（工程力学专业论文）旋转机械虚拟振动测试分析系统研究与开发.pdf

摘要 随着电力系统的规模和技术水平的飞速发展，为保障电力系统安全可靠的运行和获 得更高的经济效益，在发电厂、变电所等生产部门中所要求监测的参数种类和项目也越 来越多。而传统的测量仪器在对被测参数的综合分析、评估，信息交换和共享等方面存 在着严重的缺陷。目前基于微机硬件平台的虚拟测量仪器己经在许多部门得到越来越广 泛的应用。为了满足电力企业工业今后发展需要，进一步加大开发研制电力系统专用虚 拟仪器的工作力度是非常必要的。 以面向对象技术为基础的虚拟仪器开发软件己经成为标准的虚拟仪器开发平台，其 中美国国家仪器公司( n i 公司) 开发的l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪器工程平合) 就是其中的典型代表。本文正是 基于这种认识和当前工业发展的背景，采用此软件平台来开发虚拟振动故障测试系统。 希望在电厂的振动数据采集与故障诊断、在线监测等方面提出新方法和思路。 论文详细介绍了基于l a b v i e w 的虚拟振动测试与分析系统的软件设计和实现过程， 介绍了l a b v i e w 下强大的数据处理和分析功和智能化用户交互界面设计，开发了 l a b v l e w 环境下虚拟动平衡测试、分析、计算系统，包括单面动平衡，双面动平衡和谐 分量法。 论文最后介绍了本系统开发过程中的一些心得体会以及未来展望。 关键词：虚拟仪器图形编程振动测试动平衡l a b v i e w 壅直盔堂堡主堂焦堡壅 一 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e ro ft u r b i n eu n i t ，v i b r a t i o nb e c o m e st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r st l l a ti n f l u e n c et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h eu n i t m o r ea n dm o r e p a r a m e t e r sn e e dt o b em o n i t o r e di np o w e rs t a t i o n t r a d i t i o n a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sh a v e s e v e r ed i s a d v a n t a g e si na n a l y s e s ，e v a l u a t i o n ，a n di n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g v i r t u a li n s t r u m e n t s b a s e do nm i c r o - h a r d w a r ep l a t f o r ma r eu s e di nm a n yf i e l d sn o w v i r t u a li n s t r u m e n t sa r eb e i n g u s e dw i d e l yi np o w e r s y s t e mn o w s o m en e wm e t h o d si nd a t aa c q u i r i n g ，f a u l t d i a g n o s i n g a n dm o n i t o r i n go fr o t a t i n g m a c h i n e r yv i b r a t i o na r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r v i r t u a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s s y s t e m b a s e do nl a b v i e wi sd e v e l o p e d v i b r a t i o n s i g n a la n a l y s e ss y s t e m a n d i n t e l l i g e n t m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb a s e do n l a b v i e wa r ed e v e l o p e di nt h et h e s i s v i r t u a l r o t a t i n gm a c h i n e r y b a l a n c e s y s t e m b a s e do nl a b v i e wi sa l s o d e v e l o p e d i n c l u d i n gs i n g l ep l a n eb a l a n c e ，t w o - p l a n eb a l a n c ea n dt h eh a r m o n i cb a l a n c em e t h o d s ，w h i c h a r eu s e di np o w e r p l a n tw i d e l y n o w c o n c l u s i o na n df r r t h e rc o n s i d