（计算机应用技术专业论文）汽轮机轴系预测维修装置辅助调试系统的研究与设计.pdf

济南大学硕p 学位论文 摘要 在电厂设备的维修领域中，预测维修是近十年发展起来的一门综合性新技术， 汽轮机预测维修是其中的研究热点之一。根据电厂提出的实际需求，济南大学计算 机应用研究所与山东鲁能控制工程有限公司联合研发了汽轮机轴系预测维修装置， 该系统使得技术人员可以多方位、实时或历史地全面了解汽轮机的运行状态，对其 做出评估。目前国内机组正向预测维修过渡，对此类装置的需求量也在逐渐增大。 对于不同的电厂需求和特定规模的机组，需要定制不同的汽轮机预测维修装置，传 统的调试方法存在调试周期长、效率低等缺点，这在一定程度上制约了预测维修技 术的推广速度。针对上述情况，本论文围绕当l j i 的汽轮机轴系预测维修装置硬软件 调试方面的需求，利用计算机技术设计开发了一个数字化辅助调试系统。 论文首先介绍了汽轮机轴系预测维修装置的相关内容，指出了在预测维修装置 硬软件调试过程中，传统调试方法存在的缺点；通过深入分析汽轮机轴系预测维修 装置各功能模块的调试需求以及发电机轴系体现振动、转速、轴心位置等传感器信 号的特点，总结出预测维修装置硬软件调试过程对发电机轴系各信号的需求，并给 出了系统调试需求信号的模拟实现。在此基础上，搭建了一个数字化辅助调试系统 的硬件平台，包括上位机和下位机两部分。 在这个硬件平台之上，设计了系统的软件框架。设计思路是自项向下，即先设 计系统，再划分任务模块，编写任务流程图，直至最终的编程实现。上位机软件提 供了可视化人机界面，用于完成调试所需信号的编辑和预分析功能，信号预分析采 用了f f t 等算法。下位机软件根据调试需求驱动相关硬件电路产生振动、转速等调 试信号。针对上、下位机之间的网络通讯，设计了通讯协议，并采用w i n s o e ka p i 和p a c k e td r i v e r 编程接口进行了实现。 本系统的各项功能已基本完成，可应用于实际工程，有较高的实用价值。 关键词：汽轮发电机；预测维修；辅助调试； 汽轮机轴系预测维修装置辅助调试系统的研究与设计 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fm a i n t e n a n c eo fp l a n t s e q u i p m e n t s ，p r e d i c t i v em a i n t e n a n c ei san e w c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yi nt h er e c e n t t e ny e a r s p r e d i c t i v em a i n t e n a n c er e s e a r c ho f t u r b i n e g e n e r a t o ri so n eo ft h eh o tt o p i c s a c c o r d i n gt o t h ep l a n t sa c t u a ld e m a n d ，t h e i n s t i t u t eo fc o m p u t e ra p p l i c a t i o no fu n i v e r s i t yo fj i n a na n ds h a n d o n gl u n e n gc o n t r o l e n g i n e e r i n gl i m i t e dc o m p a n yj o i n t l yd e v e l o p e dt h ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c es y s t e mo f t u r b i n e - g e n e r a t o rs h a f t t h es y s t e mm a k e st e c h n i c a l s t a f fk e e pa b r e a s tr u n n i n g c o n d i t i o n so ft u r b i n e - g e n e r a t o rr e a l - t i m e l yo rh i s t o r i c a l l ya n dm a k ea s s e s s m e n t a t p r e s e n t ，i n t e r n a lg e n e r a t i n gu n i t sa r ei nap e r i o do ft r a n s i t i o na n dp r e d i c t i v em a i n t e n a n c e e q u i p m e md e m a n di sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g p o i m i n ga tt h es p e c i f i cp l a n t sd e m a n d sa n d d i f f e r e n ts i z eo fg e n e r a t i n gu