经济效益，能j 泛应用剑电力系统、彳i 化、冶金等相关行业中。 关键词：机械振动；工业以太网：p r o f i b u s ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o fr o t a t i n gm a c h i n e r yv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o np r o f i b u sa n de t h e r n e t c a n d i d a t e ：w a n gx u a n g a u g , s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz o uc a i r o n g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a 1 1 蝣n e ws y s t e mm o n i t o r i n gr o t a t i n gm a c h a n i c a lv i b r a t i o ni sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g s h o r t c o m i n g sa n df u t u r et r e n d s ，i i i t e g r a 硒ge m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y w 池 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h es y s t e mc a na n a l y z ed a t ao fs e v a _ a lc h a n n e l si nas i n a i lm o d u l ei nm a l 砸m e p r o f i b u s a n de t h e m e ta l ea d o p t e d ，a n da l lm o n i t o r i n gm o d u l e sf o r man e t w o r k ，w h i c hd i g i t i z e st h ee n t i r em o n i t o r i n g s y s t e m w i t ht h eh i g h - p e r f o r m a n c ep r o c e s s o ra n ds p e c i a lc o m m u n i c a t i o nc h i p s t h es y s t e mc a nm o n i t o re i g h t c h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l y t a k i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n gm a c h i n e r yi n t oa c c o u n t ，t h es a m p l i n gt i m e i ne a c hp e r i o di s i n t e g e r , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ea c c u r a c yo fa n a l y s e s t m s 3 2 0 f 2 8 12m a i n l y c a l c u l a t e st h es p e c t r u ma n dc o n t r o l st h ew h o l es y s t e m ，s p c 3a n dr t l g o i9 a s , w h i c ha r es p e c i a l c o m m u n i c a t i o nc h i p s ，r e a l i z ep r o f i l m sa n de t h e r n e tr e s p e c t i v e l y w h e na l lo ft h en 可a r ef i n i s h e db y 田m s 3 2 0 f 2 8l2 r e s u l t sa 辩t r a n s m i t t e dt oc o n t r o lc e n t e rv i an e t w o r lt h et i m ef o ra n a l y s i sa n d t r a n s m i s s i o ni ss h o r t e rt h a nt h a tf o rs a m p l i n g 。