（机械电子工程专业论文）基于fpga的空压机在线监测系统的前端设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 状态监测是掌握设备运行状况，判断其运行趋势，降低故障率的重要手段之一。而 获得反映设备运行的准确数据是状态监测的基础。本文适应旋转机械在线监测系统的发 展，以实际工程项目为背景，对空压机在线监测系统的前端部分进行设计，有效地实现 了信号调理、数据采集和数据存储等功能。 本文先对空压机结构及其常发故障进行分析，提出了空压机监测测点布置方案，给 出了在线监测系统总体结构图。之后结合数据采集系统要求，通过对比确定了数据采集 系统的整体方案，即以现场可编程门阵列( f p g h ) 作为数据采集和存储的控制核心，实 现多通道同步数据采集，并采用a r m 处理器来实现数据的网络传输。 在给出系统设计整体方案之后，本文着重于系统前端的硬件设计，并将其分为信号 调理卡和数据采集卡两部分研究。信号调理卡包括i v 变换电路、程控增益放大电路、 低通滤波电路：从传感器输出的模拟信号经过信号调理卡进行信号调理后，转换成数据 采集卡可以接受的输入信号，以便数据采集卡进行后续处理。数据采集卡包括a d 转换 器接口电路、双口r a i i 接口电路和f p g a 接口电路；f p g a 作为系统的核心芯片，控制a d 转换器对调理输出的信号进行转换，并将转换后的数据分时存入双口r a m 之中。 在完成了系统前端的硬件设计后，本文对f p g h 的整体逻辑功能进行模块划分，并对 其中的各个功能模块迸行软件设计，同时，在i s e 开发平台下，利用v l 硬件描述语言 来实现各模块的功能。 最后本文阐明了数据采集系统的可靠性，提出了保证系统可靠性的基本措施，并强 调数据采集系统的抗干扰设计是保证系统可靠性的主要措施。并且从隔离、退耦及接地 三方面具体说明如何进行抗干扰设计。 关键词：在线监测；f p g ；数据采集；v h d l 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 d e s i g no f f r o n t - e n do f o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o ra i rc o m p r e s s o r b a s e do nf p g a a b s t r a c t n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e sf o rc o n t r o l l i n gt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so ft h em o n i t o r e de q u i p m e n t , j u d g m gt h ee q u i p m e n t sd e v e l o p m e n t a lt r e n di nt h e f u t u r ea n dr e d u c i n gi t sf a u l tr a t e t h u s ，a c q u i r i n gt h ea c c u r a t ed a t ao f t h eo p e r a t i n ge q u i p m e n t i st h ef o u n d a t i o no f t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g sp a p e r , a d a p t i n gt h ed e v e l o p m e n to f o n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fr o t a t i n gm a c h i n e r ya n dt a k i n g a c t u a le n g i n e 疵gi s s u ea st h e b a c l 啦o u n d , d e s i g n st h ef r o n t - e n do fo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o ra i rc o m p r e s s o r , w h i c h e m c i e n f l yc a r r i e so u ts i g n a lc o n & f i o n i n g 。