n i t s ，w en e e dt om a k ed i f f e r e n tp r e d i c t i v em a i n t e n a n c e d e v i c eo ft u r b i n eg e n e r a t o rs h a f t t h et r a d i t i o n a ld e b u g g i n gm e t h o dh a ss o m e s h o r t c o m i n g s , s u c ha sl o n gd e b u g g i n gc y c l e ，i n e f f i c i e n t ，e t c t h ea p p l i c a t i o na n d d i s s e m i n a t i o no fp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ei sr e s t r i c t e d i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n , f o c u s i n g o nt h en e e d so fp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ed e v i c eo ft u r b i n eg e n e r a t o rs h a f lt h i st h e s i s r i s e sc o m p u t e rt e c h n o l o g yt od e s i g na n dr e a l i z ead i g i t a ld e b u g g i n gs y s t e m f i r s t , t h i st h e s i sm a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h em a i n t e n a n c et e c h n o l o g yo fp l a n t e q u i p m e n ta n dp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ed e v i c eo f t u r b i n eg e n e r a t o rs h a f t i ta l s op o i n t s o n tt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ld e b u g g i n gm e t h o d s e c o n d ，t h i st h e s i sa n a l y z e s t h ev i b r a t i o na n ds p e e ds i g n a lo ft u r b i n es h a f t , o b t a i n st h ed e b u g g i n gd e m a n do f p r e d i c t i v em a i n t e n a n c es y s t e ma n ds i m u l a t e ss i g r 谢o ft h es y s t e md e b u g g i n gd e m a n d t h e nah a r d w a r ep l a t f o r mo fd i g i t a id e b u g g i n gs y s t e mw h i c hi n c l u d e se p i g y n o u s m a c h i n ea n dh y p o g y n o u sm a c h i n ei sb u i l tu p b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es o f t w a r ef r a m ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h e m e t h o do fd e s i g ni sf r o mt o pt ob o t t o m ，w h i c hm e a n sd e s i g n i n gt h es y s t e mf i r s t ，a n dt h e n d i v i d i n gt h et a s ka n dw r i t i n gt h ef l o wc h a r to f t h et a s k , f i n a l l yr e a l i z i n gb yp r o g r a m m i n g t h ee p i g y n o u sm a c h i n es o f t w a r ep r o v i d e sav i s u a lm a n - m e c h i n ei n t e r f a c e a n du s e f sc a n a c c o m p l i s ht h ee d i t i n ga