t m s 3 2 0 f 2 812c a na l s or e c e i v eo r d e r s ，五n i s h 堍t h e l o n g - d i s t a n c ec o n t r 0 1 f i r s to f a l l ，t h ee v o l u t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r ya n dt h eb a c k g r o u n do f s u b j e c ta r e i n t r o d u c e d t h e nt h eb l u e p r i n to ft h ew h o l es y s t e mi sf i n i s h e d ，w i t he a c hp a r td i s c u s s e da tl e n g t h 远t h e n e x tc h a p t e r s i n c l u d i n ga n a l o gs i g n a lc o n d i t i o n i n g ，d a t aa n a l y s e sa n dd a t at r a n s m i s s i o n t h ec i r c u i t sa n d p i v o t a lp r o g r a m m e sa r ea l s og i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , i ts u m m a r i z e s t h ew o r k t h ef u t u r e i m p r o v e m e n t sa r ea l s op o i n t e do u t w i t l ld s p , p r o f i b u sa n de t h e m e t t h es y s t e mi sm o d u l a r i z e da n ds m a l l i tc a nb ea p p l i e dt ot h ep o w e r s y s t e m ，p e t r o c h e m i c a l ，m e t a l l u r g ya n do t h e rr e l a t e di n d u s t r i e s ，w h i c hw i l lg e n e r a t eg r e a te c o n o m i c b e n e f i 埝 k e y w o r d s ：m a c h a n i c a lv i b r a t i o n ，e t h e m e t ，p r o f i b u s ，t m s 3 2 0 f 2 812 n 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：至幽 日 期：塑垒终 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：玉盘铟导师签名：绍瑟 日期：谢丝 第一章绪论 1 1 旋转机械振动监测概述 第一章绪论 旋转机械是工业上应用最为广泛的机械，常见的大型旋转机械如离心泵、电动机、发动机、发 电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，还有石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备。随 着机械1 = 业的迅速发展，现代机械工程中的机械设各朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等 方向发展，出现了大量的关于强度、结构、振动、噪声、可靠性以及材料与工艺等的问题，设备损 坏事件时有发生。机器的振动总是伴随着机器的运转而存在的，即使是机器处于最佳的运行状态， 由于微小的缺陷，也将产生某些振动。 旋转机械的主要构成部件是转子、轴承、定子、机器壳体和联轴节，此外还有齿轮转动件、叶 轮叶片及密封等。由于这些部分的结构以及加工和安装方面的缺陷，使机械在运行时引起振动，过 大的振动常常是破坏机械的主要原因，所以旋转机械振动状态的测量、监视和分析非常重要。实施 状态监测的目的是判断机器的运行状态是否止常，一且出现异常可以报警或者停机跳闸。比如对于 电厂来说，必须保证发电设备连续可靠地运行，就需要对旋转机械进行2 4 小时连续监测，以保证设 备的安全稳定运行。在状态检测的基础上引入故障诊断技术，不仅可以对设备的状态做出评估，对 其中的隐含事故作到心中有数，而且还能对其形成和发展趋势做出正确的预测和预报因为振动参 数比起其它状态参数，例如润滑油或内部流体的温度、压力、流量或电机的电流等更能直接且快速 准确地反映机组运行状态，所以振动参数一股作为对机组状态进行诊断的主要依据。旋转设备的状 态监测技术将在j 二业生产中发挥越来越大的作用，具有特色并且实用的旋转机械振动状态监测系统， 无论是经济上还是技术上，都具有积极的现实意义。 在上个世纪六十年代，国外一些国家开始对旋转机械的故障特征、振动信号提取以及故障诊断 信号处理进行了研究，发展了一系列用于诊断旋转机械故障的技术和成果，如常用的冲击脉冲法、 波峰系数法、谱分析- n 另, j 法等。