（机械设计及理论专业论文）基于fpga的管式分离机振动监测系统的设计.pdf

摘要 旋转机械振动监测是近年来才发展起来的一门新兴技术。随着世界工业的飞 速发展，旋转机械振动监测的应用日趋成熟，地位也日益提高。现已被广泛应用 于航天、航空、航海、国防、汽车、建筑、水利、环境工程及灾害预防等行业中。 大量的调查研究表明，旋转机械振动监测与分析系统的研究与应用对于避免巨额 的经济损失和灾难性事故有着不可估量的意义。传统振动监测系统大都是针对大 型旋转机械设计的，其缺点是功能复杂、操作和维护繁琐、成本高昂。随着工业 的发展，小型高速旋转机械的应用越来越广，且面临同样的旋转机械故障困扰， 因此有必要研究针对小型旋转机械的功能单一、针对性强、操作和维护简便、成 本低廉的实时振动监测设备。 近几十年来，随着计算机技术和数字电子技术的飞速发展，基于多片功能芯 片组合的智能仪表的硬件设计方式日渐减少，取而代之的是功能高度集成的单一 芯片硬件设计方式。随半导体技术的发展，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 技术发展迅速。f p g a 拥有超大规模单芯片容量，并且其硬件电路高速并行运算 能力对比传统d s p ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 方案具有明显优势，因此基于f p g a 的s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 方案在各种规模单j 笆：片解决方案中越来 越受青睐。 基于以上两点，本文以管式分离机为具体测试对象，以a l t e r a 公司的c y c l o n e - i i 系列f p g a 为硬件基础，研究了一套实现管式分离机专用振动监测系统的可行 方案。本课题的具体内容为：设计并实现单通道振动信号的采集、实时处理；使 用h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 硬件语言开发信号处理算法的硬件加速 模块并将其集成在片上系统中，使系统能够快速完成数字滤波和傅立叶变换，达 到实时振动监测的目的；设计并实现s d 卡( s e c u rd i g t a lc a r d ) 存储模块，存储振 动信号以供深入故障诊断。 文章最后对振动监测系统进行了验证和总结，提出了改进建议。 关键词：旋转机械，振动监测系统，实时监测，s o p c ，管式分离机。 d e s i g no fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf o r t u b u l a rs e p a r a t o rb a s e d 0 nf p g a a b s t r a c t c o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r y i sar u t h e rn e w l ys t a r tt e c h n i c , w m c n i sg e t t i n gm o r ea n dm o r em a t u r e a n dr e c o g n i t i o na s t h ew o r d s1 n d u s t u r ys d e v e l o p m e n t i th a sb e e nu s e d i nn a v i g a t i o n ，n a t i o n a ld e f e n c e ，a u t o m o b i l em d u s t r y c i v i le n g i n e e r i n g ，w a t e rc o n s e r v a n c y ，e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g ，d i s a s t e rp r e v e n t l o n a n dm a n vo t h e rd o m a i n s m a n ys t u d i e sd e m o n s t r a t e dt h a t c o n d i t i o nm o n i t o r i n go f r o t a t i n gm a c h i n e r yh a sai m m e a s u r a b l ee f f e c t i na v o i d i n gh u g ee c o n o m l cl o s sa n d c a t a s t r o p h i ca c c i d e n t d u r i n gt h ep a s td e c a d e s ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n th a s g r a d u a l l yd e v e l o p e df r o mm u l t i c h i p t om u l t i f u n c t i o n a ls i n g l e 。