n dp r e a n a l y s i so fs i g n a lt h a tt h ed e b u g g i n gn e e d s t h es i g n a l p r e a n a l y s i su s e ss o m ea l g o r i t h m s ，s u c h 嬲f f t e t c a c c o r d i n go nt h ed e b u g g i n gd e m a n d ， t h eh y p o g y n o u sm a c h i n es o f t w a r ed r i v e sc i r c u i tt og e n e r a t es i m u l a t e ds i g n a l ，s u c ha s v i b r a t i o ns i g n a l ，s p e e ds i g n a l ，e t c i nv i e wo ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e e p i g y n o u sm a c h i n ea n dh y p o g y n o u sm a c h i n e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e d ，a n d i i 济南大学硕十学位论文 托a l i z e dv i aw i n s o e ka n dp a c k e td r i v e r t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e da n dc a nb eu s e dt op r a c t i c a l p r o j e c t s i th a sah i g l lv a l u ef o rp r a c t i c e k e yw o r d s ：t u r b i n e - g e n e r a t o r ；p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ；a u x i l i a r yd e b u g g i n g n l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么垂耋e t 期：2 丝z ：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 论文作者签名：毯至遵导师签名：饧：望聋日期：2 旦2 z ：笸：2 济南大学硕t 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 电厂设备维修相关的软件在国外很早就有应用，但真正的完善和深化是在2 0 世纪9 0 年。随着计算机技术和企业管理水平的不断提高，人们对于设备维修的认识 水平和管理水平也在提高。从目前国外的发展趋势看，一般将电厂的设备维修划分 为四个层次：故障维修，周期性维修，以时间为基础的维修，以工况为基础的维修， 也称预测维修。 目前在国外大容量火电机组上，一股都是依据设备本身的特点来确定维修层次， 例如：对于冗余配置的、成本较低的设备，采用故障维修方式；对于维修费用较低 的设备，采用周期性维修方式；对于两位式阀门、电动机等设备，则通过计算实际 运行时间，采用以时间为基础的维修方式：而对于锅炉、风机、泵组等大型设备， 则采用以工况为基础的预测维修。 在美国，电厂设备应用预测维修技术已非常普遍，但并非所有情况都采用预测 维修。对一个企业来说，在众多设备中，根据设备本身的特点，状况，在系统中的 地位以及经济效益而采用不同的方式。因此在美国的电厂中，实际上实施的是以预 测维修为主多种维修方式并存的综合维修方式【1 1 。 我国电力工业的设备维修体制从建国至今已经历了两个阶段【2 】。建国初实行事 后维修，后来随着生产规模的扩大与机械化程度的提高，计划预防维修已取代了过 去坏了再修的事后维修方式，定期大修虽比事后维修前进了一步，且也取得了很好 的效果，然而这种办法缺少针对性与科学性，往往会造成过剩修理或失修。在现代 生产日益向大型化、连续化、高速化和自动化发展的今天，过剩修理或失修造成的 损失会越来越大。在实际生产中经常可以见到这种情况：一是某些机组状态完好， 但按定期维修规定应停机检修：二是机组运行状态不好，但规定的大修期又未到。 因此，对状态完好机组定期大修不但造成不必要的损失，也不能取得预期的效果， 还可能由于操作失误而损坏设备；对于未到大修期却已带病运行的机组，如不及时 处理，致使设备故障扩展，很可能会导致恶性事故发生。为解决以上矛盾，应实行 预测维修。它是在状态监测基础上，经诊断技术而实现的，具有重大的经济效益和 汽轮机轴系预测维修装置辅助调试系统的研艽0 设计 社会效益。其具体表现为：防止设备恶性事故发生，减少非计划停机；防止过剩维 修、维修不足；降低维修费用，减少维修时间：提高经济运行及安全生产水平。 据美国西屋公司公布的数据表明，采用诊断技术实现预测维修后，设备事故率 减少7 5 ，维修费降低2 5 5 0 。