进入7 0 年代以米，国外旋转机械状态监测和故障诊断技术开始进入 实崩化阶段，获得了显著的经济效应。美国是最早从事汽轮机故障诊断研究的国家之一，在汽轮机 故障诊断研究的许多方面都处于世界领先水平。目前，美国从事汽轮机故障诊断技术开发与研究的 机构主要有e p r i 及部分电力公司。美国b e c h t e l 电力公司于1 9 8 7 年开发的火电站设备诊断用专家 系统( s c o p e ) 在进行分析时不只是根据控制参数的当前值，而且还考虑到它们随时间的变化，当它 们偏离标准值时还能对信号进行调节，给出消除故障的建议说明，提出可能临近损坏时间的推测。 欧洲也有不少公司和部门从事汽轮机故障诊断技术的研究与开发，法国电力部门从1 9 7 8 年起就在 透平发电机上安装离线振动监测系统，到九十年代初又提出了监测和诊断支援1 二作站的设想。另外 瑞士的a b b 公司、德国的西门子公司、丹麦的b & k 公司等都开发出了各自的诊断系统。 我国在旋转机械状态监测技术方面的研究起步较晚，但是发展迅速，大致经历了两个阶段。第 一阶段是从7 0 年代末到8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸取欧美等国家的先进技术，并对一些故 障机理和诊断方法展开研究；第二阶段是从8 0 年代初期到现在，全方位地开展了对机械设备的故障 诊断研究，引入人工智能等先迸技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。 从上个世纪八十年代开始，国内许多高校与研究机构开始对旋转机械的监测和诊断技术进行研究， 相继推出了旋转机械状态监测的产品，如清华人学研制的2 0 0 f f 汽轮机状态监测、分析与故障诊断 系统在发电机组中已经得到良好的应用。 东南人学硕七学位论文 1 2 课题的提出 东南大学是国内较早研究旋转机械振动监测技术的单位之一，目前已经推出了汽轮机状态监测 及振动故障诊断系统v a $ - 2 0 0 0 系列产品，已相继在仪征化纤5 0 肼机组、云南昆明华电3 0 0 删机组、 江i l i 丰城电厂( 6 0 0 胂) 等国内数十台机组使用。v a s - 2 0 0 0 系统投运以来运行稳定可靠，对机组故 障特征反应灵敏，对故障征兆的提取也比较成功。 东南大学火电机组振动国家工程中心的汽轮机状态监测及振动故障诊断系统已经取得了成功的 应用，但随着科技和旋转机械的发展，已逐渐不能满足用户的需求，本课题就是针对该系统的升级 研发项目。随着单元机组容量的增大，对机组安全稳定运行提出了更高的要求，而且对众多布局分 散的辅机的振动也要求实时监测和分析。这些新特点要求振动监测与故障诊断系统能够具有组态灵 活的监测模块，能采集分散的信号和并具有满足工业控制所需的高速通讯网络等要求。早期的 v a s 2 0 0 0 系统由于体积较大，模块组态不方便，单套系统采集量小和现场安装不方便等缺陷，已经 不能满足现场更复杂的技术所需。现在，芯片的处理速度和集成度越来越高，网络传输性能更加优 秀，这些不断涌现的技术为研发新一代紧凑且灵活高效的数据采集系统提供了条件，本系统就涉及 了当前流行的d s p 技术、现场总线技术和工业以太网技术等。 现场总线技术是使用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双 向、互连、多变量、多点、多站的串行通信技术，被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、 通信技术和控制技术的集成。现场总线技术已成为当今自动化领域发展的热点，世界上许多国家投 入人量的人力和物力开发该项技术，并获得了据大的成功。采用现场总线技术的机械振动监测系统 打破了传统控制系统的结构形式。传统控制系统采用一对一的物理连接，而现场总线控制系统是继 基地式仪表控制系统、电动气动单元组合仪表模拟控制系统、直接数字控制系统d d c 、集散控制系 统i ) c s 之后的新一代智能控制系统。它把单个分散的测量控制设备变成网络接点，以现场总线控制 网络为传输纽带，总线中的各个节点均置入了微控制器，伎它们具备了数字处理和数字通信的能力， 信息的传输不依赖丁控制室内的计算机或控制仪表。直接在现场中的各网络接点完成，实现了彻底 的分散，有力地推动机械振动监测系统向数字化、网络化、智能化方向发展。 为顺应上业控制的发展潮流，开发的新一代状态监测系统应该立足于现场总线，以基于现场总 线的旋转机械状态监测系统为切入点去开拓和替代老的系统，并在此基础上开发其它现场智能没备 ( 如温度、流量、压力、开关量等等) ，在新的技术背景条件下尽快取得突破和领先，将能够取得相 当大的市场空间。 工业以太网是同商用以太网兼容的，但为了满足工业现场的需要，工业以太网必须具有很高的 及时性、可互操作性、可靠性和抗干扰性等性能，因而在材质的选用和产品的强度等诸多方面与商 用以太网不同。工业以太网即将进入现场控制级，这代表了未来的发展方向。 计算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理系统等性能的巨大改迸，特别是宽带 网的发展，为高速数据的采集、传输和处理提供了基础。