d a t aa c q u i s i t i o na n dd a t as t o r a g e a tf i r s t , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea i rc o m p r e s s o r ss t r u c t u r ea sw e l la si t sf a u l t s w h i c h a l w a y sh a p p e n , a n dp u t s f o r w a r dt h ep r o j e c to fm e a s u r i n gp o i m sa r r a n g e m e u ta n d f r a m e w o r kp l a no fo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m t h e n , c o m b i n i n gw i t ht h er e q u i r e m e mo ft h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , a n db yc o n t r a s t , t h ep a p e rc o n f i r m st h ew h o l ep r o j e c to ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t h a ti st os a y , i tm a k e sf p g aa st h ec o n t r o l l i n gc o r ei no r d e rt o i m p l e m e n tt h em u i t i - c h a n n e ls y n c h r o n a ld a t aa c q u i s i t i o na n dd a t as t o r a g ea n da d o p t sa r m p r o c e s s o rt oc a t t yo u tn e t w o r kt r a n s m i s s i o no f t h ed a t & a f t e rd e s i g n i n gt h ew h o l ep r o j e c t ，t h i sp a p e rp u t se m p h a s i so nt h eh a r d w a r ed e s i g no f f r o m - e n d , w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l ea n dt h ed a t a a c q u i s i f t o nm o d u l e 1 1 1 es i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l ei n c l u d e st h ei nt r a n s f o r mc i r c u i t , t h e p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e r , a n dt h el o w - p a s sf i l t e r 1 1 1 ea n a l o gs i g n a lw h i c hi se x p o r t e df r o m t h es e n s o r ，i sp r o c e s s e db yt h es i g n a le o n d i t i o n i n gm o d u l ea n du s e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e 1 1 1 cd a t aa e q n i s i f i o nm o d u l ei n c l u d e si n t e r f a c ec i r c u i to fa dc o n v e r t e r , d u a l p o r t r a ma n df p g a f p g a , a st h ec o r ec h i p , c o n t r o l sa dc o n v e r t e r sw h i c hd oa dc o n v e r t i n g f o rt h ep r o c e s s e ds i g n a l sa n ds a v e st h ed a t ai nd u a l - p o r tr a m a c c o r d i n gt ot i m e a f t e rc o m p l e t i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no ff r o n t e n d , t h ep a p e rp l o t so u tt h ew h o l el o g i c f u n c t i o no ff p g ai n t om o d u l e sa n dd e s i g n ss o f t w a r ef o re v e r ym o d u l e m e a n w h i l e b y m a k i n gu o fi s ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dc o m b i n i n gv h d l t h ec o r t a i nf u n c t i o n so f e v e r ym o d u i ea r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y i nt h ee n