例如，美国p e k m l 发电厂，装机容量1 0 0 0 m w ， 采用此技术后，每年节约大修费用1 2 6 万美元1 2 l 。 目前国内多数机组仍使用周期性维修，由于其检修周期远小于最短的故障发生 周期，虽然可以保证不会出现设备损坏的严重问题，但是那些还能运行一段时间的 设备也不得不停车检修，减少了产量，增加了维修费用，造成了所谓过剩维修，这 对于现代化大型连续生产企业是很不合理的。 1 2 汽轮机轴系预测维修系统简介 任何一部运转的发电机组，都伴随有振动信号的产生，它的变化常常隐含着初 期故障特征信号，因而常常对振动信号进行监测。而对于汽轮发电机而言，转轴是 其核心部分，整个发电机组能否正常工作主要决定于转轴能否正常运转，且大多数 振动故障都是直接与转轴的运动有关，在进行预测维修时有必要对发电机轴系的状 态做监测。因此，结合电力行业的特点，立足于国际先进的技术水平，开发出具有 中国国情的汽轮机监测保护系统新产品有很重要的意义。针对此情况，济南大学计 算机应用研究所与山东鲁能控制工程有限公司联合研发了汽轮机轴系预测维修系 统，系统框架如图卜1 所示。 此系统主要包括以下几部分功能： 监测与分析部分 振动监测与分析部分的功能以及相应数据来源如图1 1 所示。振动监测与分析 包括实时监测、历史趋势分析、数据查询、事故追忆等功能。实时在线采样和振动 信号分析( f f t ) ，机组升降速( 解列状态) 和r 常运行( 并网状态) 振动数据采集、 分析和存储，报警、危急识别和事故追忆，历史资料存储等。 o 故障预测与诊断部分 一方面将采集和存储的数据通过计算机软件，把发电机组轴系运行状态由原来 黑箱变成可视化的界面，这些数据可以是实时数据也可以是历史数据，操作人员可 以在机组运行出现异常时进行相应的处理。另一方面是采用专家系统进行故障诊断， 根据相关专家提出的诊断经验建立一些故障典型模型，在进行各类实时检测时进行 2 济南大学硕十学位论文 故障诊断工作。诊断中使用的信息包括：轴瓦位置，振动频率信息，振动幅值和相 位变化特征，相关图形特征( 包括时间波形图，轴心轨迹图，轴心位置图，频谱图) ， 运行参数关联特性等等。 o 系统参数设雹 传感器与下位机硬件有关的各种参数( 比如位移变换系数、电压变换系数、报 警限) ，以及系统存储数据的时间的间隔，启停机文件的存储条件，系统存储数据的 路径，这些数据对整个系统都很重要，这些数据不是一成不变的，针对不同的机组 这些数据会不同，同一个机组在不同的时间可能会对这些参数作调整。因此这些系 统参数必须是可以修改的，但又不能随意变化。该系统将这些重要参数按照某种数 据结构存储于专用文件中，并且设定了对这些参数的访问权限。 图1 - 1 汽轮机预测维修系统框架圈 另外该系统通过汽轮机t s i 系统的传感器缓冲接口，可以实时、自动、连续地 采集和存储汽轮机轴系动力系统的各种数据，并且采用时间i 日】隔和转速间隔这两种 方式进行数据存储，从而提供了一个实时的、全方位的轴系运行档案。下图为汽轮 汽轮机轴系预测维修裴冒辅助调试系统的研究与设计 机轴系预测维修装置的应用示意图。 汽 _ 传：舒裔 r 轮 汽轮机轴 发 一振动、转速、 电 位移、胀差等 系预测维 机 转 e l 信号 修装置 轴 i 传感器 图卜2 汽轮机轴系预测维修装置应用示意图 目前该系统已在山东邹县运河电厂、莱芜沾化电厂运行，其中主流的机组有 6 0 0 m w ，3 0 0 m w ，也有水电厂的1 3 5 m w 机组，取得了良好的经济效益和社会效益。 1 3 课题的提出及研究意义 1 3 1 课题的提出 在研制此类系统时，需要有汽轮机轴系的运行信号作为调试环境。若在现场进 行调试，汽轮机大部分时间处于正常运行状态，要完成系统的全面调试是不可能的。 在实验室条件下，若通过信号发生器等硬件设备来模拟传感器信号( 如图1 3 ) ，则 存在很多不足之处，例如：同一频率下各传感器信号之间存在一定的相位关系，用 信号发生器不易准确设置：特别是信号的谐波成分有特定要求时，信号发生器很难 产生这种信号；调试其中的专家系统时，需要同时满足多种条件才可触发某种动作， 信号发生器也不易产生这些条件的组合。 兰芦 汽轮机轴系 预测维修装 置( 待调试) 直流稳压电源卜一- j 图1 - 3 传统条件f 调试环境的构建 如果仍使用传统的调试方法势必会造成系统的调试周期长且难于全面调试，我 们需要找到一种新的调试方法，克服传统方法的缺点。利用计算机技术，围绕当l i 汽轮机轴系预测维修装置硬软件调试方面的需求开发一个数字化辅助调试系统就 具有非常好的现实意义。 4 济南大学硕p 学位论文 1 3 2 研究意义 国内电厂目前正处于从定期检修到预测维修的过渡时期，预测维修装置的需求 量在逐渐增大，这类系统涉及面广，复杂度高。此外，发电机组的规模不同，差异 性也较大，针对不同的发电机组，需要对预测维修装置进行定制，这也加大了预测 维修装置的调试难度。若采用数字化辅助调试系统，将会缩短调试周期，提高调试 效率和准确性，从而对这时期的顺利过渡起到积极的推动作用。 1 4 论文的主要内容及目标 本论文通过分析汽轮机轴系预测维修装置硬软件的调试需求，提出利用计算机 技术开发一个数字化辅助调试系统，并给出了具体的实现过程。 