（控制理论与控制工程专业论文）基于worldfip现场总线振动测量仪表的设计研究.pdf

了， 6 0 8 5 5 f 摘要 振动测量是实现系统状态监测和故障诊断的一个重要组成部分，本文主要讲述 了如何设计基于 w o r l d f 工 p现场总线的振动测量仪表，如何利用现场总线对仪表进 行控制和参数组态。论文内容包括仪表元器件选择，硬件电路的设计，软件驱动程 序的开发，如何实现振动测量仪与现场总线的通信等。硬件电路设计部分详细说明 了仪表电路结构及工作原理;软件设计部分则论述了整个仪表的工作过程，其中包 括如何利用 6 8 h c 1 2单片机实现软件锁相环和现场数据的整周期采样。此外，还论 述了国内外振动测量仪的开发现状，开发现场总线振动测量仪的意义以及现场总线 振动测量仪所应具备的基本特征。文中还对整周期采样所造成的误差进行了分析。 关键词:现场总线，振动测量，整周期采样，w o r 1 d f 工 p ,锁相环 ab s t r a c t v i b r a t i o n me a s u r e m e n t i s a n i m p o r t a n t p a r t o f r e a l i z i n g t h e s y s t e m s t a t u s m o n i t o r a n d f a u l t d i a g n o s e . t h i s p a p e r p r i m a r i l y d e s c r i b e s h o w t o d e s i g n v i b r a t i o n m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t b a s e d o n wo r l d f i p f i e l d b u s , h o w t o r e a l i z e c o n t r o l a n d p a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o n t o t h e i n s t r u m e n t u s i n g f i e l d b u s . t h e c o n t e n t s o f p a p e r c o n t a i n s t h e s e l e c t i o n o f t h e p r i m a l d e v i c e s , t h e d e s i g n o f t h e h a r d w a r e c i r c u i t , t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d r i v e p r o g r a m e a n d h o w t o r e a l i z e t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n v i b r a t i o n m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t a n d f i e l d b u s . i n t h e p a r t o f t h e h a r d w a r e c i r c u i t d e s i g n , t h e s t r u c t u r e o f t h e c i r c u i t a n d t h e p r i n c i p l e o f t h e i n s t r u m e n t a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l . i n t h e p a r t o f t h e s o f t w a r e d e s i g n , t h e w h o l e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e i n s t r u m e n t i s d e s c r i b e d i n d e t a i l , a n d t h a t h o w t o r e a l i z e s o f t w a r e p h a s e - l o c k e