c h i p t e c h n o l o g yo f f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) d e v e l o p e sr a p i d l y w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n l c s t e c h n 0 1 0 9 y ，f p g a i si n c r e a s i n g l ya p p l i e d t os i n g l ec h i p s o l u t i o n so ts y s t e m i n t e g r a t i o nf o ri t so b v i o u sa d v a n t a g e s g r a n dc a p a b i l i t y o ns i n g l ec h i pa n dh i g hs p e e d p a r a l l e lc a l c u l a t i o na b i l i t yw h e nc o m p a r e dw i t hd s p ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) b a s e do nt h et w op o i n t sa b o v e ，it r y t o d e s i g na n di m p l e m e n tar e a l t l m e c o n d i t i o nm o n i t o r i n gi n s t r u m e n tf o rt u b u l a rs e p a r a t o r ，u s i n gf p g a a n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e m a i nc o n t e n t s o ft h i s p a p e r i s ：d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h es i n g l e c h a n n e lc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n go f v i b r a t l o ns l g n a l ； d e s i g no ft h eo n c h i ps i g n a lp r o c e s s i n gf u n c t i o nw i t hh d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t l o n l a n g u a g e ) ；d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n d i g t a lc a r d ) f o rf u r t h e rp r o c e s s i n g o fs t o r a g ef u n c t i o nw i t hs dc a r d ( s e c u r t h e1 a s to ft h i sp a p e rs u m m a r i z e st h i si n s t r u m e n t ，a n ds u g g e s t i o n s t h ei n s t r u m e n ta r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r f o ri m p r o v i n g k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y ，v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a l t i m e m o n i t o r i n g ，s o p c ，s e p a r a t i n gc e n t r i f u g e 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者( 本人签名) ：教任据 溺年 l j 月，易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密d 。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： g 6 q 月月 2 z 年年 ，鹇， 时，0 致谢 值此论文完成之时，我想向我的导师冯谦教授表示诚挚的感谢。冯老师在 课题的选题研究、课题的方案研究及论文的撰写等方面都给予了我悉心指导和帮 助。冯老师学识渊博，治学严谨。在三年的研究生学习中，冯老师不仅在学习上 对我严格要求，还鼓励我多动手，多研究新的思想和方法，使我通过三年的研究 生学习，无论从理论上还是工程实践上都有了很大的提高，冯老师严谨求实的科 研态度将谦虚谨慎的工作作风将会深刻地影响我以后的工作、学习和生活。 在这里还要特别感谢的是陈勇、郁昊老师、宋小宁工程师和陆荣缢老师等众 多机电院老师。