主要内容和安排如下： 第一章对课题的背景和汽轮机轴系预测维修装置进行了简单的介绍。 第二章分析了汽轮机轴系的运行信号，提出了模拟方法。 第三章设计了系统的总体结构，包括硬件平台和软件框架。 第四章依据调试系统的需求设计了通讯协议，介绍了相关通讯技术，如w i n d o w s 套接字、p a c k e td r i v e r 、中断机制。 第五章给出了系统的具体实现。 第六章对论文的工作进行了总结。 本课题的目标： 开发出一个可用于汽轮机轴系预测维修装置的数字化辅助调试系统，能为预测 维修装置硬软件功能的改进及扩展提供灵活方便的信号模拟环境。该系统具有可视 化的界面，操作简单，调试员可以方便准确的编辑所需的信号，并能实时地看到实 际的效果，可对信号进行微调，使之更加符合要求；所需硬件资源少，成本低，本 系统上位机软件部分可运行在待调试的预测维修装置的上位机上，不仅方便了用户 的调试工作，而且节约了硬件资源。本系统为汽轮机预测维修装置的调试带来便利， 可以显著的提高调试效率和准确度。 5 汽轮机轴系预测维修袈胃辅助调试系统的研究与设计 第二章汽轮机轴系运行信号的分析与模拟 2 1 汽轮机轴系的运行信号 汽轮机是非常精密的大型旋转设备，其运行状态极其复杂。汽轮机轴系动力系 统的运行状态又是汽轮机这一设备中最关键、最难于分析的运行状态，其中与汽轮 机轴系动力系统运行状态相关的数据更是很难获取。 ( 1 ) 振幅 振幅的大小是指振动峰与峰之间的双振幅数值的大小，是振动强度的标志，可 以看出机器的运行是否平稳。振动峰值的大小问题涉及到振动度量的问题，对于振 动度量通常有峰值( 单振幅值) 、平均值和有效值三种度量方法。 通常，一台正常运行的机器有一个稳定的，可接受的低振幅值。因此，任何振 幅的变化都反映了机器状态的改变。 ( 2 ) 转速( r p m ) 转速是指汽轮机大轴的旋转速度，也就是大轴在单位时间内的转动次数。大轴 转速通常以每分钟多少转来表示，单位表示为r p m ，即转分钟。在对汽轮机运行 状态的分析中找出振动和转速之间的关系是很重要的，转速运行范围应避开机器的 平衡共振，并且使其运行转速也不激发机器的这些特殊共振。机器启动时的数据在 确定平衡共振时是重要的，这些数据可表示为振动幅度和相角与机器转速之间的关 系曲线，在描绘这种曲线和寻找这些参量之间的关系时，可以很容易地确定机器的 平衡共振。 ( 3 ) 频率 振动频率通常表示为机器转动频率的倍数。其原因主要是由于机器的振动频率 趋向于机器转动频率的整倍数或分倍数。这样就给我们提供了表达振动频率的一种 方便形式。通过这种方式，我们不必将所有振动频率表示为周分或赫兹。而是表示 为机器转动频率的一倍、两倍或机器转动频率的百分之多少等。有些机器故障通常 在某些特定的频率下才发生，这样就有助于我们区分这些故障的类型。另外我们必 须认识到，频率和故障的关系并不是相互对应的，这就是说，某一特定频率的振动 通常和多种机器故障相联系，在振动频率和机器故障之间并不存在一一对应的关系， 6 济南大学硕十学位论文 不能简单地将某一特定振动和某一特殊机器故障直接联系起来。 。 ( 4 ) 相位 在电力系统中，一般情况下指的相位是键相点与振动高点之间相角的差距【3 。 2 2 预测维修系统的调试需求 汽轮机轴系预测维修系统在获取了上述几种信号数据的基础上，对机组运行状 态进行分析诊断，使用的故障分析手段包括转子位置图、轴心轨迹图、轴颈顶起高 度判别、频谱图、波德图、级联图、极坐标图、瀑布图、时基图、事件异常等等。 转子位置图可精确地表明大轴在轴瓦中相对空间位置的变化，这种变化在通常 情况下，反映了轴瓦的磨损程度；轴心轨迹图是指轴心上一点相对于轴承座的运动 轨迹，是由大轴某个位置上传感器测到的，是一次采样所得8 个周期2 5 6 个点的连 线；频谱图用于显示当前分析的数据波形及主要谱线，波德图可以分析频率一振幅、 频率相位之间的关系，等等。 上述故障分析手段是依据相关理论，对历史数据文件或实时数据文件进行特殊 的计算处理，是数据的不同表现形式。历史文件和实时文件的数据来源则是数据采 集子系统的a d 采样码值，采样码值包含了振幅、振动频率、相位、转速等信息， 这也是调试汽轮机轴系预测维修系统所必需的信息。 2 3 系统调试需求信号的模拟 在实际应用中，汽轮机轴系的振动、转速等信号是由安装在轴瓦上的传感器测 得的，预测维修装置采集的数据就来自于这些传感器。本系统的最终目的即是要模 拟产生这些传感器信号，为预测维修系统提供一个调试环境。 2 3 1 传感器 传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或 装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。在旋转机械监测装置中， 常用的传感器有三种类型：电涡流非接触式传感器、惯性式速度传感器、压电式加 速度传感器。 大部分振动和位移参数都可以应用电涡流非接触式传感器进行测量，它适合于 测量转子相对于轴承的相对位移( 包括平均位置及振动位移) 。由于转轴表面有很大 7 汽轮机轴系预测维修装冒辅助调试系统的研究与设计 的切线速度，因此用接触式传感器难以实现振动的接收。涡流传感器是利用转轴表 面与传感器探头端部阃的间隙变化来测量振动，从而避免了与转轴表面的直接接触。 