d l o o p a n d f u l l p e r i o d v i b r a t i o n s a m p l i n g u s i n g 6 8 h c 1 2 a r e a l s o d e t a i l e d i n t h i s p a r t . t h e p r e s e n t d e v e l o p l e v e l o f t h e v i b r a t i o n m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t i n d o m e s t i c a n d o v e r s e a s , t h e m e a n i n g o f d e v e l o p i n g a n d t h e b a s i c c h a r a c t e r o f v i b r a t i o n me a s u r e me n t i n s t r u me n t i s a l s o d e s c r i b e d . t h e e r r o r c a u s e d b y t h e f u l l p e r i o d v i b r a t i o n s a m p l i n g i s a n a l y s e d i n t h e p a p e r . g a o y i j i e ( c o n t r o l t h e o r y a n d e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . y a n g g u o t i a n k e y w o r d s : f i e l d b u s , v i b r a t i o n m e a s u r e m e n t , f u l l p e r i o d v i b r a t i o n s a m p l i n g , wo r l d f i p , p h a s e - l o c k e d l o o p 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 第一章绪论 1 . 1 振动测量的作用及研究发展状况 随着计算机技术和数字信号处理技术的迅速发展，机械设备振动监测与故障诊 断技术被广泛用于电力、石油化工、冶金等行业的大型、高速旋转机械中。目 前这 种技术己成为设备现代化管理和提高企业综合效益的技术基础。它之所以得到迅速 的发展，是由于传统的设备计划维修制度的缺陷造成了维修费用的巨大浪费国内 外实践表明，以振动测量与故障诊断技术为基础的设备预知维修能节省大量的维修 费用，取得显著的经济效益，而且还能保证设备的安全运行，预防和减少恶性事故 的发生，消除故障隐患，保障人身和设备安全，提高劳动生产率。目前，监测机械 设备状态的手段虽然很多，但实践表明，振动信号的监测是一种易于实现而又可靠 的办法。 设备的振动信号是设备的状态信息的载体，它蕴含了丰富的设备异常或故障的 信息，而振动特征是设备运行状态好坏的重要标志。因此，振动测试是设备状态信 号的基本测试手段，对振动信号的检w1 1 能够获得设备的状态的有效信息，对它的分 析则是诊断领域中一个被广泛采用的方法。现代传感器技术的发展为振动信号的测 试提供了有力的保证。现代振动测试都是采用电测法，即把待测的机械振动量的变 化转化为电量的变化，这种机一电转换是通过传感器来实现的。因此传感器性能的 好坏直接影响到振动测量结果的准确性和可靠性，从而影响分析和诊断结果的正确 性。近年来，微电子技术的新发展和新应用，微机化机械加工技术的不断更新和加 工工艺的不断改进，现代振动与冲击测量传感器正朝着更小，更轻，更可靠耐用和 更价廉物美的方向发展。国内外不断成功的研制和开发了微电容式、微应便式、石 英振梁式、静电平衡式等新型加速度传感器以 及激光测振仪等新型位移传感器，这 些传感技术大大推动测试技术的发展。振动测量仪性能的好坏直接影响到计算机分 析结果的正确性， 高新技术的数据采集卡不断的涌现， 性能价格比也在不断的提高， 各种新的高可靠性元器件不断的问 世，这使得设计更高速，高可靠性的数据采集卡 成为可能。 设备的状态监测与故障诊断和振动测量是密不可分的。振动测量是状态监测与 故障诊断的基础。 