由于第一次接触硬件方面的课题，研究这个课题对我来说是个新 的挑战。在整个课题进程中，郁浩老师和宋小宁工程师等给予了我莫大的帮助和 指导，使本文得以顺利完成。 此外，在整个课题的研究和实验过程中，得到了邵海、宋兴龙、张鹏和贾延 峰等师兄弟的帮助和支持，在此表示诚挚的感谢! 最后，衷心感谢我的父母家人给予我的精神支持和生活上的关心爱护。 张仕龙 二零零八年十一月十三日 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，如：离心泵、电 动机、发动机、发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，是石化、电力、冶金、煤 炭、核能等行业中的关键设备。本世纪以来，随着机械工业的迅速发展，现代机 械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向发展。出 现了强度、结构、振动、噪声、可靠性以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时 有发生。由此引来了人们对旋转机械振动问题的关注，工程技术人员开始了旋转 机械状态监测技术的研究。 旋转机械振动监测和故障诊断技术已有几十年的发展历史，受到了国内外专 家和工业、农业、国防各部门科技工作者的重视。随着近代工程技术的飞跃发展， 特别是航空、航天、海洋工程、电力、化工等技术的发展，旋转机械振动监测技 术的地位日益提高。计算机技术和因特网的发展，使得在远离工业现场的地方就 能对旋转机械进行监视和诊断，对可能产生的过大振动事先加以避免或进行控制 以确保安全1 1 i 。 综上所述，旋转机械振动监测的意义表现在以下两个方面： 1 预防事故、保证人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全 是开展设备振动监测工作的直接目的和基本任务之一。我们知道，一些设备，特 别是流程大型设备，一旦发生故障将会引起链锁反应，造成巨大的经济损失，甚 至灾难性的后果。因此，为了避免设备事故，保障人身和设备的安全，应当积极 发展设备振动监测技术。 2 提高经济效益。开展设备振动监测所带来的经济效益包括减少可能发生 的事故损失和延长检修周期所节约的维修费用，国外一些调查资料显示，开展设 备振动监测可带来可观的经济效益。英国曾对2 0 0 0 个工厂作过调查，结果表明， 采用设备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除去诊断技术的费用0 5 亿英 镑，净获利2 5 亿英镑。在我国的大型电厂，若出现故障其停机一天造成的损失 就达一百多万元。因此对旋转机械进行振动监测有着明显的经济效益1 2 , 3 1 。 1 2 旋转机械振动监测技术国内外发展状况 1 2 1 国外发展状况 大型旋转机械振动监测技术是一门新兴学科，但近年来国内外发展较快，不 仅在理论上有了很大的突破，而且不断转化为技术投入到实际的项目应用中。其 主要发展阶段为两个： 第一阶段是以计算机技术、传感器技术和动态测试技术为基础，主要集中在 故障机理和诊断方法的研究等，它是以信号处理技术为手段的常规振动监测技术 发展阶段。 第二个阶段是随着信息高速公路的发展和人工智能技术的应用的基础上发 展起来网络化、智能化振动监测1 4 1 。 从具体在各时期的发展状况来看： 5 0 年代初，多种类型和性能的传感器和测振仪相继问世，并开始应用于科 学研究和工程实际，为旋转机械振动监测技术的发展奠定了基础。 6 0 至7 0 年代，数字电路、电子及计算机技术的发展、“数字信号分析处理 技术”的发展，为振动监测技术在机械设备上的应用奠定了基础。 7 0 至8 0 年代，一些发达国家开始对机械设备的振动监测技术进行研究。近 几年随着计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断 技术等现代科学技术的进一步发展，对机械设备的振动监测技术研究跨入系统化 的阶段，实验室的大批研究成果被逐步推广并应用到核能设备、动力设备以及其 它各种大型的成套机械设备中去。其代表有：日本三菱公司的“旋转机械健康管 理系统”( m a c h i n e r yh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称m h m ) ，美国西屋公司的“可移动诊 断中心”( m o b i l ed i a g n o s i sc e n t e r ，简称m d c ) ，丹麦b & k 公司的2 5 0 0 型振动 监测系统等，都具备了机组信号数据的采集、分析、计算、显示、打印、绘图等 丰富的功能，并配有专项诊断软件i l l i 。 机械设备振动监测系统把体现机械动态特性的振动、噪声作为主要监测和分 析的内容。由于振动、噪声是快速的随机性信号，不仅对测试系统要求高，而且 在分析中要进行大量的数据处理，国内外在8 0 年代用小型计算机或专用数字信 号处理机做为主机完成机械动态特性的数据处理( 如：h p 5 4 5 1c ) ，该类主机不仅 价格昂贵( 一般价格为数十万元) 而且对工作环境要求苛刻( 需要专用机房) ， 因而通常采用离线监测与分析的方式1 4 l 。 