d , t h ep a p e rc l a r i f i e st h er e l i a b i l i t yo f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , p u t sf o r w a r d t h ee s s e n t i a lm e a s 嘲o fa s s u r i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , a n d e m p h a s i z e st h a tt h ea n t i - j a m m i n gd e s i g ni sm a i nm e a s 瑚e b e s i d e s ，b yt h ea i do fi s o l a t i n g , d e c o u p u n ga n dg r o u n d i n g ，t h ep a p e rp o i n t so u th o w t oi m p l e m e n tt h ea n t i - j a m m i n gd e s i g n k e yw o r d s ：o n - l i n em o n i t o r i n g ：f p g a ；d a t aa c q u i s i t i o n ：v h d l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：銮邋日期：坦窜：( ：孑 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盔塑 导师签名 巡年旦月三翔 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 选题背景 旋转机械在石油、化工、冶金、机械、电力等行业应用非常广泛，常见的旋转机械 包括鼓风机、汽轮机、燃气轮机、发电机、离心式压缩机等。它们都是由转动部件和非 转动部件构成。转动部件包括转子和与转子连接的联轴器、齿轮等；非转动部件包括各 类轴承和轴承座、机壳以及基座等。 随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机械正朝着大 型化、高速化、连续化、自动化方向发展，生产设备之间的联系也越来越紧密，投资也 越来越大。因此，必须严格保证这类设备能在良好的状态下连续稳定的运行。但是，由 于各种随机因素的影响，这些机械难免会出现一些故障现象，这些故障常常会产生一系 列连锁反应，会危及整个生产过程，造成巨大的经济损失，甚至引起严重的灾难性人员 伤亡事故。例如1 9 7 2 年日本关西电力公司南海电站3 号6 0 0 m w 汽轮发电机因振动而 引起的断轴造成毁机事件；1 9 8 6 年原苏联切尔诺贝利核电站4 号发电机组剧烈振动，导 致反应堆厂房严重损坏，放射性物质外泄，两干多人死亡，经济损失达3 0 亿美元；1 9 8 2 年浙江省舟山化工厂合成氨分之油汽化车间一台压缩机爆炸，伤亡多人，直接经济损失 近千万元；1 9 7 6 至1 9 8 5 年期间，化肥五大机组由于事故停车造成的直接经济损失高达 四亿七千五百万元。从目前工业的发展和这一系列事件说明建立和运行旋转机械监测和 故障诊断系统的迫切性和重要性【l 司。 早期由于人们无法预测事故的发生，不得不采取两种对策对设备进行维修【4 】【5 1 ：一是 故障维修( b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ：b m ) ，即设备一直运行到发生故障而无法继续使用 时才进行维修，因此又称事后维修；二是定期维修( t i m eb a s e dl i a i n t e n a n c e ：t b m ) 即按照预定的时间间隔或者检修周期进行维修。其中，故障维修是在早期技术水平不高 的情况下采用的被动的检修方式，由于这种维修是在事后发生，往往已经造成设备的灾 难性损坏，既不安全，又延长了检修时间，而且经济损失较大。目前，这种维护方式已 基本淘汰。而定期维修是把维修时间安排在事故发生之前，这种检修方式虽然可以避免 了非计划停产造成的经济损失，但是具有一定的盲目性：第一，即使尽量缩短维修周期 仍然无法科学地预见早期损失的环节，不能从根本上防止突然事故的发生；第二，定期 解体大修，实际上只是维修已损坏的部件，对绝大多数完好环节来说是过剩维修：第三， 定期维修不能作有针对性的维修，重新装配后的良好程度缺乏科学的评价标准；第四， 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 有些故障特别是装配造成的故障在解体中根本无法发现，而维修中的装配不当和频繁的 拆装则会对整个设备的精度和性能都有可能带来不利的影响，从而导致潜在的故障仍然 存在，失去维修的意义。美国国家统计局提供的资料表明，1 9 8 0 年的美国工业设备维修 花掉2 0 0 0 多亿美元，而据美国设备维修专家分析，有将近协的维修费用属于“维修过 剩”造成的浪费嘲。因此，合理的维修制度应该是预知的，有针对性的，这就是近年来 发展起来的预知维修( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ：p d m ) 。