世界上最早开发设备诊断技术的国家是美国， 1 9 6 7 年在美国宇航 局和海军研究所的 倡导和组织下， 成立了 美国 机械故障预防小组 ( m f p g ) ， 开始有 计划有组织地对诊断技术分专题进行研究。 此后很多学术机构如美国机械工程学 会 ( a s m e ) ， 政府部门 如国家标准局 ( n b s ) 及一些高等院校和企业公司都参与或进 行了 与本 行业有关的 诊断技术研究， 英国 于 7 0年代初成立了 机器 保健与 状态监 测 第 3页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论 文 协会，此外，设备的诊断技术在欧洲一些国家和日 本也得到了很大的发展。主要的 产品有b e n t l y n e v a d a 公司的在线监测保护装置3 3 0 0 系统;w e s t i n g h o u s e 公司的人 工智能集中诊断电话设备在线专家系统 p d s : s i e m e n s 公司的监测汽轮发电机组运 行的诊断系统，我国在这方面起步较晚，在 8 0年代初才开始这方面的研究，虽然 这些年来的到了很大的发展，但直到现在仍未能走到世界前列，从事这方面的研究 主要是科研院所和大专院校。 互 1 . 2 现场总线振动测量仪表概述 1 . 2 . 1 振动测量仪的发展现状 振动测试技术不仅用于寻找振源，振动强度和可靠性，隔振，减震，舒适性等 问题的分析，近年来又成功的应用于重要机械设备的监测和控制，预报和识别故障 等方面，因而极大的提高了机械设备的效率和可靠性。此外，如地震预报和分析， 产品的质量检测，地质和矿藏的勘查等也广泛应用振动测试技术，因此。振动测试 技术已经成为研究和解决工程中许多动力学问题不可缺少的手段。目前，市场上的 振动测量仪主要有三种类型的产品，它们是离线式信号分析仪，便携式振动信号采 集分析系统以及计算机在线监测系统。它们各有所长，便携式振动测量仪体积小， 非常便于携带，同时具有完善的现场功能。它由传感器获取被测物体的振动信号， 如位移，速度或加速度，并把采集的电压或电流信号进行放大，滤波，数值化，测 量数据显示，数据的频谱分析和数据的存储。大部分的便携式振动测量仪可用电缆 和计算机通讯，将采集的数据送入计算机进行二次处理，还可将数据保存在数据库 中，以备日后使用。但是，便携式振动测量仪不能工业现场的实时监测，对数据的 处理能力也十分有限。目前广泛使用的是计算机在线监测系统，一般的系统都具有 比较完善的状态监测和故障诊断功能，系统集信号采集和信号处理于一体，智能化 程度高， 但价格比 较昂贵。 下面以b e n t l y 公司的e n - 8 0 0 0 系统为例来说明， e n - 8 0 0 0 系统主要有数据采集，状态监测，信号分析和智能故障诊断等功能，此外，系统还 具有系统参数设置，动平衡计算，事件列表，知识库管理和帮助服务等功能。其主 要特点是:( 1 )系统硬件采用积木式插件，配置灵活，组态方便;( 2 )信号分析功 能齐全，包括时域分析，频域分析，瞬态分析和趋势分析等，并具有图形打印，联 机帮助和动平衡计算等功能。( 3 )科学的诊断理论，完善的知识处理模式和先进的 计算机技术的结合，使故障诊断真正实现了智能化和现代化。 1 . 2 . 2 现场总线控制系统 第 4页 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 竺 竺 边(a r r, )k + 学 位 ie 现场总线 ( f i e l d b u s ) 是应用在生产现场的， 在测量控制设备之间实现双向，串 行， 多点通信的数字通信系统。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量仪表中，使之具有数字计算和数 字通信的能力， 采用一定的介质 ( 例如:双绞线、同轴电缆、 光纤、 无线、 红外等) 作为通信总线，按照公开，规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场 设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的 自动化控制系统。 现场总线是 2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。