e r a t i o na r eg i v e ni nt h ee n do f t h e p a p e r k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，g r a p h p r o g r a m m i n g ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，d y n a m i cb a l a n c e ， l a b v i e w l i 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，论文中不包含其他入己经发表或撰写过 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：巡日期： 铲7 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：巡导师签 ? 一午、牛i 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景和选题依据 第一章绪论 旋转机械( 汽轮机、燃汽轮机、水轮机、发电机、航空发动机、离心压缩机等机械 设备) 是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。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、集中化、自动化方向发展，生产系统中各设备之间联系也越来越紧密。 由于各种随机因素的影响，这些机械难以避免会出现一些故障现象，即降低或失去一定 的功能；而机组一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备甚至整个生产过程无 法正常工作，造成巨大的经济损失，甚至还会引起严重的灾难性人员伤亡事故。 机器的运行状态监测与振动故障诊断技术是保证大型机组安全运行，防止恶性事故 的有效手段。它可以及时发现机组的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维 修提供决策依据，同时也减少了定期检修引起的生产停顿。 因此，对关键设备进行振动状态监测可以产生巨大的经济效益： 以避免严重的突然事故，从而提高设备的安全运行率，防止非计划停车，从而 增加产值。 即使机组发生故障，也可以从系统提供给我们的数据中找出故障的原因。在检 修中做到心中有数，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量。 在机组日常运行时，如果在机组严重损坏的前期发现故障的前兆，可以进行预 防性维修。将设备从定期性维修发展到预防性维修，可以使备件的储备量减到最小。 转机械状态监测、故障诊断和状态预测技术涉及到机械制造、转子动力学、电 子技术、计算机技术、信号处理、信息处理等众多学科和技术的交叉应用。 近几十年来，国内外进行了大量的基础理论和应用研究，取得了一些可喜的成果， 积累了一些成功的经验。目前，状态监测仪器及诊断系统己进入工程应用阶段。 随着计算机及网络技术的迅猛发展，为状态监测仪器及诊断系统的发展提供了良好 的条件。将计算机实时监控分析与自动化技术用于检测仪表，真正实现检测技术的智能 化；将计算机网络技术应用于状态监测系统，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。开发这样一套具有特色并且实用的旋 转机械振动状态监测及故障诊断系统，无论是在经济上还是技术上，都有积极的现实意 义。 随着计算机硬件和软件技术的发展，仪器系统设计思想在九十年代发生了重大改 变，其代表是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司、惠普公司的虚拟仪器系统( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器系统以通用计算机为核心，通过加在通用计算机上的一组硬件 和软件而构成，使用者操作这台计算机，就像是操作一台他自己设计的传统的电子仪器。 东南大学硕士学位论文 本文第二章将会详细介绍虚拟仪器及其图形化组态化软件平台l a b v i e w a 1 2 国内外研究发展情况 旋转机械振动状态监测系统检测反映旋转机械状态的转子振动、机壳振动、齿轮箱 振动等，并进行多种方式的信号采集和信号处理。获取机组状态特征值，是旋转机械振 动故障诊断和状态预测的基础。国外从六十年代初就开始对旋转机械的振动机组、故障 特征、振动信号提取及故障诊断信号处理进行了研究，发展了一系列监测诊断旋转机械 故障的技术。从七十年代后期开始，一些故障诊断仪器逐步进入到工程实用阶段。从八 十年代开始，国外开发研制了多种旋转机械状态监测系统，如美国b e n t l yn e v a d a 公 司的a d r e 振动故障诊断系统，d d m 动态数据管理系统，t d m 瞬态数据管理系统，丹麦 b & k 公司的b & k 2 5 2 6 便携式数据采集分析系统等。 在现场信号采集与故障诊断仪器及数据管理软件的研制方面，在国际上，以美国为 主的西方发达国家在“旋转机械在线监测与诊断技术”的综合研究方面处于领先地位： 一方面，美国的信号处理与数据分析技术发展较快，而这些处理机、分析仪和数据采集 系统是机械设备状态监测的基础和核心，是发展后续技术( 故障诊断) 所不可分割的部 分；另一方面，美国的一些专业公司，对旋转机械的运行及监控、机组可靠性、安全性、 维修性与经济管理技术已从事有4 0 多年的研究历史，建立了庞大的数据管理系统，开 展了专家系统的研究，具有雄厚的数据与软件实力。