另一方面，随着i n t r a n e t i n t e r n e t 等信 息技术的飞速发展。要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放 的基础构架，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切，但目前的现场总线不能满足这些要求。 各种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在 协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，这促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。把t c p i p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入到现场智能仪器中，使信号的收发都以t c p i p 协议的方式进行， 这样监测诊断系统在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络( i n t r a n e t ) 为依托， 将鉴测诊断网和企业内部网及i n t e r n e t 互联，就可以实现监测诊断网和信息网的统一， 计算机网络技术戍用于状态监测系统，实现关键没备运行状态的集中管理、集中分析，必将极 大的提高设备维修人员的上作效率。目前- t 控领域的各大厂商纷纷研发出适合自己工控产品且兼容 性殛的j ：业以太网，其中应用最为广泛的一l ：业以太网之一是德国改门子公司研发豹p r o f i n e t 工业以 2 第一章绪论 太网。近几年来我国对发展现场总线与工业以太网技术也投入了较多的人力和物力并制定了国家 标准。 基于上述考虑，本系统在传输方式上同时选择了现场总线( p r o f i b u s d p ) 和工业以太网技术， 特别是p r o f i b u s d p 已经相当成熟，市场占有率非常高。以前的采集系统多采用单片机，其主频不 高，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。此次设计采用高性能的 d s p ( t 瞒3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为处理器。能快速完成复杂的数据分析功能，并提高数据的精度。d s p 采用 改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使片j 流水线结构，具有良好的并行特性，并具 有专门设计的适合数字信号处理的指令系统等。d s p 的这些特点使其对不允许延时的实时应用领域， 如工业控制、计算机驱动器等誓常理想。 1 3 研究内容和结构安排 本系统基于现有的旋转机械振动监测系统，通过解决产品存在的缺点，考虑用户的需求，并加 入新功能以适合未来的发展趋势，最终设计出新产品。现有的监测系统体积大，而且分散，功能少， 所以本文的研究重点是如何使系统的监测模块小型化、网络化，同时却拥有更强的功能。本文的研 究内容主要有以下几个方面： 1 ) 简述旋转机械振动监测的重要性和发展，分析现有系统的缺点，得出此次系统设计时应具 有的功能和技术指标。 2 )研究如何实现数据的整周期采集。由于旋转机械振动的频率成分主要集中在转动频率的倍 频上，所以整周期采样技术可以改善清漏，提高谱分析结果。 3 )实现阀值电平自动跟踪功能。把键相信号整形为时钟信号时，非常重要的一个环节就是比 较。以前比较的阀值要靠人来设定，这加重了工作人员的负担，所以本文分析了自动跟踪 阀值电平的方法，有助于提高设备自动化的程度。 4 )研究如何在d s p 内实现工业以太网技术。由于工业领域对数据传输要求更高的确定性、安 全性、可靠性，所以传统的商用以太网不能直接用于工业领域。本文针对系统的特点，重 点讨论了如何将商用以太网t 业化的途径。 5 )设计p r o f i b u s d p 从站。p r o f i b u s - d p 是一种应用广泛的现场总线技术，传输速率高，已 有很多电厂开始采用这种网络，所以本系统采用专用通信芯片s p c 3 设计了p r o f i b u s d p 从 站。 6 )增加系统的可用性与灵活性。系统设计了8 个通道，每4 个通道为一组。每个组都可以设 置为采集位移信息、速度信息或者是加速度信息，扩大了系统的使用范围。 本文是以先总体设计，然后详细解释各个部分，包括数据采集、数据分析、数据传输三个部分， 其中数据传输义分为两种方式，最后总结的顺序来安排的，全文由七章构成。 第一章：概述旋转机械振动监测的发展，提出课题的背景，最后综述本文的研究点和内容安排。 第二章：介绍旋转机械振动测茸的基础知识，在对主要元器件选型分析的基础上，介绍了旋转 机械状态监测系统设计思想和总体结构，包括硬件和软件两个方面。 第三章：根据传感器信号的特点，设计了模拟信号调节电路。