预知维修的实质是将定期维 修改为基于连续的状态监测和故障诊断的维修方式，其基础是状态监测和故障诊断技 术。它是对测试结果进行分析处理后，证明有必要时才安排检修的一种检修方法。它不 规定检修周期，但需要定期或连续地对设备检修状态进行监测与故障诊断，并根据其结 果，查明设备有无故障并对故障检修实施预测，在必要时再安排维修。这种方法根据其 投入和产出效果，一般应用于关键设备上。它能在设备失效前监测和诊断出存在的故障， 并利用预测技术，较准确地计算出继续运行的可靠时间，从而减少备件消耗和维修工作 量，也防止了因不必要的检修而出现的人为故障，使得维修费用最少。p d m 有两个明显 的优点，一是能对故障进行早期预防，避免突发性事故的产生；二是能节省大量的费用。 近年来，计算机技术、测试技术、信号与数据处理技术以及故障诊断技术的发展， 为设备状态监测奠定了良好的基础，而工业化的飞速发展又为状态监测开辟了广阔的道 路。实施状态监测的目的主要是要掌握被监测的设备当前的运行状况，判断设备运行今 后的发展趋势，诊断机器发生故障的可能部位，以及检验机器大修后的效果，以实现对 设备故障“早知道、早预报、早诊断”，尽量把故障消灭在萌芽之中【_ 7 】【s 】。 由此可见，利用状态监测系统实现关键设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工作效率，同时对关键设备进行实时状态监测可以产生巨大 的经济效益【9 】，这样具有实用性的监测系统，无论在经济上还是技术上，都是有积极的 现实意义 1 1 2 国内外发展概况 设备的监测和诊断几乎是与设备本身同时出现的。在1 9 世纪前，产业革命使生产方 式逐渐从手工转向机器，机器成为了除人以外必不可少的生产条件。设备能否安全正常 运行，直接影响产品的质量、数量和成本。它在一定条件下甚至可以影响到整个企业的 生存。因此，生产方式的改变产生了对设备进行安全监测和故障诊断的要求。近几十年 来故障诊断技术在国内外的发展都比较快，它包括对机械状态量( 力、位移、振动、噪 声、温度、压力等) 进行检测，对状态特征量变化的识别，机械出现异常振动和噪声的 大连理工大学硕士学位论文 原因分析、故障防治，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命的估计等方面的内 容【1 0 1 。 国外一些先进的工业国家在8 0 年代初已相继以产品的形式推出了大型旋转机械在 线状态监测系统。在线系统具有代表性的产品是丹麦腿k 公司的3 5 4 0 监测系统；美国 b e n t l yn e v a d a 公司的3 3 0 0 监测系统；美国s c i e n t i f i ca t l a b t a 公司的m 6 0 0 0 和m s 0 0 0 系 统，另外还有美国e n t e ci r d 公司的6 6 0 0 大机组监测系统、瑞士v i b r o - m e t e r 公司的m m s 、 德国s c h e n c k 公司的v i b r o c o m t r o l2 0 0 0 和v i b r o c a m5 0 0 0 、加拿大c a n t r o n i cs y s t e m 集 团公司的m l4 0 0 0 系列的实时同步状态监测系统、法国f r a m a t o m e 公司的m o v i s y s 等都是 性能较好的监测、诊断系统。同时进入9 0 年代，国外一些著名的旋转机械状态监测仪器 生产厂家已经相继推出计算机网络化的机器在线状态监测系统，例如以美国n a t i o n a l i n s t r u m e n t 公司推出的虚拟仪器系统为典型代表，使得仪器系统设计思想发生了重大改 变。通过这些设计方法，我们可以很容易的做到，通过网络、计算机硬件和软件，使得 使用者可以在距离现场很远的办公室，就像操作一台传统的电子仪器一样，对现场的信 号进行实时监测。 国内关于旋转机械状态监测和故障诊断技术的研究虽然起步比较晚，但也在各个高 校积极她进行着，从8 0 年代末开始，国内各高校如哈工大、浙大、西交大等就相继开始 为石化、电力等企业开发研制在线监测系统，在当时看来，这样的系统确实对于防止事 故发生，减少故障停机起到了很大的作用。从9 0 年代开始，国内很多企业开始引进国外 成熟的在线监测系统，这些系统虽然可靠性好，功能齐全，但是价格昂贵、维修不便、 组态界面不符合中国人的使用习惯掣1 1 】。 随着互联网技术的发展，从2 0 0 0 开始，国外许多生产厂家都相继推出网络化的状态 在线监测，如国外的b k 、b e n t l y 、i r d 等公司。国内如深圳创为实公司的$ 8 0 0 0 大型旋转 机械在线状态监测和分析系统，该系统解决了以往监测系统只能显示和记录被监测信号 的幅值并提示是否超限，不能记录完整的原始数据，并且也不具备分析功能等问题，现 在正逐步运用到实际现场之中。另外还有西工大的c a m d 一6 1 0 0 系统等等，它们在在线监 测系统方面都取得了较大的成就。 从国内外的旋转机械状态监测及故障诊断系统的发展来看，旋转机械在线监测与故 障诊断系统正向着小型化、高速实时、连续采集、网络实时监控的方向发展【1 2 】【1 3 】。