9 0 年代以后，计算机更新换代加快且价格迅速下降，同时适合数字信号处 理的计算方法不断得到优化，使数据处理速度大大提高，使得在工业现场直接应 用振动监测技术成为可能。许多发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技 术进行了深入研究，研制出大批新型系统。该类系统以丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统、美国b e n t l y 公司的3 3 0 0 系列振动监测系统、美国业特兰大 公司的m 6 0 0 0 系统为代表已经达到较高的水平。目前最先进的机械设备振动监 测系统已经可以实现：实时数据处理；自动谱比较并进行故障预警报警；对恒百 分比带宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示；三维谱图显示；振动总均方根 值( 振动烈度) 计算；支持局域网及因特网远程监控等功能1 5 , 6 j 。 1 2 2 国内发展状况 我国对旋转机械振动监测技术研究的工作起步比较晚，始于2 0 世纪7 0 年代 末，在此之前从国外引进的大型机组，一般都购置了相配套的监测系统。但对于 自行研制的国产设备，若选用国外的监测系统，会因价格异常昂贵而难以接受， 2 因此开始靠引进、消化、吸收国外设备并对其进行创新来自主研发振动监测设备。 8 0 年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究 旋转机械振动监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得了 成果，开创了具有我国特色的故障诊断理论，开发出相应的旋转机械振动监测系 统。如：郑州大学工学院的m m d 2 0 0 0 系统、北京英华达公司的e n 8 0 0 0 系统、 深圳创为实的$ 8 0 0 0 系统、西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统、西安交通大学的r m d s 系统、及重庆大学的c d m s8 9 0 0 系统等i l i 。 以上系统软件功能比较丰富，硬件性能也不断改进，但基本上仍处于研究发 展阶段，且价格较高。而且这些系统主要应用于国家重点企业中关键设备的监测 或特定设备的监测，如大型汽轮机组、大型水轮机组等1 6 , 7 1 。适用于中小型旋转 装备的，价格低廉且性能完善的旋转机械状态监测的技术与装置还很少见。 1 2 3 振动监测系统的发展趋势 到目前为止，振动监测系统的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪 器、智能化仪器和虚拟仪器。 第一代模拟类仪器是最早开发的振动分析系统，主要是由光电矢量瓦特计和 测振仪等组成，其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借助指针或光点等来显 示测试结果。 第二代数字类仪器，这类振动分析系统可以将模拟信号的测量转化为数字信 号量，并以数字显示方式输出测量结果。 第三代智能化仪器，传统的这类仪器内置单片机等微控制器，集测试、数据 处理、平衡计算和图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的特点，并且其 工作可靠性高，小巧便携，操作简单，是技术最成熟的振动监测仪器。 第四代虚拟仪器，其主要功能可由数据采集、数据测试和分析以及结果输出 显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可以由软件系统来完成，因 此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成新的测量仪器，被认为是今后振 动监测仪的发展趋势。但其也有一些缺点：基于w i n d o s 等操作系统，系统可靠 性低，响应速度较慢，依赖传统p c 机，体积庞大，成本高昂1 8 l 。 1 2 4 本课题的研究意义 纵观国内外旋转机械振动监测系统的发展现状，仍是第三代智能化、信息化 的振动监测系统占据主流，其目前绝大多数设备都具有非常丰富的功能和相当高 的监测精度，其缺点是：价格较高，操作繁琐。使用范围以大型旋转机械为主。 功能主要是以硬件( 或固化软件) 形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。 随着工业的发展，小型高速旋转机械的用途越来越广，且面临同样的旋转机 械故障困扰，由于成本原因使用通用型旋转机械状态监测系统显然不合理，因此 研究针对小型旋转机械的功能针对性强、性能合理、低成本和功耗、可长期工作 的简单旋转机械振动监测系统是具有重要的实际意义。随着f p g a 器件的快速发 展，选用单芯片的s o p c 系统，可满足低成本和低功耗的要求，并且具有软硬件 二次开发的功能1 9 , 1 0 1 。 1 3 论文的主要研究内容 本文是以管式分离机为实时振动监测对象，以f p g a 为物理基础研究针对小 型旋转机械的振动实时监测技术。