该章包括三个部分，第一部分处 理位移、速度和加速度信号；第二部分调理键相信号，主要包括阀值电平自动跟踪电路和锁相环倍 频电路；第三部分是采集电路，该部分是模拟信号与数字信号的结合处。 第四章：本章主要完成i ) s p 系统设计和数据f f t 变换。d s p 系统设计包括存储器、时钟、电源 等。在分析数据时，首先叙述了f f t 变换的理论知识，然后介绍f f t 在b s p 内的具体实现，并附有 程序 第五章：介绍p r o f i b u s 相关知识，并采用s p c 3 设计从站本章包含设计p r o f i b u s 的关键电路 和程序流程图，并完成了从站的测试过程 3 东南人学硕上学位论文 第六章：本章分析在d s p 内实现：【业以太网功能。首先介绍1 = 业以太网特点，然后分析如何在 商用以太网的基础上实现适合本系统的程序，并提供了电路图和关键程序的文字说明。 第七章：本次设计的总结，包括本次设计的创新点以及后续改进方向。 4 第二章系统设计方案 2 1 振动测量技术 第二章系统设计方案 2 1 1 电涡流传感器与轴振动测量 电涡流传感器能对高速旋转机械进行非接触测量，与其它类型的位移传感器相比，具有测量范 围宽、抗干扰能力强、不受介质影响等优点，因此在汽轮发电机组、压缩机、离心机等大型旋转机 械的轴振动、轴位移测量及轴心轨迹的测量中得到广泛的应用。 电涡流的作用原理如图2 一l 所示，当线圈中有高频电流通过时，便产生高频电磁场。此交变磁 场通过附近的金属板，在金属板表层产生感应电流，即电涡流。根据楞次定律，电涡流也产生一个 交变磁场，其方向与线圈原磁场方向相反，这两个磁场相互叠加改变了线圈的阻抗。假定金属导体 是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈金属导体系统的物理性质通常可以由磁导率、电 导率仃、尺寸因子，及h 、激励电流强度，和频率国等参数来描述。所以，线圈的阻抗可用如下函 数来表示： z = f ( ，仃，h ，i , c o ) ( 2 1 ) 如果控制j 、矿、厂、i 、d 恒定不变，z 就成了距离h 的单值函数。 金属 图2 1 电涡流作用原理图 电涡流传感器由头部、壳体、固定电缆和接头等四个部分组成。传感器头部是感受被测信号的 部分，主要由一矩形截面的线圈机器骨架组成。将感应线圈接入振荡回路，在高频振荡输出端可以 获得与空隙有关的高频谐波，然后对该信号进行放大、检波、滤波后，便可得到一个与间隙成正比 的输出电压。设灵敏度为k ( v m ) ，则输出信号的幅值电压( 单峰) 有效值为： 矽：掣k 0 7 0 7 1 0 一：口x a 卜，( y ) ( 2 2 ) 其中口= k x 0 3 5 3 5 x 1 0 一，已知输入幅值电压矿，就可反推位移量： h=瓦2孑w一10a 1 0 3 ( u m k 7 0 7 ) ( 2 3 ) = 一。l t z j j 卜 xo 本特利3 3 0 0 令8 m m 传感器用由8 哪探头，量程为0 - - 1 0 0 0 u m ( p - p ) 该传感器的k = 7 8 7 v 脯，则 5 东南大学硕十学位论文 口= o 0 0 2 7 8 2 ，1 0 0 0 u m ( p - p ) 满量程时输出信号为2 7 8 1 v 。在模拟电路中，当频率为4 0 h z 时，调节 电路使1 0 0 0 u m ( p - p ) 的输出信号在调理后电压范围为一5 v + 5 v ，有效值为3 5 3 5 v 。 转子是旋转机械的核心部件，大多数振动故障都直接与转子运动有关，旋转机械能否正常工作 主要决定于转子能否正常运转。转子径向振动的振幅是衡量旋转机械情况最基本的指标之一，很多 机械故障，包括转子不平衡、不对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进行 探测。当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳上。一般情况下，油膜轴 承具有较大的轴承间隙，因此轴颈的相对振动比轴承座的振动有显著的差别。特别是当支撑系统( 轴 承座、箱体及基础等) 的刚度相对来说比较硬时( 或者说机械阻抗较大) ，轴振动可以比轴承座振动 大几倍到几十倍。因此从转子振动获取信息来监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取 信息更为直接和有效。所以，轴振的测量越来越重要，对机器故障的诊断是非常有用的，其测量示 意图如图2 2 。 2 1 2 速度传感器与瓦振测量 图2 - 2 轴振测量示意图 由丁大轴的振动可以传递剑轴承壳上，所以可以利用速度传感器测量机壳相对丁自由空间的运 动速度，然后设计电路把速度信号进行检波和积分变成位移信号。 速度传感器以振动速度为测量目标，适用于对壳体振动、轴绝对振动的等接触式测弩。常用的 速度传感器为磁电式传感器，测量对象相对于大地或惯性空间的绝对运动，所以义称为惯性式传感 器。 享中 7 if7 f l 、 m ，i ? 