涡流式位移传感器另一特点是具有零频率响应，因此它不仅可以测出转轴轴心的振 动位移，而且还可测出转轴轴心的静态位置的偏离，这在判断运转过程中轴心是否 处于正常的偏心位置是很有用处的。 电涡流传感器工作原理：电涡流传感器利用金属的电涡流效应，电涡流产生一 个交变磁场，根据楞次定律，其方向与线圈原磁场方向相反，因此这两个磁场相互 叠加，改变了原线圈的阻抗。线圈阻抗的变化即与电涡流效应有关又与静磁学效应 有关、即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频 率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。电涡流传感器正是利用这个定律将传感 器与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个 参数的变化。在通过测量、检波、校正等电路变为线性电压( 电流) 的变化。 电涡流传感器特性曲线如下图所示。传感器正常工作在线性区，灵敏度通常有 l o m v u m ，8 m v u m ，4 m v u m 等。图中横坐标d 表示汽轮机大轴表面与传感器探头的 距离，纵坐标u 表示传感器电压输出信号的绝对值。 o 图2 - 1 电涡流位移传感器特性图 8 济南大学硕 学位论文 2 3 2 传感器的安装及轴心位置建模 电涡流非接触式传感器可用于测量汽轮机大轴的振动和转速，分别称为位移传 感器和转速传感器。在实际应用中，汽轮机预测维修装置监测的轴系振动信号来源 于现场的数十个位移传感器。汽轮机每个轴瓦上均有一对正交安装的位移传感器， 如图2 2 所示。 3 9 1 图2 2 位移传感器的安装示意图 位移传感器的输出为电压信号，范围在o v 一2 4 v 之间，电压绝对值与传感器探 头到轴面的距离成正比。通过灵敏度系数，电压值可以转化为位移量，而这个位移 量就是探头与轴面的距离。 在测轴振时，常常将探头装在轴承壳上，这样所测结果是轴相对于轴承壳的振 动。由于轴在垂直方向上与在水平方向上的振动没有必然的联系，因此在垂直与水 平方向上各装一个探头，用以分别测量垂直和水平方向的振动。也可以如图2 2 所 示，与铅垂线各呈4 5 ，注意这是为了显示出传感器的位置而未按照比例画的示意图， 以3 0 0 m w 发电机组为例，其大轴的直径一般为3 0 0 m m 左右，而轴瓦与轴之间的间隙 大概为0 5 m m ，由轴心位置变化而引起的角度误差不会超过0 2 5 。，则可以认为轴表 面对于位移传感器的探头而言是一个平面，位移传感器测出的数值是探头与轴表面 的距离l ，假设轴的半径为r ，则探头距轴心的距离为l + r 。 汽轮机静止时，高压油泵未打开，轴是落在轴瓦的底部的，如图2 3 所示。假 设轴瓦半径为r ，轴半径为r ，则汽轮机工作时轴心的活动范围是一个以轴瓦圆心为 圆心、以( r - r ) 为半径的一个圆。由于( r - r ) 与r 之比非常小，所以可以认为轴 心与两传感器的夹角保持9 0 。不变，并且过圆心0 竖直向下的直线为该夹角的平分 线。 9 汽轮机轴系预测维修装胃辅助调试系统的研究与设计 图2 - 3 轴与轴瓦位置示意图 图2 - 4 中圆的半径为( r - r ) ，是轴心的活动范围。当轴落在轴瓦的底部时，其轴 心如图2 4 中的0 所示，此时左右位移传感器的读数是d 。( 0 ) 和也( 0 ) ，则轴心距传 感器的距离为 d l ( o ) + r 和 d r ( o ) + r ；当轴心位置变化到0 时，位移传感器读数为 d 。( 1 ) 和也( 1 ) 。则此时0 ，的坐标值为： x 。= d ，( 0 ) - d 。( 1 ) 一 d l ( 0 ) 一d l ( i ) c o s 4 5 。 y 。= ( d 。( 0 ) - d 。( 1 ) + d 。( 0 ) 一d 。( 1 ) s i n 4 5 。 耵 ly 恸、? 图2 _ 4 轴心的位置计算 转速传感器提供键相信号，供预测维修装置同步采样使用。每当大轴键相槽转 到传感器探头的位置时，探头与轴面的距离发生突变，转速传感器相应输出一个脉 冲，即为键相信号。转速传感器的安装位置如图2 - 5 。 1 0 济南大学硕士学位论文 图2 - 5 转速传感器安装示意图 图2 6 为1 0 对位移传感器( 1 x ( y ) 1 0 x ( y ) ) 和1 个转速传感器在整个汽轮发 电机组中的测点位置示例，汽轮机轴系预测维修系统采集的数据就是从这些传感器 得来的。 耘撮肇摄轴纛馨擐赣摄 a簟41 “ 轴擐轴摄擘擐耘簟轴鞭 雠挂 一瓤 l 僵 持蓐墨l y2 r曩l 嚣 图2 6 汽轮发电机组测点位置示例 下面两小节晚明了上述传感器信号的模拟方法。 2 3 3 振动信号的模拟 任何一个振动信号都可以看成直流分量和交流信号的叠加。汽轮机大轴的振动 信号可以分解为间隙电压和瞬时波形两部分，间隙电压反映了大轴转动时，轴面和 传感器探头的平均距离，瞬时波形反映了大轴振动幅度的变化。本系统通过d a 转 换电路将离散的数字波形信号转换为连续的模拟信号。为保证信号的准确性。用两 汽轮机轴系预测维修装冒辅助调试系统的研究与设计 路d a 单元模拟一路位移传感器，两路d a 分别产生波形和间隙电压，最后叠加得 到一路位移传感器信号。 