基于管式分离机的工作原理，分析了其正常工 作状态下的振动频谱特性，从而根据信号处理理论确定系统参数，完成在线状态 监测功能。总体系统以单片f p g a 芯片上建立s o p c 方案，取代传统的m c u ( m i e r o c o n t r o l l e ru n i t ) + d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 方案，降低了系统的成本和开发难 度，提高了系统的稳定性。主要研究内容由第二章开始，为以下六点： 1 ) 在第二章中，了解监测对象的整体构造和工作原理，采用g b10 8 9 5 8 9 国 家标准对g q l 4 5 型管式分离机进行振动测试实验，分析其正常情况下的振动状况 并结合检测技术和数字信号处理理论确定专用振动监测系统的各项参数。 2 ) 第三章设计系统的硬件平台，包括： s o p c 硬件平台设计，包括f p g a 器件的选型、系统的供电、时钟、 f l a s h 存储器和s d r a m 存储器等外围电路设计。 振动信号采集部分电路设计，包括i c p j 口速度传感器选型及信号预处 理电路、a d 转换电路、恒流源供电电路的设计，实现使用i c p 传感 器采集振动信号的功能。 在f p g a 芯片上设计s o p c ，包括3 2 位n i o si i 软核处理器和p l l 锁相环 设计等。 3 ) 第四章设计基于s o p c 的s d 卡读写功能，首先分析s d 的工作方式和工作时 序，使用可行的方法设计s d 卡读写电路连接图并编写软硬件工程，并在线验证 了s d 的读写功能。 4 ) 第五章使用v e r i l o gh d l 硬件语言设计f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 算法硬 件加速模块，与n i o si i 处理器集成在f p g a 器件上，完成振动信号频谱转换的复 杂算法。 5 ) 第六章使用v e r i l o gh d l 硬件语言设计f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 数字 滤波器，实现对振动信号进行高频抗混叠滤波的功能。 6 ) 第七章对系统进行总体验证和评价，提出了系统的改进意见。 1 4 本章小结 本章首先探讨了本课题的研究背景及研究意义，介绍了振动监测系统的国内 外发展状况和发展趋势，阐明了系统使用s o p c 方案代替传统m c u 和d s p 方案 的现实意义和可行性。交代了本课题的主要研究内容以及相应的各章节研究内容 安排。 4 第二章针对对象的系统性能监测参数的确定 2 1 本章实验目的 本章实验目的在于使用通用振动测试系统采集管式分离机的正常状态下的 振动信号，然后根据信号处理理论确定待设计系统的数据处理部分( 如f f t 模 块和f i r 滤波器模块) 的各项参数。 2 2g q l 4 5 型管式分离机简介 本课题的测试对象是上海知正离心机有限公 司的g q l 4 5 型管式分离机。g q l 4 5 型管式分离机 主要用于生物医学、中药制剂、保健食品、饮料、 化工等行业的液一固分离和液一液一固三相分 离。是目前用离心法进行分离的理想设备。 2 2 1 分离机的主要结构 g q l 4 5 营式高速离心机( 如图2 2 ) 主要有： i 转鼓部分； 2 机架部分； 3 机头部分： 4 压带轮部分； 5 滑动轴承组部分； 6 驱动体部分。 图2 - 1g q l 4 5 管式分离机 转鼓f 7 ) 由三部分组成：上盖、带空心轴的底盖和管状的转鼓。转鼓内，沿 轴向装有对称的三棱板( 5 ) 。使进入转鼓的液体很快地达到转鼓的转动角速度。 被澄清的液体从转鼓上端出液口排出，进人积液盘( 8 ) 、( 9 ) 再流入槽、罐等容器 内。固体则留在转鼓上，待停机后再清除。 转鼓及主轴( 1 2 ) 以挠性联接悬挂在主轴皮带轮上，主轴皮带轮( 1 3 ) 与其他部 件组成为机头部分。主轴上端支承在主轴皮带轮的缓冲橡皮块上，而转鼓用联接 螺母( 10 ) 悬于主轴下端。转鼓底盖上的空心轴插入机架上的一滑动轴承组( 3 ) 中 滑动轴承组靠手柄( i ) 锁定在机身上：该滑动轴承装有减震器，可在水平面内浮 动。在有些用户特定的要求下，可以安装冷却盘管( 1 8 ) 。 离心机的外壳( 1 9 ) 、箱门( 6 ) 等，是转鼓的保护罩，同时又是机架的一部分， 其下部有进料口( 2 0 ) 。物料进入进料口后经可更换的喷咀和底盖的空心轴进入转 鼓。 电动机( 1 7 ) 装在机架上部，带动压带轮及平皮带( 1 4 ) 转动而使转鼓旋转。 