此外，国际上还有许多著名的诊断 仪器公司，如上面提到的b & k ；英国的d i ；德国的申克及日本的武田理研等，生产有多 种用于设备诊断的分析仪器及软件系统。然而国外的在线监测系统、现场诊断仪器及诊 断管理软件一般价格十分昂贵，且存在维护不便、因缺少汉化而使用不便等问题，难于 在基层推广。国内虽有一些大学及研究所推出了自己的产品，如北京振通检测技术研究 所推出的9 0 2 、b 0 3 便携式数据采集器、重庆大学测试中心的q l s a w 型振动噪声测试分 析仪、大连理工大学推出的p d m 2 0 0 0 数采分析仪及管理软件等，但随着计算机技术尤其 是微处理器及软件技术的飞速发展，上述装置及软件系统在性能指标、可靠性、软件对 不同公司数采装置的适应性等方面均存在一定的局限性。 从目前研制并推广应用的旋转机械振动状态检测系统看。可以分为三种类型：第一 类是便携式数据采集分析系统，这类系统主要用于对现场大量机器设备进行巡检，具有 代表性的b & k 公司的2 5 2 6 、b e n t l y 2 0 8 的a d r e 、c s i 公司的c s l l 9 0 0 、c s l 2 1 1 5 、d i 公 司的d il1 0 0 等：第二类是在线的状态监测系统，这类系统用于对工业现场的关键机组 进行连续的实时状态监测，具有代表性的有b e n t l y 公司的d d m 、t d m 系统和c s i 公司的 m a c h i n ev i e w3 1 3 0 ：第三类是准在线状态监测系统，这类系统具有小型化、便携式的特 点，用于对工业现场某一机组进行一段时间的实时状态监测，具有代表性的有c s i 公司 的s c o u t3 2 0 0 系统。对工业现场的旋转机械进行状态监测时，不同的状态监测场合需 采用不同类型的状态监测系统。由于不同类型的状态监测系统由不同的生产厂家设计制 东南大学硕士学位论文 造，其操作方式、数据采集和分析方法、数据库的数据结构、报表方式等诸多方面均不 相同，给工业现场设备状态监测和设备管理造成了困难。 众观国内外情况，我们可以看出旋转机械振动状态监测仪器设备的开发有两个明显 的发展趋向： ( 1 ) 对各种类型的旋转机械进行日常维护、监测，使得其向小型化、便携式、通用 化方向发展。这种类型的小仪器只需要现场的工人携带在身上定时从机组外壳拾取 振动信号( 一般通过压电传感器) ，并在现场进行简单的计算判断存储后( 这种软 件一般固化在系统内部) 。再通过所配置的通用仪器接口，如i e e e - - 4 8 8 、r s 一2 3 2 等与各计算机相连，以便将取回的数据做进一步的数据处理，充分利用高一级计算 机的数据资源。这类仪器发展很快，如s a s d 的产品m 7 7 7 系统就是与p c 机相配 来做进一步的数据处理的。此外，德国s c h e n c k 公司的v i b r o - - f f t 4 0 系列产品也 属此类。 ( 2 ) 向连续、在线、实时的状态监测和故障诊断系统方向发展。这类系统功能齐全， 但耗资较大，一般适用于重要的关键设备。此类系统广泛地应用了多微处理机 技术，从现有厂家生产的产品来看，它包括以下几个部分： 配备有强有力的数据采集和信号预处理电路。如程控放大器、跟踪滤波器等。 这部分电路必须保证采集的数据能适应复杂多变的机组对象及各种工况。 专用的实时频谱分析仪，对现场采集的数据进行实时频谱分析。因为无论是 现在或是今后的一段时间内，作为广泛应用的f f t 分析技术都将是分析信号结 构特征的实用性技术，尽管目前已出现了包括时间序列分析方法在内的各种新 技术。 监控系统网络化。利用网络资源，系统主机作为一个整体的核心，负责收集 下位机通过网络传来的数据。利用本机所带的软件，分析、计算、结合各种类 型的数据库，设计组态化模块来提供丰富的功能，做出最终的决策性判断。 1 3 本研究工作任务和目标 本课题的目标是在虚拟仪器软件构架上研发一套旋转机械设备振动测试与故障诊 断系统的可行方案，并整合现有软件技术、网络技术、虚拟仪器技术的最新成果予以实 现，争取产品化。 本系统构成现场工作站实时数据采集、数据分析和处理的振动故障测试系统。 本系统使用l a b v i e w 和m a t l a b 实现软件编程。 系统的功能目标： 机组的日常运行进行数据采集和实时监测。监测参数为机组的转速、振动 值等a 系统可对参数值进行不间断地监测与记录，以得到机组运行是满足各 种分析与诊断功能要求的数据。 东南大学硕士学位论文 提供强大的数据分析功能，提供诊断依据。利用数字信号处理技术，提供反 映旋转机械运行状态的各种特征参数和图谱。提供数据分析功能：时域分析、 频域分析( 幅值谱、功率谱、带窗函数选择、谱平均、坐标选择功能等) 、 轴心轨迹、包络谱分析、倒频谱分析，启停车状态分析( 三维瀑布图、b o d e 图、n y q u e s t 图等) 、趋势分析、相关分析、联合时频分析等。 设计便于用户操作使用的界面。 充分考虑实时系统的特点，鳃决系统的连续运行的可靠性、故障恢复及线程 调度和监测系统可靠性等问题。 实现三种动平衡计算( 单平面、双平面、谐分量法) 。 实现参数组态功能。提供系统参数组态功能、测点规划。据现场具体情况定 义相关系统参数，完成系统的重构，生成实用的通用软件，以满足不同用户 的需要。这是软件产品化的重要一步。 本系统的应用对象为电厂汽轮发电机组、石化企业的大型透平压缩机组等的旋转机 械振动测试与故障诊断。 