因此， 开发设计具有实时数据采集、存储、传输以及远程访问等功能的监测系统是十分必要的。 1 2 课题的提出 本课题的提出是针对燕山石化聚酯厂氧化车间空气压缩机( 离心式压缩机，设 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 备编号：h c - 1 0 1 ) ，它是大型回转式压缩机在过去几年的运行中，发现该设备故障率 较高，特别是由叶轮表面结垢或流道腐蚀引起的转子不平衡、由轴承径向轴瓦磨损引起 振动幅值加大超报警值、由轴承止推轴瓦磨损引起振动幅值加大超报警值以及轴瓦温度 过高和油膜涡动等故障。因此，对该压缩机进行实时状态监测诊断的目的首先是为了在 其运行状态下，通过各种监测手段，判别其工作状态是否正常，通过这样的检测手段， 如果发现设备工作状态异常，就能及时、正确地对各种异常状态或故障做出判断，并执 行相应的操作，以求尽可能地把故障造成的损失减小到最低程度，从而提高设备的安全 性、可靠性和有效性，保证设备在运行期间发挥最大的设计能力，延长设备的使用寿命。 正是基于以上原因，在充分分析了空气压缩机的结构和故障机理等基础上，以能更 加准确有效地反映该设备运行状态的变化过程，更好地维护设备、减小设备的故障率为 目的，设计开发了空气压缩机状态在线监测系统p d m 3 0 0 0 ，从而为该设备的维护提供 了强有力的工具 1 3 课题的目标和任务 1 3 1 课题的目标， 通过以上对课题的分析，可以知道，本课题的目标就是要为聚酯厂开发一套状态在 线监测系统，该系统主要分为上位机和下位机两部分，上位机部分主要用来完成数据的 接收、数据的发布、数据的传输、数据的分析、数据的入库以及参数的设置等等，包括 客户端和服务器端两大部分程序，而下位机部分主要用来完成数据的前端处理，数据的 采集控制，数据的存储、数据的网络上传以及设备的驱动等几大部分本文主要阐述空 气压缩机状态监测系统p d m 3 0 0 0 前端的设计与实现，其目标不仅要提高信号的采集速度， 同时还要提高大容量数据的上传速度。此外要求该下位机部分要成功地应用到空气压缩 机状态监测系统之中。 1 3 2 课题的任务 本课题的设计任务主要分为以下三大部分： 在线监测系统前端整体方案的设计。 数据采集系统前端硬件电路的设计 数据采集系统前端软件的设计 1 4 论文的主要内容及结构 本文的主要内容是围绕状态监测系统的前端部分展开的： 4 一 大连理工大学硕士学位论文 第一章：简要地说明研究旋转机械状态监测与预知维修的重要意义，以及国内外研 究概况以及发展趋势，并简要介绍本文的主要工作内容。 第二章：根据空气压缩机设备结构特点及其故障类型提出了设备监测测点布置方案 并给出本状态监测总体结构的拓扑图。 第三章：介绍了数据采集的基础理论，在此基础上，结合数据采集系统的基本要求， 并经过比较论证后确定了数据采集系统的整体方案，同时经过对比论证， 分别给出了数据采集和数据存储的方案设计。 第四章：详细介绍了数据采集系统的硬件电路设计，从数据采集系统的两个部分分 别进行各模块的硬件电路设计，并对以f p g a 为代表的可编程逻辑器件在 数据采集系统中的应用进行了详细的阐述。 第五章：在对面向f p g a 的e d a 开发工具i s e 和v h d l 语言进行介绍之后，将整 个数据采集系统按逻辑功能划分为不同的模块，并分别利用v h d l 语言加 以实现。 第六章：介绍了数据采集系统的可靠性的设计，并从三个方面对抗干扰设计进行说 明。 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 2 在线监测系统综述和总体设计方案 2 1 旋转机械状态监测的指标及其检测方式 2 1 1 状态监测的指标 旋转机械的状态监测指标很多，包括振幅、振动频率、相位、转速、轴位移等，还 有温度、压力与流量等工艺参数，以及电流、电压等电量参数嘲。其中以振动参数为主 要监测参数，这主要由于旋转机械的振动一般具有周期性，容易从中找出振动规律，另 外对绝大多数旋转机械来说，设备监测的的主要对象是转轴。通常当设备发生异常时， 其振动参数都会发生相应的变化，如振幅、振动频率以及相位等等，因此，与振动相关 的参数被广泛作为反映旋转机械的状态特征参数。 2 1 2 监测指标的检测方式 旋转机械的状态监测指标的检测方式一般分为以下几种【l l ： ( 1 ) 轴径向振动检测 由于在绝大部分旋转机械中，转轴是其核心部件，并且大部分的故障直接或间接由 转轴的振动引起的，因此轴振动信号是用来分析转子状态的主要信号，信号的类型可以 是轴径向的位移信号、振动加速度信号、振动速度信号。在测量转轴的振动时，通常是 在相互垂直的两个方向上来测量，即在一个平面内相互垂直的两个方向分别安装一只电 涡流传感器。根据传感器的不同输出电流或者电压信号，该信号比较微弱，经过数采系 统前端信号调理电路后，输出采集系统可以接受的模拟信号。 ( 2 ) 轴振动相位检测 在旋转机械中，振动相位是指基频信号相对于转轴上某一确定的位置之间的相位 差。这个确定的位置一般是在轴上开一键槽，并且通过电涡流传感器来检测这一位置， 当该键槽转到电涡流传感器探头安装位置时，由于传感器探头与被测面之间的距离突 变，传感器会产生一个脉冲信号，这样，转轴每转动一周，就会相应的产生一个脉冲信 号，通过将脉冲信号与转轴的振动信号比较，就可以确定轴振动的相位，同样利用该方 法还可以测量的转轴的转速。 ( 3 ) 其他工艺量和电量参数的检测 其他的工艺量及电参数主要包括温度、压力、流量和电功率信号，这些信号由于对 实时性的要求不高，一般也就几秒或几十个毫秒，因此通常这些慢变量的信号通过不同 的传感器和前端调理电路后，只需慢速a d 进行转换即可 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 设备概述及其存在的故障类型 2 2 1h c - 1 0 1 空气压缩机设备简介 本文的状态监测对象是某石化聚酯厂氧化车间空气压缩机，设备型号为l - l c - 1 0 1 ，压 缩介质是空气，是前西德d e m a g 在上世纪7 0 年代末制造的大型回转式压缩机，该机组 结构如图2 1 所示。 r i 一 瓿广 _ 三j l 薯匕 、 麓 齿 措 轮 艳 胖 闫 籍 爿衄| =lj 厂 乍4 舡缸目 l j 图2 1h c 一1 0 1 结构简图 f i g 2 1h c 一1 0 1s t r u c t u r ed i a g r a m 该压缩机分低压机组和高压机组，低压机组为h 型离心式压缩机，分四级；高压机 组为单轴多级径向回转式压缩机，也分四级。该压缩机由电机驱动，通过齿轮箱、联轴 节将动力传递到各级压缩机。空气压缩机h c - 1 0 1 规格如表2 1 所示。 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 表2 1h c 1 0 1 规格 参数名称参数指标 设备编号 v k 一1 6 s 功率 3 1 0 0k w in 转速1 2 7 7 0r p m 转速 1 9 6 8 8r p m 高压转速 1 8 5 5 0r p m 压缩介质空气 入口压力 0 9 8 4 8 b a r 出口压力 1 0 0 6 t o a r 入口温度 3 3 出口温度 1 1 0 生产能力 1 5 8 2 0 立方米4 , 时 2 2 2h c 1 们空气压缩机设备故障类型 h c 1 0 1 空气压缩机在聚酯厂各相关部门及员工的精心呵护下已经安全运行了2 0 多 年了，但是从这两台设各历史的和近年的运行记录上来看，还存在着各类故障隐患，这 些隐患直接影响了车间的正常安全生产的稳定性。主要故障类型如下： ( 1 ) 叶轮表面结垢或流道腐蚀引起的转子不平衡 ( 2 ) 轴承径向轴瓦磨损引起振动幅值加大超过报警值 ( 3 ) 轴承止推轴瓦磨损引起振动幅值加大超过报警值 ( 4 ) 轴瓦温度过高 ( 5 ) 油膜涡动 这些潜在的隐患将直接影响到设备的正常运行，尤其是轴承径向轴瓦磨损引起的故 障更为常见，这些故障带来了巨大的经济损失，因此有必要针对以上几方面的故障来加 以监测设备的运行情况，使机组的运行和生产得到有力的保障。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 3 系统检测对象 2 3 1h c - 1 0 1 空气压缩机测点布置方案 该项目的监测对象是空气压缩机，鉴于该压缩机的结构特点以及常见的故障类型， 同时考虑到旋转机械的状态监测指标，因此将测点布置为如下位置，进入监测系统的信 号总共1 2 个，其测点布置如图2 2 所示。 图2 2h c 1 0 1 测点布置图 f i g 2 2m e a s u r i n gp o i md i a g r a mo f h c - 1 0 1 2 3 2 传感器的选择 传感器的选择一般由测点场合、环境温度、湿度、磁场影响、振动频率和幅度范围 以及配套仪器的匹配要求等因素来决定。常用的振动传感器有：压电式加速度传感器、 电动式速度传感器、电涡流式传感器以及复合式传感器。 旋转机械中应用最多的是电涡流传感器，它属于非接触式传感器，通常用它来测振 和测位移，通过测量这些参数，来监测旋转机械转子系统的运动状态。从这类传感器中 提取的振动信号经过频谱分析、波形分析、轴心轨迹分析以及其他形式的信号处理方法， 可以对机器进行状态监测和预知维修。另外，因为这类传感器与转轴不接触，而且灵敏 度高，结构尺寸小，对环境影响不敏感，因而特别适合于转子系统的振动测量。 本系统由于空气压缩机是旋转机械，而且所测信号均为轴振动信号，故选择电涡流 传感器比较适合。 一9 一 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 2 4 在线监测系统总体设计方案 一个能得到企业认可的在线监测系统，必须具有以下几个特点： ( 1 ) 必须具有适用于工业现场的硬件结构和能与被监测机组同周期连续运行的高 可靠性。 ( 2 ) 系统应在机组处于任何运行状态下或运行状态改变时，都不丢失任何数据。要 能采集和保存事故现场的全部信息，亦即系统要较高的采样实时性与快速性。 ( 3 ) 系统应具有符合生产实际状况和需要的工程实用分析与诊断功能，以便在生产 中充分发挥作用。 基于以上这些在线监测系统应该具有的基本特点，同时结合状态监测系统正在向着 网络化、智能化和小型化的方向发展，因此空气压缩机在线监测系统p d m 3 0 0 0 的总体设 计结构如图2 - 3 所示。 