图2 2g q l 4 5 型管式分离机结构 ( 1 ) 锁紧手柄；( 2 ) 关门把手；( 3 ) 滑动轴承组；( 4 ) 空心轴；( 5 ) - - 棱板；( 6 ) 箱门；( 7 ) 转鼓： ( 8 ) 积液盘；( 9 ) 积液盘；( 1 0 ) 联接螺母；( 1 1 ) 机头轴承；( 1 2 ) 主轴；( 1 3 ) 主轴带轮； ( 1 4 ) 张紧轮；( 1 5 ) 电机带轮；( 1 6 ) 上部箱体；( 1 7 ) 电机；( 1 8 ) 冷却盘管； ( 1 9 ) 后部箱体；( 2 0 ) 进料口；( 2 1 ) 机架； 主要性能和参数： 表2 - 1g q l 4 5 型管式分离机性能参数 转鼓转速1 4 0 0 0 r m i n 最大离心力 15 9 0 0 r c f 转鼓内径 d p l 4 5 m m 转鼓有效长度7 3 0 m m 转鼓内固体容积 9 三 电机功率 3 k w 外形尺寸8 9 0 x 5 8 0 1 6 7 0 m m 进料口口径 q ，1 2 m m 出液口口径 6 p 3 2 m m 2 2 2 分离机的工作原理和常见故障 高速管式分离机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物 中各组分的机械，又称高速管式离心机。高速管式分离机有一个绕本身轴线高速 6 旋转的圆筒，称为转鼓，由电动机驱动。悬浮液( 或乳浊液) 由底部进液口流入、 上部出料口流出。悬浮液( 或乳浊液) 进入转鼓后，被迅速带动与转鼓同转速旋 转，悬浮液( 或乳浊液) 密度不同的各组分在离心场中迅速沉降分层，从而实现 液一固( 或液一液) 分离。 由其工作原理可知，附着在转鼓筒壁上的分离残渣极易造成的转鼓不平衡引 起剧烈振动，进而导致设备损坏。 此外转鼓轴承损坏或润滑不够、转鼓安装不平衡、挠性轴弯曲或摩擦、转鼓 本身损伤等原因都会导致机体振动剧烈、响声异常。如不及时发现处理，都会造 成经济损失和危及人身安全。 2 3 管式分离机振动信号的采集与数据分析 旋转机械的主要构成部件是指转子，支承转子的轴承、定子或机器壳体、联 轴节，此外还有齿轮传动件、叶片叶轮和密封等【1 0 】。 本系统监测对象属于典型的旋转机械。由于振动这个参数比起其他状态参 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、快速 准确的反映设备的运行状态，即正常状态还是异常状态，所以振动一般作为对设 备状态进行诊断的主要依据【】。 常用的振动参数有：幅值，频率，相角，振型等。在旋转机械的机壳测量中 振幅和频率是可供测量和分析的主要参量，所以本系统主要测量和分析幅值和频 率参数h 2 。 2 3 1 实验设备介绍 l o t e c h 公司的w b k 5 1 6 e 及w b k l 8 振动信号采集仪器，其连接方式如图 2 3 所示。美国p c bp i e z o t r o n i c s 公司的i c p 模态测试加速度传感器及其专用电 缆。w b k 516 e 主要功能如下： 8 通道动态信号输入。 内置恒流源，可直接接入i c p 型加速度传感器。 软件可选a c 或d c 耦合。 带有同步采样保持。 可编程的8 阶b u t t e r w o r t h 滤波器，程控截止频率范围从5 h z 5 0 k h z 可编程超差保护。 i c p 故障检测。 可选t e d s ( 传感器电子数据表格) 支持，存储传感器校准信息2 5 v d c 输 入范围。 7 图2 - 3w b k 5 1 6 e 连接w b k - 1 8 采集振动信号 p c bd i e z o t r o n i c s 公司的1 c p 加速度传感器，压电集成电路( i c p ) 已经被注册 为公司n 标, ( p c bp i e z o t r o n i c sl n c ) ，特指他们生产的1 e p e ( 自带电量放大器或电压 放大器的加速度传感器) 产品。其技术参数如下： 型号：3 3 3 8 3 0 灵敏度：1 0 0 m v g 。 频响( 士1 0 ) ：0 , 5 3 0 0 0 h z 。 量程：_ + 5 0 蜀o k 。 分辨率：o 0 0 0 1 5 9 r m s 。 温度范围：一1 8 6 6 。c 。 接头类型：侧端10 - 3 2 。 重量：4 9 r a m 。 具体试验方法按照国家关于离心机、分离机机械振动测试方法的标准文件 g 31 0 8 9 5 8 9 的规定进行。 因为i c p 加速度传感器不能直接安装在轴承上，按g b1 0 8 9 5 - 8 9 文件要求测 点应移至距轴承部位最近的坚实机体上，作刚性连接。i c p 加速度传感器安装图 如图2 - 4 和2 - 6 所示为作对比至少采集正交的两路振动信号“1 。 图2 - 4i c p 加速度传感器安装图 图2 - 5g b10 8 9 5 8 9 中管式分离机测点示意图 t - 自 图2 - 6i c p 加速度传感器安装俯视图 2 3 2 实验数据分析 分离机转子的转速分别为6 0 0 0 r l m i n 和9 0 0 0 r m i n 时，测得的频谱特性如图 2 7 至2 1 0 所示： 1 ) 转速为6 0 0 0 r r a i n 图2 - 7x 轴向频谱冒 圈2 - 8y 轴向频谱圉 2 ) 转速为9 0 0 0 r m i n 图2 - 9x 轴向频谱图 图2 - loy 轴向频谱图 旋转机械的振动是一种非常复杂的振动，对实验数据进行处理可知，除了最 主要的挠性轴转子的振动频率外，还有其他部件结构引起的固定频率振动。图 2 - 7 至图2 1 0 为机器在正常状态下挠性轴转子分别稳定运行在6 0 0 0r r a i n 和 9 0 0 0r r a i n 时的频谱图，由于皮带传动的滑动教应，挠性轴的实际转动频率低于 控制面板的指示频率。 