基于现场总线的现场总 线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备 的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络接点的智能设备连接成网络系统，并通过 组态进一步构成自动化系统，实现基本控制，补偿计算，参数修改，报警，显示， 监控，优化以及测，控，管一体化的综合自 动化功能。现场总线控制系统是一个以 智能传感器，自 动控制，计算机，通信，网络等技术为主要内容的多学科交叉的新 兴技术，在过程自 动化，制造自动化，楼宇自 动化，交通，电力等领域都有广泛的 应用前景。 现场总线控制系统的发展趋势主要体现在以下几个方面:( i )现场总线控制系 统是全面数字化，网络化的控制系统。 这体现在位于现场的传感器/ 执行器一级也全 部实现数字化，智能化，它们彼此之间以及与控制器之间通过现场总线构成工业现 场的局域网络，进而连接到上层控制网，管理网甚至互联网，形成一个无所不在的 网络系统，信息可以在现场，车间，工厂，公司总部之间自由流动。( 2 )现场总线 控制系统的网络结构向简单的方向发展。早期的 ma p模型由 7层组成，现在 r o c k w e l l 公司提出了 3 层的结构 自动化， f i s h e r - r o s e m o u n t 公司提出了2 层 自动化， 还有的公司甚至提出了 1 层结构，由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3 层 设备，2 层网络的3 + 2 结构:3 层设备是位于底层的现场设备，如传感器/ 执行器， 以及各种分布式 i / o设备等;位于中间的控制设备，如 p l c ， 工业控制计算机，专 用控制器等;位于上层的是操作系统设备，如操作站，工程师站，数据服务器，一 般工作站等。2层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作 设备之间的管理网。 ( 3 ) 现场总线控制系统大量采用成熟的，开放的， 通用的技术。 如在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的 t c p / i p协议加以 太网， 操作设备一般采用工业p c机甚至普通的p c机，控制设备一般采用标准的p l c或 者是工业控制计算机等，而控制网络就是各种现场总线的的应用领域。 由 此可见， 新型的现场总线控制系统与传统的控制系统 ( 如d c s , p l c ) 之间并 不是完全取代的关系， 而是继承， 融合， 提高的关系。 例如现场总线控制系统与d c s 之间有结构相似之处，但在底层用现场总现取代了传统的 ( 4 - 2 0 ) m a信号，就使 功能上发生了重大变化。现场总线控制系统常常采用标准的p c做操作站， p l c作 第 5页 一 一理 翌些j j ;k * ( i l 京 ) 硕 士 学 位 论 文 控制站，在控制站上装有现场总线的通信模块，可与现场总线的智能设备相连，从 而减低了系统的成本，提高了系统的开放性。 ，2 . 3 现场总线振动测量仪表的特征 在传统的状态监测和故障诊断设备中，数据的实时传输往往成为产品升级换代 的瓶颈，现场总线的出现为工业设备的状态监测和故障诊断提供的广阔的发展空 间， 现场总线即将或己经成为工业控制系统的标准， 这意味着所有信号都应该通过现场 总线进入或者从系统中发出， 但是目前尚没有采用现场总线的振动测量仪表， 因此目 前 振动往往必须采用独立的系统， 造成设备上的冗余， 也增加成本和维修管理工作量。 现 场总线振动测量仪表应同时具有以下几个特征: i )能精确测量现场振动信号。 这是振动测量仪表最基本的功能，测量的数据包 括振动的速度，位移和加速度以及鉴相脉冲信号，能完成多路数据的同时采集，并 完成数据初步处理和实时传送。 为减少误差， 数据的采集采用同步整周期采样方案， 采集的参数由上位机按需要设定。 2 )具有一定的互操作性。不同厂家的现场仪表汇集于同一控制系统时， 各现场 仪表中功能模块的相互连接和信息的相互沟通，一般可称作为互操作。现场总线的 用户层是使现场总线控制系统实现互操作的关键，用户层规定了标准的功能模块供 用户组态成为系统。现场总线振动测量仪表也是由微处理器控制的，符合现场总线 标准的仪表，鉴于目前多个标准共存，且一台仪表难以做到兼容多种总线规范，现 场总线振动测量仪表也只能有选择的针对某种总线协议进行设计。 