本论文分为七章： 第一章介绍了课题的国内外背景和研究意义。 第二章概述了虚拟仪器及其图形化编程语言l a b v i e w 。 第三章介绍了旋转机械振动信号分析基本方法。 第四章介绍了旋转机械振动测试与分析系统的总体设计结构和方法。 第五章详细介绍了振动信号处理在虚拟振动测试分析系统中的实现。 第六章详细介绍了旋转机械虚拟动平衡测试系统的实现。 第七章结论，对论文进行总结，讨论了有待进一步研究的问题。 查直查堂堡圭堂垡望壅一 第二章虚拟仪器及其软件平台l a b v i e w 简介 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) 是现代计算机技术和仪器技术深层次 结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机 硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。 2 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义， 具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是 利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结 果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备 完成信号的采集、测量于调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者 用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出 现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括一下两方面的含义。 ( 1 ) 虚拟仪器面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是 相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”；被测信号的 “输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的：虚拟 仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通 过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗 口中摆放所需要的国标，然后对图标的属性进行设置。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形软件流程的编程来实现的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功 能的。因为可以通过不通测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件 平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结 合。 东南大学硕士学位论文 2 1 2 虚拟仪器的构成及其分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。 1 虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 ( 1 ) 计算机 它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。 ( 2 ) i 0 接口设备 i 0 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有 其相应的i 0 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡板( 简称为数采卡板d a q ) 、 g p i b 总线仪器、v x i 仪器模块、串口总线仪器等。 本文采用p c d a q 系统。p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪 器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线， 将数采卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 2 虚拟仪器的软件 开发虚拟仪器必须具有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两 类。 文本式编程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等。 图形化编程语言：如l a b v i e w ，h p v e e 等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良 好的开发环境。 本文虚拟仪器设计采用的是l a b v i e w 虚拟仪器编程语言。 虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和i 0 接口仪器驱动程序。 虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序： 实现虚拟面板功能的软件程序： 定义测试功能的流程图软件程序。 