由以上频谱圈可见，振动主要由挠性轴转子的1 倍频引起，其他整数倍频和 分数倍频的频率分量可忽略不计，由设备指标可知，其最大转速为1 4 0 0 0 r r a i n ， 即挠性轴转子频率不会大于2 3 4 b z ，其2 倍频不大于4 6 8 i z 。考虑到高倍频的 衰减，故将分析频率取整定为5 0 0 册为抗混叠根据采样定理将采样频率定 为25 6 倍，即只；2 5 6 = 1 2 8 0 h z ，根据6 0 0 0r ，m m 、9 0 0 0r v 正n 以及 1 2 0 0 0r m i n 频谱图除挠性轴转子1 倍频外主要需要辨识的频率为：4 0 h z 、 1 2 5 h z 、2 5 0 丑z 妊的固定频率j 。 由信号处理理论可知采样点数和普线数吖有如下关系： n = 25 6 m ( 2 - 1 ) 其中谱线数m 与频率分辨率a f 及最高分析频率只有如下的关系： a f = m ( 2 - 2 ) 即： m = a f( 2 - 3 ) 所以： n = 2 5 6 巴心。 ( 2 - 4 ) 采样点数的多少与要求多大的频率分辨率有关，采样点数直接影响系统的响 应速度和准确度，采样点数越大，则在e 一定的情况下，频率分辨率竹就越小， 频率分辨的精度就越高，但同时信号处理模块就越复杂，系统的响应速度也越慢， 由此可见，应该在系统的响应速度和精度间做出折中的选择，使二者都能满足系 统的需要。在这里将系统的采样点数初步定位1 2 8 点，则由式( 2 4 ) 可得： a f = 2 5 6 e n = i o h z ，即可以区分开大于l0h z 的两个频率峰值。 2 4 本章小结 本章详细介绍了本系统的振动监测对象g q l4 5 型管式分离机，按g b 10 8 9 5 8 9 标准采集了其正常振动信号，使用了p c bp i e z o t r o n i c s 公司的i c p 加速 度传感器和w b k 516 e 采集仪器。然后对实验数据进行频谱分析，根据信号处理 相关理论，确定了本振动监测系统的采样频率、分析频率和频率分辨率等参数。 第三章基于s o p c 的系统顶层模块设计 3 1s o p c 介绍 3 1 1s o p c 简介 s o p c 称为片上可编程系统，是p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ) 技术融合的结果。是由美国a l t e r a 公 司在2 0 0 0 年提出来的一种灵活高效的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 解决方案。s o p c 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统s o c ；其次它是可编程系统，具 有灵活的设计方式，可剪裁、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功 能【13 1 。 s o p c 同时具有s o c 和f p g a c p l d 的优点，具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核。 具有小容量片内高速r a m 资源。 丰富的i p 核资源可供选择。 足够的片上可编程逻辑资源。 处理器调试接口和f p g a 编程接口。 可能包含部分可编程模拟电路。 单：占片，低功耗，微封装【1 6 。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实 时多任务操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 为中心的软件设计技术、以p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外， s o p c 还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。 3 1 2n i o si i 软核处理器介绍 n i o si i 是a l t e r a 公司提供的基于h a r v a r d 结构的3 2 位r i s c 通用处理器 i p c o r e ，使用3 2 位的r i s c 指令集，3 2 位数据线宽度，3 2 个通用寄存器，3 2 个 外部中断源和2 g b 寻址空间；拥有基于边界扫描的调试逻辑，支持硬件断点， 数据触发，以及片外和片内的调试跟踪等高级特性，其具体特性如表3 1 所示【1 7 】。 在系统开发中使用n i o si i ，可以根据需要自行配置处理器数目。开发者可在f g p a 容量允许范围内，自由配置处理器的c a e h e 大小、指令集r o m ( r e a do n l y m e m o r y ) 大小、片内r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 和r o m 大小、i 0 引脚 数目和类型、中断引脚数目、定时器数目、通用串口数目、扩展地址和数据引脚 等处理器的性能指标，而且可以在处理器a l u ( a r i t h m e t i cl o g i cu n i t ) 中直接 加入自行定义的数字逻辑，并添加自行定义的处理器指令。