、v 一王 d 一 r 77 i，7 7 f ，、v il 耐一伊) 口s i n m t 图2 3 磁电式速度传感器模型 速度传感器包含一个惯性质量一、弹簧和阻尼器。当传感器置于被测体上时，它便随物体以 y = a s i n o t 的规律上下振动，内部质量块鹰的运动规律为工= b s i n ( 科一鳓当被测物体的频率远 6 第二章系统设计方案 高于传感器的同有频率时，质量块与振动体之问的相对运动就接近于振动物体的绝对运动，即b a 趋向于l 。根据电磁感应的原理，线圈上产生了与相对运动速度d x d t 成正比的电动势e ，即： d r e = m 说二s i i i 护= a ，b l v s i n 侈 ( 2 4 ) 出 其中b 为磁场的磁感应强度，l 为单线圈的有效长度，表示线圈和磁场的相对运动速度，p 表 示线罔运动方向与磁场方向的夹角，彩代表线圈的匝数。由此可见，当传感器结构一定时，b 、彩、 l 均为常数，感应电动势e 与 ，成正比，测得e 再根据已知的换算关系就可以得剑速度值。若要取得 与振动位移成正比的信号，传感器输出的信号必须经积分电路。设灵敏度为k ( m v 舳s ) ，v 为速度 ( m s ) ，则输出信号单峰电压为k v 。本特利9 2 0 0 传感器的k 为2 0m v 嘲s ，满量程时对应位移 为0 - - 5 0 0 岫( p _ p ) 。系统所设计的调理电路在频率为4 0 h z 时，5 0 0 u r ( p _ p ) 对应调理后的满量程波形 电压为一5 v + 5 v ，有效值为3 5 3 5 v 。 2 1 3 转速和相位测量 转速是指转轴指每分钟的转数，在旋转机械监测系统中常用涡流传感器测转速。测量的基本方 法是在转子上贴一根反光条或开一键槽，当转子转动时传感器输出一个与转速完全同步的脉冲信号， 经整形就得到相应的旋转脉冲，每秒钟测得的脉冲数即为转速。 相位是指基频脉冲信号相对于振动信号的某一点的相位差，在工程上最为有用的是基频振动相 位，目前主要的测量方法是脉冲法。脉冲法测量相位的基本原理是采用光电传感器或涡流传感器产 生一个与转速完全同步的脉冲信号，求脉冲信号前沿与振动信号某一点之间的角度，即为振动相位。 相位是重要的监测参数之一，它指明了加重和去重的方位角，可以帮助诊断机械故障。 2 2 系统设计方案 2 2 1 系统功能 近1 0 年来，我国火电厂自动化经历了控制系统时代和网络化时代，目前正向数字化时代和信息 化时代迈进。目前，厂级和机组( 车间) 级已全部数字化，并形成一个信息共享的数字化网络。但在 现场设备级，包括成百上千的变送器、执行器、电动门、电气开关柜等均采用一对一的模拟餐信号 或开关量信号传送，且采集的信息很少。此外，辅机设备信息的自动采集也较少。仅能满足低水平 监控的要求。 随着科学技术的日益发展，人们对振动危害的认识越来越深入，对各类机械的运转速度、承载 能力、工作寿命等方面的要求越来越高，因而对振动测试和振动信号分析技术的研究也提出了越来 越高的要求，目前许多振动测试系统已不能满足现场应用的要求。同时，随着机械设备测试诊断技 术的发展，现有的振动测试系统由于速度慢、体积大、精度不高，越来越不适应野外检测的需求，所 以此次设计的系统应能克服上述缺点，具体来说应具有如下功能： 1 独立性、分布化 一台( 块) 仪器就是一套独立的系统，具备采集、运算、通讯、人机接口、故障自诊断、传感 器状态诊断、电源等功能，这样就可以方便实现远程就地安装，解决电厂辅机分布分散、距离远而 难以监测、集中管理的问题。 2 测量对象 测量信号包括8 通道的模拟信号以及l 通道键相信号，同时8 通道的模拟信号均可以处理速度 信号、位移信号或者加速度信号 3 通信方式 7 东南大学硕t 学位论文 系统的实际通讯速率要求2 艉o p s 以上，传输距离不低于3 0 0 米根据前面的论述，系统选用 p r o f i b u s 网络和工业以太网，所以监测模块必须具有p r o f i b u s - d p 接口和l 伽l o 伽以太网接口 4 采样要求 机械的转速范嗣为0r m i n 1 0 0 0 0 r m i n ，8 路测量信号同时零相位差采样，采样速率能够根据 转速自动调整。当有键相信号时为整周期采样，键相信号频率在l o h z 以上时一个周期采样6 4 点， 连续采样1 6 个周期，即1 0 2 4 点；l o h z 以下时一个周期采样1 2 8 点，连续采样8 个周期。当没有键 相信号时为非整周期采样，采集周期为2 秒，采集1 0 2 4 点。采集完成后，分析数据的频谱，并通过 网络传输结果。 2 2 2 器件选型 器件选型最重要的原则就是性价比越高越好，当然也要考虑其它因素，如市场占有率、寿命等。 系统中最重要的芯片就是核心处理器，它的主要功能是系统控制和数据处理。系统要求分析所有通 道1 0 2 4 点数据的频谱，并将结果传输到专用的通信芯片。为了保证系统的实时性，f f t 变换和结果 传输过程需要在1 0 2 4 点的采集时间内完成。由于频谱是分析机械故障的重要依据，所以分析过程中 应保持较高的精度。除此以外，处理器还必须对整个检测系统进行总体控制。基于上述原因，处理 器的数据处理能力越快越好，精度越高越好，同时具有良好的控制功能。