2 3 4 转速信号的模拟 图2 - 7 振动信号合成电路示意图 汽轮机大轴每转一周，转速传感器相应产生一个脉冲，即键相信号，此信号在 汽轮机轴系预测维修装置中用作同步采样的基准。大轴每转一周，汽轮机预测维修 装置等间隔采样3 2 次，为满足采样需求，本系统每周期产生的波形数据点应大于等 于3 2 个，数据点越多，信号质量越好，但同时消耗的系统资源也越多，每周期等间 隔输出3 2 个波形数据点即可满足采样要求。通过以上分析可知，转速模拟电路应该 提供键相信号以及每周期3 2 个波形数据点的d a 输出时白j 间隔。 转速模拟电路的定时部分利用芯片8 2 5 3 实现，计数器0 和计数器l 均工作在方 式3 。c l k o 的输入来自晶振，频率为1 8 4 3 2 m h z ；o u t 0 信号周期为d a 单元的输 出时间间隔a t ；c l k i 的输入信号来自o u t 0 ：0 u t l 的输出为键相信号，其周期为 振动波形的周期t ，t = 3 2 x a t 。计数器0 的计数值为1 8 4 3 2 x a t ，计数器l 的计数 值为固定值3 2 。通过向计数器0 写入不同的计数值，就可以改变转速信号。以计数 器0 的计数值1 1 5 2 为例，此时a t = 1 1 5 2 1 8 4 3 2 = 6 2 5 p s ，t _ 3 2 6 2 5 = 2 0 0 0 0 u s = 0 0 2 s ， 则频率f = l t = i o 0 2 = 5 0 h z ，相应转速为3 0 0 0 r p m 。8 2 5 3 的接线如下图1 4 2 。 1 2 济南大学硕p 学位论文 c l k 0o u t o 8 2 5 3c l k l o u t l o a 输出 时间间隔 图2 - 88 2 5 3 接线示意图 l 一s z 。一 几n 几几np 讪u 键相信号厂厂 l 一t 一 图2 - 9d a 输出时间间隔、键相信号关系图 汽轮机轴系预测维修装冒辅助调试系统的研究与设计 3 1 系统硬件平台 第三章系统总体结构 程 转速模拟电路l 键相信号 d f a d a 土振幅、转速、位 。p 、胀筹等信号i 汽轮机轴 簋三卜一某盖茹器 望曼i ；l 荔始：磊 电路i ： i 箱委产、h 图3 - 1 系统硬件框图 系统硬件平台如上图所示，主要有以下部分组成： ( 1 ) 上位机：基于w i n d o w s 环境的p c 机，提供可视化人机界面，同用户进 行交互。 ( 2 ) 下位机：基于p c 总线的工控机，接收上位机的指令数据，驱动相关硬件 电路产生模拟的汽轮机振动、转速等信号。 ( 3 ) d a 转换电路。将数字信号转换为模拟信号，供待调试的汽轮机轴系预测 维修装置使用。 ( 4 ) 转速模拟电路。模拟大轴每转一周产生的键相信号及周期内3 2 个波形数 据点的输出时间间隔。 ( 5 ) 信号调理电路。用于振动信号的合成及电平的转换等。 3 2 软件框架 完整、可靠的、符合系统性能要求的硬件电路设计是应用系统设计的前提条件， 而完善的软件设计则是发挥硬件资源潜能，最终达到系统指标不可或缺的必要条件。 本系统的软件包含上位机和下位机两部分。 3 2 1 上位机软件部分 这部分软件提供了可视化人机界面，汽轮机轴系预测维修装置的调试人员可通 1 4 趼雨丈掌坝十掌位论文 过此界面编辑所需信号以及对信号进行预分析。 依据电厂提出的需求，汽轮机轴系预测维修装置包括如下功能模块：转子位置 图、轴径顶起高度、轴心轨迹图、缸体横向偏移、轴振即时波形、轴振频域分析、 专家系统等。本系统以汽轮机轴系预测维修装置的调试需求为主，为其功能模块提 供相应的调试环境。通过上述分析，可得此部分软件的功能模块图，如图3 - 2 所示。 图3 - 2 系统可视化界面模块图 上位机软件的基本功能如下： ( 1 ) 为汽轮机轴系预测维修装置的待调试模块提供相应的调试窗口，用于完成 信号的编辑和预分析功能。 ( 2 ) 数据预处理。对调试人员定制的信号数据进行必要的处理，使得处理后的 数据符合通讯协议要求。 ( 3 ) 数据通讯。按照自定义的通讯协议将处理后的数据打包，发送给工控机。 3 2 2 下位机软件部分 此部分软件负责接收上位机的指令数据，并驱动相关硬件电路产生模拟的汽轮 机振动、转速等信号。主要包括初始化模块、通讯模块、转速模拟信号的实现、振 动模拟信号的实现，如图3 3 所示。 汽轮机轴系预测维修装冒辅助调试系统的研究与设计 图3 - 3 f 位机软件模块图 1 6 济南大学硕p 学位论文 4 1 前言 第四章上位机与下位机的网络通讯 本系统的软件包括上位机和下位机两部分，用户在上位机上编辑的波形相关数 据按照自定义的通讯协议，经由局域网传输至下危机，下位机解释并执行接收到的 数据，最终产生调试所需的信号。由此可见，双机通信是本系统必不可少的部分。 在软件的开发过程中，上位机通讯模块使用了w i n s o c ka p i 进行开发，这是由 于w i n d o w s 环境下支持w i n s o c k 的工具众多，如v c + + ，j a v a ，d e l p h i ，v b 等， 这些开发工具功能强大、使用方便，程序员能够充分利用w i n d o w s 消息驱动机制进 行编程。