3 ) 利用总线协议实现数据的高效实时传输。 振动测量数据采集量非常大， 采集 速度要求非常高，这是振动测量仪表区别于其他测量仪表最大的特征，这就对仪表 本身及传输介质提出了更高的要求。传统的传输介质及通讯协议随着时代的发展， 都或多或少显示出了其弊端，在这种情况下，现场总线应运而生，数据传输的瓶颈 问题也得到了比较完美的解决。 譬如wo r l d f i p 现场总线能支持的最大数据传输速度 达到了2 . 5 mb i t / s o 4 ) 上位机将控制功能分散给现场仪表的同时能实时监控振动测量仪表。 现场总 线控制系统的最显著的特征是将控制功能分散到现场，使其控制功能更加分散。许 多用于实时控制的周期传送至控制室的信号变成了非周期性的传送至控制室的信 号，因而大大减少了现场总线上的通信负荷，与此同时，却大大增加了现场仪表之 间传送控制数据所占用现场总线的时间。 5 ) 能现场完成一些简单的故障诊断功能。 现场总线振动测量仪表是一种新型的 智能振动测量仪表。能现场完成一些自 身的故障诊断功能是其的一个基本特征。仪 表在开始工作时，能自 动检测本身的组件状态， 若检测出不能正常工作的 组件， 仪 第 6页 华北电力大学( 北京) 硕上 学位论文 表将实时上发检测报告，上位机将根据其具体情况决定仪表是否工作。 此外，由于振动测量仪表工作环境的恶劣性，为适应现场环境，就必须对仪表 的抗干扰能力提出更高的要求，因此，在仪表的设计过程中，芯片的选择，电路板 的布线都会对仪表的性能产生直接的影响。 1 . 3 选题的背景及意义 开发基于wo r l d f i p现场总线振动测量仪表意义首先归因于 wo r l d f i p的特点与 优势。 w o r l d f i p产品品种齐全，已经有很多实际应用的例子， 它采用i e c物理层标 准，支持了电缆冗余;它的大部分协议固化在硬件上，避免了由供应商随意改变造 成的不良后果; 它的生产者/ 使用者模式和总线仲裁其的调度方式保证了在一条总线 上传递大量信息的同时，不会干扰临界时间变量的通信。它的抗干扰能力极强，能 完全满足i e c关于电磁兼容的e mc标准;它的通信模式支持后台传输报文，周期 和事件变量，保证诊断信息传输不影响实时控制。w o r l d f i p现场总线不论低速还是 高速，只有一套通信协议，所以不需要任何网桥或网关，低速与高速网络的衔接只 用软件完成。 另外它的生产者/ 使用者模式和总线仲裁器的调度方式特别适合工业过 程控制用的现场总线系统。 经过 1 0多年的应用与改进，w o r l d f i p已经是一项完全成熟的技术，具有品种 齐全的通信产品和开发工具。wo r l d f i p技术目前得到了广泛的应用，如法国的电力 公司，标志汽车生产线，巴黎地铁的控制网络等等。 现场总线技术在中国己 经宣传很多了， 如f f , p r o f i b u s , l o n w o r k s , c a n , b i t b u s 等等，已经成为自 动化控制领域的人士所熟悉。wo r l d f i p虽然发展得早，但在中国 宣传还不够，了解的人并不多。不过这确实是一项在中国具有广阔的发展前景的技 术。目 前开发w o r ld f i p 产品具有很多有利的条件， 如它的技术成熟， 资料完整并容 易获得，现成产品品种齐全，基础器件容易得到等。从应用方面看，交通和电力这 两个领域正是我国要大力发展的，相对而言，这两个行业的自 动化控制水平不高， 由大量的工作可做。目前，中国用户己经逐步了解现场总线的诸多好处，但 f f产 品 成熟期还没到， 市场上可选择的 成熟 现场总 线产品并不多。 其次， 基于w o r l d f i p 现场总线的诸多技术优势， 将其引入到设备的状态监控和 故障诊断具有很重要的现实意义。开发现场总线振动测量仪表就是解决振动信号进 入分散控制系统或其他控制系统的问 题，因此省掉了一套系统，传统的振动测量方 案都是单独使用一套独立的系统。 从近几年来，国 家投入了大量的资金开发具有自 己 知识产权的现场总线产品。 国内的各大仪表生产厂家， 公司都取得了 一定的成果。 但直到现在， 在中国市场上还没有成型的 现场总线振动测量仪表出现，国外虽有成 型的 产品， 但价格非常昂 贵， 因 此， 开 发具 有自 己 知识产权的 产品 就显得更为重要。 