i 0 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 3 基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的结构 采用l a b v i e w 开发平台设计的基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的结构如图1 1 6 东南大学硕士学位论文 _ 一电量俦熙一b 信 数 设j虚拟仪器前面扳一 口 据备一 丐 应用程序p j e 电量俸感器b 处 采驱一 理 集动l a b v i e w 子横板p 一一其他传藤器一| _ ， 电 卡 程一 路 序j i 曲v l e w 开发平台一 计簿机一 图2 1 基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的结构 图2 1 所示的虚拟仪器测试系统工作流程如下。 传感器测量被测信号，将其转换为电量信号； 信号处理电路将传感器的电量信号进行整形、转换、滤波处理，变成标准信号； 数据采集卡采集信号处理电路的电压信号，并转换为计算机能处理的数字信号； 通过设备驱动程序，数字信号进去计算机： 在l a b v i e w 平台下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程、功能算法，设计虚 拟仪器前面板； i i i 形成具有不同仪器功能的应用程序。 2 2 虚拟仪器的现状及其发展方向 国际上从1 9 8 8 年开始陆续有虚拟仪器产品面市。当时有5 家制造商推出了3 0 中产 品，此后，虚拟仪器产品成倍增加。 随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的 不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚 拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。 其一般特征是将虚拟仪器、外部设备。被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源 共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取到测量 数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监 测、报警等。 与以p c 为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络 化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三 大功能( 数据获取、数据分析及图形化显示) 分开处理，分别使用独立的基本硬件模块 实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。 7 2 3 虚拟仪器的特点及其与传统仪器的比较 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下6 个特点。 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于 导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作 来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面 板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示 元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编 程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 研制周期较传统仪器大为缩短。 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 为了更加清晰的说明虚拟仪器的特点，这里将虚拟测量仪器和传统测量仪器在以下 几个方面进行比较。比较结果如下所示意： 传统测量仪器 技术关键：硬件技术 仪器功能：由生产厂家定义 技术更新周期：长 价格：高 开发维护费用：高 仪器功能扩展能力：差 与其它设备的互联性：困难 虚拟测量仪器 软件技术 由用户定义 短 低 低 强 容易 由此可见与传统的测量仪器相比，虚拟仪器在性能价格比、功能的扩展、更新和重 新设置、与其它设备的信息交换等方面都具有明显的优势，特别适合类似电力系统这样 技术更新较快的行业。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是 软件”。 虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前，我国高档台式仪 器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进1 ：3 ，因为这些仪器加工工 艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难。而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只 采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。 