图2 3 在线监测系统总体结构图 f i g 2 3f r a m e w o r kp l a no f o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 从该系统的总体设计结构图可以看到，通过这种方式开发的系统主要有两部分组 成，第一部分是监测系统下位机部分，即p d m 3 0 0 0 的数据采集系统部分；第二部分是监 测系统上位机部分。 空气压缩机的1 2 路径向轴振动信号从现场监测仪表的缓冲输出端输入到p d m 3 0 0 0 数据采集系统( 或者直接从电涡流传感器的前置器输出) ，然后信号由该数据采集系统 进行调理、采样、存储，网络上传；同时监测系统上位机负责系统组态，参数设置，数 据存储、分析、报警以及故障诊断，这部分也是用户交互的部分。 整个系统是采用基于网络的分布式结构的状态监测与诊断系统，通过这种分布式的 方式构建的系统组态灵活，实时性好，可靠性高。在线监测系统上位机的软件开发平台 采用美国国家仪器公司( n i ) 的虚拟仪器l a b v l e w 来进行编程实现，虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要的新技术【1 5 】【旧，通过使用这 一软件平台，不仅可以是产品开发的周期缩短，而且由于它本身的灵活适应性好以及易 于集成，这就为以后的功能扩充和发展创造条件。 系统的下位机部分，即p d m 3 0 0 0 数据采集系统是整个在线监测系统的最为基础、也 同样最为重要的部分，它关系到整个在线监测系统能否快速有效地分析出被测设备的振 动情况和及时地抑制故障的发生，这就要求整个数据采集系统具有数据采集精度高、速 度快等特点，本文将提出一种有效的数据采集系统的方案，并就这一方案的实现作详细 的阐述，来实现在线监测系统对数据采集的要求。 2 5 小结 本章首先阐述了旋转机械状态监测的指标以及检测方式，然后根据空压机设备结构 以及存在的故障类型提出了空压机监测测点布置方案和传感器的选择，最后给出在线监 测系统的总体设计方案，下面将对在线监测系统的数据采集部分进行方案设计。 基于f i ：，g a 的空压机在线监测系统的前端设计 3p d m 3 0 0 0 数据采集系统的要求和方案设计 3 1 数据采集的基础理论 数据采集1 刀从广义上讲是将被收集的信息( 电信号) 转换为一种统一标准格式的信 号，然后进行存储、处理、交换。被收集的数据信号通常是电学量，对其他物理量( 如 温度、压力、振动等) 的采集则是通过种叫做传感器的装置进行变换，使之成为电学 量，相应的系统成为数据采集系统 数据采集的基础理论包括采样定律、采样与保持、量化与量化误差掣瑚，下面分别 加以论述。 3 1 1 信号类型 自然界中的信号大体上可以分为两大类，即模拟信号和数字信号 ( 1 ) 模拟信号。模拟信号是指在时间和幅值上都连续的信号。自然界中大量的物理 量如温度、时间、角度、速度、流量、压力、位移等都是连续变化的模拟量，这些非电 量经过传感器转换成的电压或电流也多是连续变化的，这些连续变化的物理量都成为模 拟量。 ( 2 ) 数字信号。数字信号是指在时间和幅值上都是离散、且按一定方式编码的一组 脉冲或电平信号，它是一个单位一个单位地增加或减少的，因而是不连续的，通常为离 散量。 3 1 2 采样过程 采样过程就是要在某些时间点上抽取连续模拟信号相应的瞬时值，使模拟信号变成 时间上离散的时域离散信号采样信号，这个过程称为采样( s a m p l i n g ) 。这一过程 可以按以下描述的方法来进行 让模拟信号，( f ) 通过一个开关k ，并控制开关只在需要的时刻( 如 t = t ，2 t ，3 t ) 瞬时导通，而在其他时刻使开关保持截止，这样在开关输出端得到 的信号就是采样信号f ( f ) ，厂o ) 仅仅代表厂( f ) 在各个采样时刻的瞬时值而不包含时间 变量。设开关k 按等周期闭合( 也即按等周期采样) ，则厂o ) 为脉冲序列，( r ) ，f ( 2 t ) ， f ( 3 t ) 一f ( n t ) ，其中f 为采样周期，r ，2 r ，3 r 万r 为采样时刻。当采样开 关导通时间与采样周期相比可以忽略不计时，采样信号厂o ) 可以看成是模拟信号，( f ) 大连理工大学硕士学位论文 对采样开关产生的单位理想脉冲序列进行幅度调制的结果。图3 1 是采样脉冲调制过程 的示意图。 k ( a ) 采样原理 ( b ) 模拟信号 ( c ) 采样脉冲 ( d ) 采样信号 t 图3 1 采样脉冲调制过程 f i g 3 1m o d u l a t i n gp r o c e s so f s a m p l ep u l s e t t t 3 1 3 采样定律 从采样信号厂o ) 中能否无失真地恢复信号，( f ) 与采样频率z 的选取有很大的关 系。采样定律给出了对采样频率的规定： 对于频率带宽为z 的输入模拟信号，模数转换时的采样频率z ( f = c o 2 1 r ) 要保 证模数转换后的数字信号能够完全恢复到输入前的模拟信号，则必须满足： z 2 纠一 ( 3 1 ) 式中z 为采样频率；，。为模拟信号的最高频率。上式称为采样定律。采样定律为 我们规定了a d 转换器采样频率的下限。这就相当于在信号最高频率时，每一个周期至 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 少抽取两个采样值。