第 7页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 4论文的主要工作 论文的主要工作是首先确定现场振动测量数据采集方案，选用等时采样还是等 角度采样，在此基础上确定系统总体方案的设计，根据方案完成硬件电路设计和软 件驱动程序的开发，调试系统并分析系统的误差，最后完成仪表的可靠性分析和仪 表的性能评估。 选择合适的元器件设计仪表的原理图以及印刷电路板 p c b图， 电路板制作及元 器件焊接完毕后，根据仪表开发要求设计程序的流程图和汇编语言 驱动程序，驱动 程序包括数据采集模块和通信模块，最后，利用上届同学的设计的通信板，完成仪 表调试，并分析整周期采样误差和软件误差。 第 8页 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 第二章现场总线振动测量仪表的总体设计 夸 2 . 1 一般振动测量系统的缺陷及本设计的规划 传统的振动测量装置往往局限于便携式振动测量仪和大型的专用的状态监测 和故障诊断系统，它们虽然都有各自的优点，但成本高、电路设计复杂、智能化程 度较低，维护困难，其利用往往与先进的控制系统脱节，振动数据无法进入分散控 制系统或现场总线控制系统等缺陷表明传统的振动测量装置已不能满足日益发展 的社会化大生产的需要。 本次设计将利用先进的现场总线技术传送振动数据，并充分前人所取得成果完 善本次设计。具体的构想是将仪表分为两大模块，一是数据采集和处理模块，另一 部分数据通信模块。 如图2 - 1 所示， 数据采集和处理模块完成现场数据的实时采集、 信号预处理、数模转换、数据的存储及发送、接收来自 通信模块的命令数据并完成 相应的操作;通信模块主要是利用 w o r l d f i p现场总线协议实现数据发送，并实时 接收来自上位机的命令数据将其处理后送给数据采集模块中的处理器。其详细电路 设计将在下一章作详细的论述。 数据采集模块通信模块 图2 - 1 仪表总体设计方案 2 . 2 设计过程中涉及的问题及其解决 振动测量仪往往用于状态监测和故障诊断系统中来实时获取现场设备振动数 第 9页 _ _华 北 电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 据，包括位移、速度及加速度，并将数据送入现场总线。由于振动数据采集现场环 境比较恶劣、数据采集通道间的同步及数据存储量大等特殊因素，在仪表设计过程 中存在许多急需解决的问题，本节就设计中遇到的信号的抗混滤波、通道的选择与 同步、信号的预处理、存储空间的分配及系统抗干扰设计等问题作详细的论述并提 出解决方案。 2 .2 .1 信号的抗混滤波 混叠是模拟信号离散化后出现的特有现象，由于采样间隔不可能无限小，致使 由离散信号恢复为原信号时产生信号失真。从频率来看，高于n y q u i s t 频率的频谱 将以该频率为中心折叠到低于 n y q u i s t 频率的频谱上，造成频谱的混叠，如图2 - 2 所示， 图中带阴影线的部分为频率混叠部分， 抗混滤波器实际上是一个低通滤波器， 用于 将 产 生混叠的 频谱 ( 大 于 f ， 部 分) 滤 掉。当 然， 如果 输入 信号高于n y q u i s t 频率的成分在 1 % 误差范围内，则可以不加抗混滤波器， 但实际上，该值是不可预测 的。理想的抗混滤波器具有矩形的幅频特性与线性地相频特性，如图2 - 3 所示，其 系统函数可以表示为: 满云程 翰人信号织谙 熟 %误差之撅率范围 0u 、 一 曰一. 一“一 000 l 图 2 - 2 i m = s n 颇率 混叠效应 0 ( a ) 矩形幅频特性 ( b ) 线性相频特性 图2 - 3 理想抗混滤波器特征 第1 0 页 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 e - j a m w二 簇。毛。 h, ( 曰) = ( 2 - 1 ) 其他 当输入信号为x ( t ) 时，滤波器输出为: y ( t ) = f 一 l x ( (j ) h ( ( o ) ) = x ( t - a )( 2 - 2 ) 既输出为经过。 延迟的输入，在图2 - 1 所示的线形相位情况下，a 被称为群迟延或 相位迟延。任何类型电路的滤波器都不可能是理想的滤波器，它们只能在某些方面 接近理想滤波器。振动测量选择巴 特沃兹类型的滤波器作为抗混滤波器是因为: ( 1 )从幅频特征上看，具有相同阶数 ( 极点数)的各类滤波器中，衰减特性 依次为考尔、 切比雪夫、贝塞尔;带通纹波特性依次为巴特沃兹、切比雪夫、考尔、 贝塞尔;巴特沃兹滤波器具有 “ 最平幅度”特性。 ( 2 )同一种滤波器如巴特沃兹，阶数 ( 极点数)增加，衰减特性改善，相应 的实现电路变得复杂。 ( 3 )巴特沃兹、切比雪夫、考尔滤波器是从滤波器的幅频特性上考虑的，滤 波器的相位特性较差，其中最差的是考尔滤波器，切比雪夫滤波器次之，巴 特沃兹 滤波器较好。 ( 4 )从相频特征上看，满足线性相位的滤波器只有贝塞尔滤波器，既其波形 失真最小，但由于其通带特性及衰减特性较差，在同样的滤波器指标下，贝塞尔滤 波器阶数要高。 抗混滤波器的设计包括滤波器形式的选择，滤波器特性的给定及滤波器参数计 算。两种极限情况:一是采样频率远高于滤波器截止频率，此时可使用上述的任意 一种滤波器而不会产生信号混叠，滤波器简化的代价是需要高速采样系统及大容量 的存储器;其二是采用高阶抗混滤波器，使其衰减特征接近理想滤波器，此时采样 频率只需略高于两倍截止频率，而滤波器的实现将变得困难。可见，抗混滤波器与 采样系统之间的协调是相当重要的。 本设计采用二阶无限多增益多路反馈低通滤波器 ( m f b )电路形式设计巴 特沃 兹二阶低通滤波器。其一般电路图如图2 - 4 所示。 设输出为v a ( s ) , 输入为v ; ( s ) ，则传递函 数为: 一 1 1 cc , r , r , 妇j-5 朴叭以一v a ( s ) = s 2 + s ( 凡r 3 + r , r i + r , r 3 ) 1 c , r , r z r 3 + 1 1 qc z r z r 3 第1 1页 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 一 r 2 i r , c ,c 2 r 2 r 3 s 2 + s ( r 2 r , + r , r 2 + r , r , ) c / r , + 1 图2 - 4 二阶无限多增益多路反馈低通滤波器 上式中令 r , a =- 一 r , 。 2 = 一- 上一叫 ”c , c a r , q 一一 r , c ,r 2r , ( r 2 r 3 + r , r 2 + r l r 3 ) ( - 2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中a 。 位幅值增益;。 为截止频率; q 为品质因数 振动测量过程中，将滤去基频 1 2 . 5 倍频以上的高频成分，在本论文中，是以电 厂汽轮机转子频率为参考的，因此，6 2 5 h z以上的频率将被滤去。选择幅值增益为 - 1 / 2 , q为0 .7 。则算出的电阻电容值为: r , = 6 k 0 , r 2 = 3 k q , r , = 2 3 k q , c , = o . 1 u f , c 2 = 0 . 0 1 4 f o 2 . 2 . 2 通道的选择及信号的同步 为全面监测设备的运行状况，要求状态监测和故障诊断系统能提供比较全面的 设备运行监测数据。在实际应用过程中，同一个设备往往有大量不同的采样点和采 用通道，在设备运行过程中，这些通道可能要求同时工作，但在某一特殊时刻，并 不要求所有的采样点都提供采样数据，只需要某些特殊的采样点数据。通道总数和 通道号的选择是系统设计过程中必然要面对的问 题。 在本次设计过程中， 为满足智 能 仪表的 设计要求， 采用运行员发 送命 令的 方式实现通道总数和通道号的 选择， 在 系 统默 认的 方式下， 系统 对所有的 通 道进行采样。当 有通道限 制要求时， 运行员 通 第 1 2页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 过总线向现场仪表发送一个字节的通道选择命令，如果现场仪表正进行本轮的数据 采样时，并不理会上位机的命令，在本轮采样完毕后，读取中断缓冲区的命令数据 后按要求对系统进行重新组态，上位机命令到此时方为有效。实际中还有一种更为 简单的方法实现同样的功能，无论上位机有无通道选择要求都对所有的通道进行采 样，采样完毕发送数据时，再根据通道选择的要求对缓冲区中的数据进行有选择传 送，即只发送有采样要求通道的数据，其余通道的数据则被覆盖掉，这种做法好处 是可以保持通道间相位误差的恒定，有利于数据的分析;不利的是需要大量的数据 存贮空间。 通道间振动信号的相位同步是一个很重要的概念，为了能从采样的数据中得到 设备的正确运行工况，必须要求能无相差的采样各个通道的数据， 否则， 误差太大， 分析的结果就不能反映设备的运行情况， 造成误判断， 其后果是不敢想象的。