这些也是本文的立题背景。 8 查塑查兰堡主堂堡垒塞一 2 4 虚拟仪器及其在电力行业的应用 虚拟仪器下的电力参数测试充分利用了微型机的硬件资源，并尽可能以软件代替硬 件，使仪表的硬件结构简单，可靠性高，成本低廉。 对于电力系统中大多数需要监测的电力设备而言，设备种类多，监测量大，这就给 在线监测系统的设计带来了困难。而虚拟仪器可以充分利用微机的资源及灵活性，克服 不同监测设备硬件繁杂的缺点，使在线监测的设计变得简单、灵活、富有弹性、更加模 块化、易维护等。 因此，对于电力系统中大多数需要监测的电力设备而言，利用虚拟仪器，尽可能采 用通用的硬件，针对不同的设备采用不同的软件，可以给设备的在线监测提供新的方法， 也可为在线监测装置的设计带来方便。 2 5 面向仪器与测控过程的图形化开发平台l a bv i e w l a bv i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟 仪器工程平台是美国国家仪器( n i ) 公司开发的一种基于g 语言( g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ) 的可视化开发平台。 2 5 1g 语言编程 l a bv i e w 是为替代常规的b a s i c ，c 等常规语言设计的，除了编程方式不同以外， 具有语言的所有特性。所以，l a bv i e w 不仅仅是一个功能比较完整的软件开发环境， 而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，所以又被成为g 语言。 如图卜2 所示，l a bv i e w 的编程环境包括两个面板，图中左面的是前面板( p a n e l ) ， 用于编帝0 虚拟仪器的软面板；右面的为程序面板( d i a g r a m ) ，用于编写图形化的g 语言 程序源代码。与c c + + 等传统文本编程不同，l a bv i e w 的g 语言是把繁琐、费时的代 码编写输入，简化为使用菜单图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能连接起来 的简单图形编程方式。比如，要进行f f t 运算，只需要从函数库中，调出f f t 子v i ( 相 当于c 语言的子程序) 模块，然后用连接线与输入控制和输出显示的控件连接起来即可。 降低了对编程者编程经验和熟练程度的要求，易于学习和使用，大大提高了编程效率。 被誉为“工程师和科学家的语言”。 东南大学硕士学位论文 2 5 2l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 软件的特点可以归纳为以下几点 图形化的仪器编程环境： 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试、测量以及过程控制等 领域。l a b v i e w 提供了面板上所必须的许多显示控制对象，具有与世纪仪器相似的旋钮、 开关、指示灯、图标等。用户还可以方便的将现有控制对象改成自己需要的形式。 内置的程序编译器： l a b v l g w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程 平台速度慢的问题，其速度与c 语言的编译速度相当。 并行机制： l a b v i e w 运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序框架从宏观上讲 是一种多任务并行机制，而不是c 等传统语言的顺序结构。 灵活的程序调试手段： 用户可以在源代码中设置断点，单步执行代码，在代码的数据流上设置探针，在程 序运行中观察数据流的变化。 功能强大的函数库： l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层v x i ，g p i b ，串口及数据采集 板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本功能函数到高级分析库，覆盖了仪器设 计中几乎所需要的函数。 支持多种系统平台： l a b v i e w 支持多种系统平台，在w i n d o w sn t g x 3 x ，m a c i n t o s h ，h p ，s u n s p a r c 等 系统平台上，都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移植。 开放式的开发平台： l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使用户在l a b v i e w 平台上能调用其他软件平 台编译的模块，提供对o l e 的支持。 网络功能： l a b v i e w 支持t c p i p ，d d e ，i a c 等功能。 2 5 3l a b v i e w 的可视化 l a b v i e w 的可视化，包含了两层含义，一层含义是指它的编程方式是可视化编程， 另一层含义是指可视化信号分析处理。 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) ，即科学计算可视化的简称。科学计算，是继试验方法， 理论方法之后的第三种科学手段，这三种手段在科学研究上既相辅相成，又相互独立， 既相互补充替代，又彼此不可缺少。