本系统下位机为d o s 环境，若采用s o c k e t a p i ，为了及时接收数据，c p u 需要不断地查询网卡状态，以便确认数据是否准备就绪；另一方面，c p u 还需实时 地更新d a 输出，以产生连续的波形。实验证明，这种查询方法耗费了较多的c p u 资源，影响了波形的质量，不适用于下位机。p a c k e td r i v e r 利用中断方式接收数据， 既保证了c p u 能够及时完成数据接收，又不会影响波形质量，因此本系统下位机通 讯模块选用p a c k e td r i v e r 编程接口进行开发。 本章介绍了w i n d o w s 套接字与p a c k e td r i v e r 的相关内容，以及本系统所用通 讯协议格式，最后说明了通讯模块的设计方法。 4 2w i n d o w s 套接字 4 2 1w i n d o w ss o c k e t 规范“钉 w i n d o w ss o c k e t ( w i n s o c k ) a p i 是基于b s d 版本的套接字的，但它为w i n d o w s 进行了专门的扩展。w i n s o c k 2 0 能支持许多的网络协议，包括t c p i p ，d e cn e t 和 n o v e l l 的i p x s p x 。w i n s o c k 规范以u c b e r k e l e y 大学b s du n i x 中流行的s o c k e t 接口为范例定义了一套在m i c r o s o f t w i n d o w s 下网络编程接口。它不仅包含了人们所 熟悉的b e r k e l e ys o c k e t 风格的库函数，也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库函数。 w i n s o c k 规范本意在于提供应用程序开发者一套简单的a p i ，并让各网络软件 供应商共同遵守。w i n s o c k 规范是建立在b e r k e l e y 套接字模型上的。这个模型现在 已是t c p i p 网络的标准。通常，在为通信双方开发应用程序的情况下，套接字是相 1 7 汽轮机轴系预测维修装胃辅助调试系统的研冗0 设计 当有用的。比如，当为客户机服务器开发一个特殊的应用程序时，可以通过套接字 来交换数据结构或数据包，以完成应用程序之间的通信。在许多情况下，如只为客 户机编写程序，可能要考虑更高一级的i n t e m e t 接口，如i s a p i 。 网络通信的基石是套接字，一个套接字是通信的一端。在这一端上可以找到与 其对应的一个名字。一个正在被使用的套接字都有它的类型和与其相关的进程。套 接字存在于通信域中。通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信引进的一种抽 象概念。套接字通常和同一域中的套接字交换数据( 数据交换也可能穿越域的界限， 但这时一定要执行某种解释程序) 。w i n s o c k 规范支持单一的通信域，即i n t e r n e t 域。 各种进程使用这个域，互相之间用i n t e r n e t 协议簇来进行通信。 套接字可以根据通信性质分类，这种性质对于用户是可见的。应用程序一般仅 在同一类的套接字问通信。不过只要底层的通信协议允许，不同类型的套接字间也 照样可以进行通信。 套接字是通信端点的一种抽象。它提供了一种发送和接收数据的机制。用户目 前主要使用的两种套接字是流套接字( s t r e a ms o c k e t ) 和数据报套接字( d a t ag r a m s o c k e t ) 。流套接字提供了双向的、有序的、无重复并且无记录边界的数据流服务。 数据报套接字支持双向的数据流，但不保证是可靠、有序、无重复的。也就是说， 一个从数据报套接字接收信息的进程有可能发现信息重复了，或者和发出时的顺序 不同。数据报套接字的一个重要特点是它保留了记录边界。对于这一特点，数据报 套接字采用了与现在许多包交换网络( 例如以太网) 非常类似的模型。 4 2 2w i n d o w ss o c k e t 编程原理 s o c k e t 同时支持数据流s o c k e t 和数据报s o c k e t 。一般无连接服务器都是面向事 务处理的，一个请求一个应答就完成了客户程序与服务程序之间的相互作用。面向 连接服务器处理的请求往往比较复杂，不是一来一去的请求应答所能解决的、而且 往往是并发服务器。以流套接字为例，其工作过程如图4 1 所示。 在w i n d o w s 平台上进行s o c k e t 开发时，可选的编程工具较多，v c + + 是使 用最普遍的工具之一。v c + + 对原来的w i n d o w ss o c k c t 库函数进行了一系列封装， 产生了c a s y n c s o c k e t ，c s o c k e t ，c s o c k e tf i l e 等类，它们封装了有关s o c k e t 的各种 功能，使编程变得更加简单。 c a s y n