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最 新推出的3 2 位定点数字信号处理器，主频高达1 5 0 m h z ，是目前控制领域最先进的处理器之一。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用高性能的静态c m o s 技术，具有1 6 x1 6 位的双乘法累加器，能完成1 6 x1 6 位 和3 2 x3 2 位的乘法累加操作，同时它还具有可调整的哈佛总线结构、统一寻址方式、具有快速的中 断响应和处理能力以及高效的代码转换功能。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器在完成数学算法和系统 控制等任务时都具有相当高的性能，这就避免了在一个系统中需要多个处理器的麻烦。该系列的d s p 采用c c + + 编写的软件，其效率1 卜常高，所以我们可以采用c 语言编写系统程序，设计高效的数学 算法。虽然t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上集成了1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 和1 8 k x1 6 位的r a m ，但程序在数据处理 尤其是f f t 变换时需要占用大量的存储空间，并考虑到以后升级功能，我们扩展了外部存储器。f l a s h 存储器选择s s t 公司的s s t 3 9 v f 8 0 0 ，容量为5 1 2 k 1 6 位；s d r a m 存储器选择i s s i 公司的 i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，容量为2 5 6 k x1 6 位。 监测系统所测机械的转速范围为0r m i n 1 0 0 0 0 r m i n ，并且要求当转速信号火于l o h z 时以6 4 倍频率采样，所有通道的采样是同时的。所以我们在选择模数转换器件时，其单通道的采样频率不 能低于最高转动频率的6 4 倍，并且内部具有八个独立的采样保持器。m a x i m 公司的m a x l 3 0 8 满足上 述要求，同时提供了很好的性价比。m a x l 3 0 8 提供8 个独立输入通道，具有5 v 输入范围，故障容 限为1 6 5 v ，能在1 9 8 肛s 内完成多达8 个通道的转换，8 个通道都转换时每通道吞吐率为4 5 6 k s p s 。 同时，m a x l 3 0 8 的每个通道都有独立的采样保持( t h ) 电路，满足系统对8 个通道同时采样的要求。 d s p 通过2 0 1 1 肝l z 、1 2 位的双向并行数据总线读取转换结果，并可以传输控制信号来激活其中的每一 路通道。m a x l 3 0 8 工作在4 7 5 v 至5 2 5 v 模拟电源和2 7 v 至5 2 5 v 数字电源下，全速运行时的总电 源电流为5 7 l a ，工作温度为一4 0 。c 至8 5 。c 。 根据奈奎斯特采样定理，为了恢复原来的信号，在采样时要求采样频率至少应为信号最高频率 的两倍。m a x i m 公司的m a x 2 9 1 集成滤波器可以根据外部时钟或者电容确定截至频率，而且性能非常优 良，正好符合需求。 大量的信号频谱数据需要及时传输，要求实际的通讯速率达到2 mb p s 以上，具有不低于3 0 0 1 的传输距离。在选择传输网络和通信芯片时，不仅要考虑到该总线理论通讯速率，还应考虑到在网 络结构中实际有效的速率，按照实际速率为理论值2 0 来估算，理论值应不低于i o mb p s 。工业以太 网和p r o f i b u s d p 均能达到这个通信速率，并有各自的专用通信器件如i l t l 8 0 1 9 a s 和s p c 3 等。 s p c 3 集成了完整的p r o f i b u s 一陴协议，最高通信速率为1 2 m b p s r 1 1 1 9 s 是一种全双一i - 即插即 用的以太网控制器，内部有1 6 kb y t es r a m ，采用1 0 0 脚p q f p 封装 8 第一二章系统设计方案 在模拟电路中。还用到了差分放大器和大量的运放，分别选用a d 6 2 0 和l f 3 5 3 数字电路也需 要一些器件来完成逻辑控制和电平转换等功能。选用的芯片包括s n 7 4 a i - i c l 3 8 、s n 7 4 l v c l 6 4 2 4 5 、 s p 7 0 8 r 、m c 7 4 v d c l 6 0 4 等等。 2 2 3 系统规划 在模数混合系统中，一般都包含模拟信号调理电路、模数转换和数字信号处理模块，有的根据 需求还配有显示屏和各种通信接口，本系统亦是如此。从前面的功能出发，确定系统的总体硬件结 构如图2 - 4 。 传 图2 - 4 振动监测系统硬件结构框图 信号调理电路包括差分放人、积分、比例放大和前置滤波等模块，主要功能是从传感器输出的 信号中提取感兴趣的部分，并调整为适合a d 芯片的信号。