科学计算可视化是科学计算中不可缺少的个组成 部分，科学计算可视化是对计算及数据进行探索，以获得对数据的理解和洞察。具体来 1 0 东南大学硕士学位论文 说，就是把计算中涉及的和产生的数字信号转变为直观的图像或图形形式表示的，随时 间等参数的变化而变化的物理现象或物理量呈现在研究人员面前，使他们可以觉察到模 拟和计算，既看到传统意义上不可见的事物和现象，同时还提供与模拟和计算的视觉交 互手段。 总的来说，科学计算可视化的目的，就是依靠人们强大的视觉能力，促进对考察数 据更深一层的理解，洞察其中的潜在过程。 科学计算可视化的应用不断扩展到物理学、地球科学、气象学、海洋、流体动力学 等众多科学领域，而l a b v i e w 则是将科学计算可视化应用到信号分析中的一种体现。对 一个存在各种干扰的非理想信号进行分析，获取包含在其中的有用信息，是一项困难的 工作，需要扎实的理论基础和丰富的实践经验。l a b v i e w 的前面板上提供大量的形式多 样，功能强大的c h a r t ，g r a p h 等控件，可大大加快加深研究人员对未知信号的认识， 发现抽象思维中不易发现的现象，获得启发和灵感，提出新的分析思路；后面板上快捷 的g 语言编程，和功能强大的函数库，使得研究人员可以迅速组建自己的分析系统，便 于新的分析思路的验证和改进，以往信号分析人员往往将大量的时间花在编程实现上， 甚至因为具体的编程失误后难以实现导致分析思路得不到有效的验证。 东南大学硕士学位论文 第三章虚拟振动信号分析与测试系统理论知识 3 。1 振动。 振动是一种十分普遍的运动形式，广义地说，是指物体或某种状态随着时间往复变 化的现象。振动可以分为简谐振动和周期性振动。任何一个周期性振动都可以分解为一 系列不同频率且不同简谐振幅的简谐振动之和。 简谐振动是可用正弦函数描写的周期运动形态，表达式为： x = a s i n ( c o t + m 1 ( 3 1 ) 其中，x 表示质点在t 时亥4 偏离平衡位置的位移；a 是振辐，国是角频率，耐+ 囝是 t 时刻的相位。中是初相位。刻画振动的参数只有三个：振幅a 、角频率f - o 、初相位o 。 振动分为径向振动、扭转振动、纵向振动等几种。我们这里主要研究测量径向振动。 径向振动分强迫振动和自激振动。强迫振动所需能量由系统外提供，自激振动所需能量 由旋转系统内部提供。 在大型旋转机械如汽轮机、发电机等中，发电机组在起动及运行时发生超过允许值 的振动危害是很大的。以汽轮机为例，它可能引起紧急保护装置动作而造成事故，引起 轴瓦乌金碎裂，汽轮机发电机组的轴瓦和轴承座的紧固螺丝等其他一些零件损坏。严重 的会使转子弯曲，造成和转子连接的零件因振动疲劳而断裂等严重后果。 机组振动情况是否符合要求主要是根据机组运行时测得的轴承垂直、径向及轴向三 个方向的最大峰峰值来衡量。 3 2 振动信号分析方法晗3 目前，国内电厂机组单机容量变得越来越大，6 0 0 m w ，3 0 0 m w 机组在各网局已经成为 主力机组。因此，机组主辅机的设备变得越来越复杂，振动故障也变得越来越突出。有 必要采用信号采集设备将振动信号采集到计算机，对设备的运行状况进行监测。如果将 采集到的信号显示并加以处理，就涉及信号处理的问题，对于振动信号的处理般有以 下几种方式： 3 2 1 时域分析 时域是指信号随时间变化的一种函数关系。包括时域连续信号和时域离散信号。它 是通过对连续振动信号进行采样得到的。我们通过a d 采集卡将振动数据采集，并通过 计算机将该信号按时间的关系绘制出来，这样我们就可以看见一条振动幅值与时间的连 续的函数曲线，在采样频率较高的情况下，这种近似是比较真实的反映时域连续信号的。 采样率决定了模数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号 1 2 查塑奎堂堡圭堂垡堡兰 的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。下面 的图表示了采样率对精度的影响。 采梯额率怒够 聚梯频鬻不够引越波孵畸变 图3 1 采样率对精度的影响 根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍。例如，信号的最高 频率若为2 0 k h z ，则其采样频率一般需要4 0 k h z 。振动信号采样频率一般为被测信号频 率范围的2 5 6 倍。 通过比较我们可以明确的知道，在同一周期内点数越少，画出的曲线越有折线感， 因此提高采样频率，是保证我们采集到的信号准确的重要手段，但是较高的采样频率又 对a d 采集卡的硬件提高了要求。因此选取合适的采样频率对于我们获得正确信号非常 重要。如果采用较低的采样频率，就不得不采用各种补偿与近似技术来模拟信号，这样 又会花掉大量的计算机时间，因此可能无法实现信号的实时显示。 3 2 2 频域分析 旋转机械的复杂振动波形可以按傅立叶分析原理分解为一系列组成它的谐波分量， 每一谐波分量又有其幅值和相位。各谐波分量以频率为横坐标的谱图称为频谱。旋转机 械的振动信号可在频域内经过多种处理方式，获得识别故障特征信息所必须的几类频域 图像。本虚拟振动测试与分析系统分析模块提供的谱分析功能有：幅值谱、功率谱、倒 频谱以及频谱分析中窗函数的应用。其基本概念将会在后面的小节给出，这里先做简单 概括和比较。 频谱图的幅值有两种表示法：一种以振幅( 均方根值或峰值) 形式表示，称为幅值 谱：另一种以能量形式表示，称为功率谱。 倒谱变换是将自功率谱密度函数的对数再做一次傅立叶变换。变换的结果得到倒频 谱。倒谱变换与自相关函数相比较，其特点主要在于变换之前要对功率谱密度取对数。 