例如当模拟信号的最高频率为1 赴时，理论上的最小采样应为每 秒内取2 0 0 0 个采样值。一般来说，采样过程中最主要的动态误差是混叠误差，为保证 采样精度，必须使系统的采样频率的选取满足采样定律。 3 1 4 采样与保持 ( 1 ) 采样保持的基本原理 在利用a d 器件对输入的模拟信号进行转换时，需要一定的时间完成采样、量化及 相应的编码工作如果在模数转换期间，输入的模拟信号在变化，此时进行量化显然会 产生一定的误差。通常是在量化前加一个采样保持器( 般都集成在a d 器件上) 来消 除上述影响。一般来说，采样，保持器是一种根据状态控制指令截取输入模拟电压的瞬时 值( 采样过程) ，并把这一瞬时值保留一段需要的时间( 保持过程) 的功能单元。采样 保持电路有两种工作方式【1 7 】： 采样输出随输入变化； 保持输出保持在保持命令发出时的输入值上，与输入无关，一直保持到下 一个采样命令到来为止 。 上述两种工作方式由数字控制输入端来选择。采样，保持电路如图3 2 所示。它是由 保持电容器c ，输入、输出缓冲放大器丘、五，控制开关电路等组成。采样期间控制开 关是闭合的，放大器4 的输出通过开关k 给电容器c 充电；保持期间控制开关断开， 由于放大器幺的输入阻抗很高，电容器将保持充电时的最终值。 。4 = 矿 图3 2 采样保持电路 f i g 3 2s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t ( 2 ) 孔径时间( a p e r t u r et i m e ) 通常a d 器件在对采集来的信号信号进行模数转换时总要有一段时间保持该模拟信 号不再发生变化，这样才能保证量化后不产生误差或者产生的误差较小，这种情况一般 大连理工大学硕士学位论文 由采样，保持电路来保证。在采样，保持电路中，控制开关断开有一定的动作时间，在保 持命令发出后到控制开关完全断开所需要的时间通常称为孔径时间。孔径时间主要是采 样，保持中状态开关由导通到截止所需要的时间。 实际上，由于孔径时间的存在，采样时间被延迟了。如果保持命令与a d 转换命令 同时发出，由于孔径时间的存在，转换器所转换的值不是保持值，而是在孔径时间内输 入信号的变化值，这样影响转换精度。如果在孔径时间内，输入模拟信号的变化仍不能 忽略，便会引入一定的误差，称为“孔径误差”。在数据采集系统中，要求的最大孔径 误差( a ：。) 不超过a d 转换器输出数字量的最低有效位( l s b ) 所代表电压值( p 盈) 的一半，即 1 p ：一去 ( 3 2 ) 二 3 1 5 量化与量化误差 ( 1 ) 量化 在经过采样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号之后，脉冲的幅度仍然是模拟 的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就需要对幅值进行舍零取整的 处理，量化就是用有效字长的数字量去逼近信号幅值的过程，即把采样信号的幅值与量 化单位进行比较，也叫幅值量化。 量化单位( 也称作量化电平或量化区间) a 定义为量化器满量程电压f s r ( f u l ls c a l e r a n g e ) 与2 一的比【1 8 1 ：- = f s - r ( 3 3 ) 2 “ 式中行是量化器的的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越小，a d 转换精 度就越高。在实际的电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的电平用有 效字长的数字代码表示出来，最常用的编码形式是二进制编码。 最常用的量化逼近的方式有截断和舍入两种方式。其中截断方式量化是舍弃不足一 个量化单位的间隔的幅值，这种方式取整时只舍不入；舍入方式量化就是按照四舍五入 的方式进行量化。 ( 2 ) 量化误差 无论是采用截断方式还是舍入方式来进行量化，所得的结果与时域离散信号的幅值 之间都有明显的差别，这种差别就是量化误差。即实际信号可以看作量化输出信号与量 化误差之和。记量化误差为e 。则： 基于f p g a 的空压机在线监测系统的前端设计 e = f ( n t ) - q f c n t ) 】 ( 3 4 ) 式中f ( n d 为采样信号，q f ( n t ) 】为量化信号采用截断方式量化，输入电压总 是大于输出电压，因此产生的量化误差总是正的，最大量化误差等于两个相邻量化级的 间隔；采用舍入方式进行量化，其量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为钐， ， 因此，采用舍入方式进行量化，其量化误差较小。目前大部分器件都是采用舍入方式来 进行量化【1 9 1 3 2p d m 3 0 0 0 数据采集系统的技术要求 3 2 1 数据采集系统的技术指标 在设计任何一个系统前，人们总是从要求的技术指标出发，从而来设计满足技术指 标要求的系统。所以设计该数据采集系统也是按这样的方法来进行的。一般而言，数据 采集系统的主要技术指标有【2 0 】； ( 1 ) 系统分辨率。系统分辨率就是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化 量。通常用最