可见，使用n i o si i 具有极大灵活性和很高的处理效率【l8 ，1 9 j 。 3 2 系统硬件设计 1 2 本系统使用以f p g a 为物理载体的单芯片s o p c 技术代替传统的m c u + d s p 的多芯片s o c ，可以降低设计难度提高系统稳定性。硬件框架结构如图3 1 。 f p n a s o p c 匕：卜一怛十1 寸， f 卜肼水千寸矸 圉 j i 窖 吨丑- j 一【习一 1 套 一巴竺竺厂 主 露j 圈 。麓。, - r l 一冈一 悃- 7 l ! 厂 田口振躲一e _风- 倡- 史件l 一、， i 雠器r ，u 碾八- 加速模块 口 图3 - 1 系统框图 首先i c p 加速度传感器采集振动信号传输，经过模拟滤波器滤波后数据送到 a d 转换器，转换成数字信号后，由f p g a 管脚传输到数字f i r 滤波器，经过数 字滤波后传给f f t 硬件加速模块。f f t 的运算结果由n i o si i 处理器控制暂存到 片外s d r a m 中，并由n i o si i 处理器分析频率峰值是否正常，若有异常则n i o si i 处理器发出报警指令并将f f t 运算结果存储到s d 卡中，供进一步分析。 3 2 1f p g a 器件选择 f p g a 芯片选择采用了a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 8 q 2 0 8 芯片。 c y c l o n ei if p g a 是c y c l o n e 系列f p g a 中的第二代产品。它延续了与上一代产 品相同的优势一用户定义的功能、领先的性能、低功耗、高密度以及低成本。 c y c l o n ei i 器件扩展了低成本f p g a 的密度，使之最多达到6 8 4 1 6 个逻辑单元 ( l e ) 和1 1m b 的嵌入式存储器。 e p 2 c 8 q 2 4 0 c 8 芯片特性： 包含8 2 5 6 个可编程逻辑单元( l e ) 。 3 6 个m 4 kr a m 块( 4 k 比特和5 12 校验比特) ，总量16 5 8 8 比特r a m 。 l8 个18 位嵌入式硬件乘法器。 2 个嵌入式p l l 锁相环。 13 8 个用户i o 管脚。 7 5 个高速差分通道。 支持e p c s 4 、e p c s l 6 、e p c s 6 4 串行配置器。 使用用q u a r t u si i 软件可仿真硬件的功能。使硬件设计如同软件设计一样灵 活方便。利用j t a g 接1 2 1 可对其进行i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 提 1 3 高了系统的灵活性。随着芯片集成度的提高，单片f p g a 内不仅拥有大量的逻辑 单元而且还能集成r a m ，r o m ，i o 及d s p 块等。从而使s o c 成为现实”】。 3 2 2a d 转换电路设计 数据采集模块中最主要的部件就是a d ( 模 数) 转换器，a d 转换器作用是把一个模拟信号 转换为数字信号【7 1 。传感器输出的是反映旋转机 械运动状态的连续电压信号。因此，需要a d 转 换器将连续的模拟电信号转换成计算机能处理的 离散的数字信号。 m a x l 7 6 是m a x i m 公司生产的具有s p i ( s e r i a 接口的1 2 位逐次逼近式( s a r ) a d 转换芯片。其特性如下： 1 2 位串行a d 转换芯片。 转换速度为2 5 0k h z ，转换时间为3 5 9 s ，o 4 p s 跟踪保持时间。 输入模拟电压：+ 5 v 。 + 5 v 、一1 2 v 或一15 v 供电。 s p i 、q s p i 和m i c r o w i r e 兼容串行输出。 内部基准，无需外部提供基准电压。 d i p 8 引脚封装，外接元件简单，使用方便 2 0 , 2 1 】。 m a x l7 6 芯片引脚如图3 2 所示。引脚的功能如表3 1 所示。 表3 1m a x l8 7 管脚功能 引脚名称功能 一一。_。-。+ _ 。 1v d d 工作电源：+ 5 v 5 ： 2 3 模拟电压输入，范围为+ 5 v 双极性电 ：压输入； 参考电压，内部参考为4 0 9 6v ，使 + 用内部参考时引脚对地接一个4 7 t f 电 容，使用外部参考时，接一5 y 的v d d 基 4 准电压； g n d 5data 6c l o c k 地： 串行数据输出，在串行脉冲s c l k 的 下降沿数据变化 串行时钟输入，最大允许频率为5 s m h z 7 c o n v s t 转换开始引脚； 8 v s s 负电压输入11 4v 15 7 5v 1 4 m a x l 7 6 与f p g a 的连接电路如图3 3 所示。a d c o n v s t 、a d c l k 和 a dd a t a 为f p g a 的3 个i o 管脚，其中，a dc o n v s t 为控制片选，a dc l k 为输入串行移位脉冲，a d d a t a 为接收串行数据