倒频谱是频谱的频谱，它能分析出复杂频谱图上的周期结构，分离和提取频谱中的周期 东南大学硕士学位论文 成分。 在各种分析方法中，快速傅里叶变换( f f t ) 的频谱分析是当前应用最广、最有效 的分析方法。 1 快速傅立叶变换( f f t ) “1 快速傅立叶变换( f f t ) 是实施离散傅立叶变换的一种及其迅速而有效的算法。f f t 算法通过仔细选择和重新排列中间结果，在速度上较之离散傅立叶变换有明显的优点。 忽略数学计算中精度的影响时，无论采用的是f f t 还是d f t ，结果都一样。 如果直接应用离散傅立叶变换。将花费很多时间，因此很长的一段时间里d f t 的使 用受到了限制。直到1 9 5 6 年美国的j w c o o l e y 和j w t u r k e y 提出了一种离散的傅立 叶变换的快速算法，即f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) ，才使得d f r 的计算工作 量大为减少。 r 研o 】= x 【o p 吒，0 + 石 1 】昴，o + a + z 一1 】；珞o j 皿o 】= x o 】蹄p + x 1 w n l + a + 缸一1 】强靠 l x 1 = x o 阡o + 缸1 f j ，1 + a 齐 。一1 i 珞一妒 ( 3 2 ) 匿要， = 匿要。i ：妻j 障耋一： i 研1 】f ：i 时1 旷i 旧】i i !il iii ；1 0 旺】jl 嵫，矿1 吲肛t 9 ii 缸一1 】| 设n = 2 8 ，于是可将 w 分解成b 个矩阵的连乘，即 吵】= 暇】哦】【】( 3 - - 4 ) 其中每个矩阵的各行元素都包含有两个非零项。例如，对于n = 2 2 的情况有： 1 4 11 阳一ij 妒w ：1 f1w 3 这里利用了关系w “= 形( “) “( ，因此形4 = w o ，w 6 = w 2 ，将 w 分解成 0w o0 l 1o矿oj o 矿2ol 1 o矿2i 一 ( 3 6 ) 由于式( 3 - 6 ) 在分解时充分利用了旋转因子w 。具有周期性及台理的特点，从而使总的 计算次数从n 2 量级减少到n l o g ：n 量级，极大地提高了运算速度，故形成了快速傅立叶 变换。最常见的f f t 算法要求n 是2 的幂次。假定信号分析仪中的采样点数为1 0 2 4 0 次 计算。显然，f f t 可大大节约计算量，故仪器中广泛采用f f t 算法。 2 功率谱分析。 以能量形式表示频谱图幅值，称为功率谱分析。 一个信号可以从时域描述，也可以从频域来描述，这两种描述是相互唯一对应的。 功率谱分析能够提供信号的频域信息，是研究平稳随机过程的重要方法。对于遍历随机 过程的一个样本序列，这个序列只是无穷多个可能的随机序列中的一个，因此这个序列 实际上并不能真正代表这个随机过程。但是不管选取哪个序列，通过该序列算的过程的 自相关函数总是相同的，即由某一个序列计算出来的自相关函数能够作为对过程本质的 描述。 因此，从自相关函数( 其定义将在下面的相关分析一节中给出) 出发考虑信号的功 率谱问题。 1 ) 功率谱密度的定义 信号x ( t ) 的自功率谱密度定义为其自相关函数的傅立叶变换。设x ( t ) 的自相关函 数为尺。( f ) ，则x ( t ) 的自功率谱密度为 同时有 只( ，) = r ，( 咖1 2 斫d v r ，( f ) = 只p ，2 斫 ( 3 7 ) 自功率谱密度简称自功率谱或自谱。 若r = o ，根据自相关函数r ，( f ) 和自功率谱只的定义，可以得到 一 、i叫_=j 一，矿矿旷一 矿彤矿 ，m、 r_li-=j o o 驴陌 0 0 1 1 舯聃o o 一 = 暖啦 东南大学硕士学位论文 墨( o ) = 嬲去d 2 面 = 只( ，) 矽 ( 3 8 ) 积分d 2 ( ，) 出可以看作信号的总能量，则r 。( o ) 可以看作信号的平均功率只。，所以 只( ，) 曲线下与频率轴所包围的面积即信号的平均功率： b ( o ) = 只( ，) = 匕 ( 3 9 ) 只( 厂) 表示了信号的功率沿频率轴的分布，故称只( 厂) 为自功率谱密度函数。 2 ) 谱密度函数 类似于自功率谱密度，如果信号x ( t ) 和y ( t ) 的互相关函数( 其定义也在下面相关 分析一节中给出) ( r ) 满足傅立叶变换的条件 f r ，p ) d r j 输入阻抗：i o m q a d 转换分辨率：1 2 位 a d 转换速率：1 0 s a d 启动方式：程序启动 a d 转换非线性误差：士l l s b a d 转换输出码制：单极性原码双极性偏移码 系统综合误差：d i f s 电源功耗：+ 5 v ( 1 0 ) 5 0 0 m a ： - - s v ( 5 ) l o m a ： + 1 2 v ( i 0 ) 5 0 l a ： 一1 2 v ( 士1 0 ) 蔓3 0 t o , 使用环境：工作温度：1 0 4 0 ； 相对湿度：4 0 8 0 ： 存储温度：- - 5 5 + 8 5 4 硬件系统特点及其结构 该虚拟振动测试系统是为了满足生产现场各类振动信号的采集、显示、存储和分 析等任务的需要丽设计的。它具有如下特点： 1 ) 体积小、重量轻、易于携带；功耗小，适合现场使用。 2 ) 硬件适应性强。易于各类振动传感器或相应的二次仪器接口；有足够的采集通道和 数据存储容量。 3 ) 系统性能价格比高。 整个系统由计算机便携式笔记本、研华8 1 8 l 数据采集卡、信号调理板、传感器组 东南大学硕士学位论文 成。其硬件框图