键相信号的处理包括阂值电平跟踪和锁相 环电路，系统的整周期采样主要就是通过键相信号所提供的信息来完成的。d s p 系统包括 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 工作所需的各种外围部件，比如存储器、电源、时钟、复位等等，也有译码等控制电 路。t 骼3 2 0 f 2 8 1 2 的i o 电压为3 3 v ，而r t l 8 0 1 9 a s 和s p c 3 的工作电压为5 v ，所以在它们之间采 用了3 3 v 和5 v 的电平转换芯片s n 7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 。工业以太网和p r o f i b u s 的功能是按照既定的协 议进行数据通信，其具体的组成将在后面的章节中详细说明。 从上面的硬件结构框图可以看出，针对外设的程序应该包括a d 采样程序、e t h e r n e t 程序、 p r o f i b u s 程序、倍频相关的程序和键盘程序等等。同时还有9 s p 独立完成的数据分析、看门狗等程 序，主程序的流程图如下： 9 东南人学硕士学位论文 图2 - 5 主程序流程图 在处理接收数据的程序中，主要是根据控制中心的命令完成相应功能，在建立正常的数据通行 之前，该程序还必须能和其它通信设备一起完成通信协议所规定“握手”动作，如t c p i p 的三次握 手过程、p r o f i b u s 配置等，这是进行数据传输前的必要过程。e t h e r n e t p r o f i b u s 数据传输是指将 数据分析的结果通过e t h e r n e t 或p r o f i b u s 传输的控制中心其中由于工业以太网还没有形成统一 的标准，所以本系统根据现有的商用以太网协议编写了适合本硬件平台的程序。 除了主程序外，还有数个中断程序，涉及a d 采样、通用计数器、通信网络等。a d 采样程序主 要是读取数据转换的结果，通用计数器对外部时钟1 2 8 分频，并提供a d 转换的启动信号，通信网络 中断主要是接收来至于控制中心的紧急信息。 l o 第三章振动信号采集 3 1 前端调理电路 第三章振动信号采集 在实际生产中，位移传感器、速度传感器和加速度传感器都能探测机械的振动信息，但应用对 象不同。速度传感器和加速度传感器输出的是差分信号，而位移传感器的输出信号是单端的，但可 以将其和电源地一起构成一对差分信号，这样不仅统一了前端的输入信号处理电路，有利于提高每 个通道的通用型，还增强了系统的抗干扰能力。系统的输入为差分输入，通过集成的差分放大器a 1 ) 6 2 0 放大信号，放大的倍数可以通过外部电阻调节。 位移、速度和加速度之间存在一定的关系，所以只需要知道其中一个就可以推知其它两个。在 机械振动监测中，主要关心振动位移的频谱，它反映了振动能量的分布，速度信号、加速度信号分 别经过一次和两次积分就可以变成位移信息。c d 4 0 5 2 模拟开关的功能是从位移传感器信号、速度传 感器信号和加速度传感器信号中选择一路进行放大，然后转换成数字信号，选择线a l 、b 1 由d s p 控 制。放大电路尽量将信号放大到m a x l 3 0 8 的最人转换范围，这能有效地提高转换精度。m a x 2 9 1 是前 置滤波芯片，其截止频率通过c l k 引脚的电容确定，也可以从c l k 引脚输入时钟信号来确定截止频 率，整个调理电路如图3 1 。 图3 1 前端调理电路 积分电路的功能是将速度信号变为位移信号，或者将加速度信号变为速度信号，其电路结构如 图3 2 所示。 图3 2 积分电路 速度信号首先经过c z 和r 。滤波，去掉直流成分。假设风左端的电压为v t ，运算放大器的输出电 压为v 0 ，如果没有电阻r 2 ，则v 。与v i 之间的关系为： 1， r o = 一 f - i k 班 ( 3 1 ) 足c - j 1 3 1 式表明，输出电压v 。是输入电压v ；对时间的积分，负号表示信号是从运算放大器的反相端 输入的。是分流电阻，用于限制电路低频增益。如果不限制低频增益，那么直流失调电压尽管比 较小，但整个积分周期内还是会积累，一直增大使运算放大器饱和考虑1 1 2 后电路的频响函数为： = w一 善辜一 一w m 一 孵瞰u m 订一似 聃 孵愆瞰k眦瞰脚 尊莲一 东南大学硕上学位论文 h ( c o ) 。一竺l 一 ( 3 2 ) 忍( 1 + j o r 2 q ) 电路截至频率为： 1 以2 赢 3 对于频率小于f 。的信号，积分电路的性能近似于一个反相放大器，电路对频率大于f 。的信号进行积 分。1 1 2 的取值大约是电阻的l o 倍，时间常数磁c t 应大约等于输入信号被积分的周期。由于集成运 放受到输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常常出现积分误差，所以应尽量选用低漂 移的运放，并在同相端接入平衡电阻r 7 ，r ，的大小约为r z 和如的并联值。 3 2 键相信号调理 3 2 i 阀值电平的