当然， 由于仪表设计过程中受一些客观因素的影响，往往不能保证零相位采样，适当的误 差在实际中是允许存在的。本设计中，由于有6 8 h c 1 2 单片机强大功能的支持，电 路的设计比以往振动仪表更为简单明了。对通道的采样，我们来用轮回技术，由于 采样速度极快，通道间相位的误差控制在了允许的范围内，不会对上位机数据分析 的结果造成影响。 2 . 2 . 3 信号的预处理 由电涡流传感器测量的现场原始信号并不是标准的0 - 5 v或4 - - 2 0 m a的信号， 范围一般在一 1 0 - + i o v之间， 而且由于现场的干扰， 还携带有毛刺等干扰信号， 这样 的信号是不能立即被数字化处理的，必须将其转化为标准信号后才能送入单片机， 信号预处理电路将承担此部分责任， 它将完成直交流信号的分离， 信号幅度的处理， 干扰信号的剔除等。 直交流分量经过不同的a / d转换后送入单片机，为提高系统的 智能程度，简化电路的设计，提高系统的抗干扰能力和可靠性，对原始信号采用了 两级滤波处理， 前一级采用专用的数字滤波器m a x 2 9 1 ， 后一级是利用m a x 2 9 1 内 部集成的运算放大器设计成的二阶巴 特沃兹滤波器， 由于m a x 2 9 1 有时钟选频的特 点，使系统滤波功能适用于各种振动测量场合，智能化程度得到大大地提高。直流 信号的处理相对比较简单，可直接利用6 8 h c 1 2 内部的a / d转换即可，具体实现将 在后面给出。 2 . 2 . 4 数据存储空间分配 振动测量中有大量的数据需要存储，既有直流信号又有交流信号， 还有转速信 号 等数 据。 其中 交 流信号占了 数据量的 绝大多 数.同 时， 为保证数据的 实时 性， 存 第 1 3页 华学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 贮器还需不停地被刷新， 单片机6 8 h c 1 2 提供7 6 8 字节的r a m, 3 2 k字节的f l a s h , 还有1 k字节的e e p r o m. f l a s h容量的大小可以满足驱动程序存储的需要， 不许 另扩展程序存储器。但提供的 r a m 并不能满足振动数据测量的需要，为此特扩展 了3 2 k的r a m用作数据的缓存。 使用过程中，设备每转一次，除了上述所一疏的直交流、转速等数据外，还将存 储日 期、实时时钟等参量。在存储器内， 先存储交流分量，每转一次将有 2 n * m ( n 表示每周期采样次数， m表示采样通道总数) 个字节的交流分量需要存储; 再存储直 流分量， 每转一次将有2 * m个字节的直流数据需要存储， 在有些场合不需要直流采 样，此时，直流分量的存储也可省略。每转直交流采样完毕后，为满足上位运行员 监控的需要，须存储本转转速，在存储器中占据四个字节的空间，最后存储日期和 时间分量，占据六个字节的空间。至此，本转采样数据全部存储完毕。以后转速的 存储与此相同。 2 . 2 . 5 系统抗干扰设计及功耗 系统抗干扰设计是振动测量仪的重要内容之一。包括电源抗干扰设计，元器件 布局抗干扰设计，抗干扰滤波电容设计，输入输出通道抗千扰设计等内容。 电源模块为系统正常运行提供能量支持，但同时又是干扰的重要来源之一，因 此设计合理的电源模块也是保证系统可靠性和性能的重要因素之一。在设计过程 中，由于芯片的需要，需要同时有士5 v和士巧v的电源同时供电，由于抗干扰的需 要，电源的对外接口又不能太多。本设计中，利用总线上自带的+ 2 4 v电源， 用运放 和 n j m 7 9 0 5 p a 芯片配合可得到一 5 v电源，反向器与 b a 1 9 7 8 0 5 配合得到+ 5 v电源，反 向器与k i a 7 9 1 5 配合可得到一 1 5 电源，运放与b a 1 7 8 1 5 配合可得到+ 1 5 v电源。这样 系统只需要外界提供一个电源接口即可，大大方便了用户。此外，制作电路板时， 尽量加大了电源线和地线的截面，一是要能通过三倍以上的实际流过的电流量;二 是电源线比信号线粗 3 - 5 倍。并尽量减少交叉线。 布局元器件时，将模拟元器件和数字元器件进行了相对集中的布置，由于系统 中同时存在模拟地和数字地，接地时应给与分开接地，然后选择一个公共点 ( 总接 地端) 接在一起以防干扰。在电源引脚和接地引脚间加了。 . 1 - 0 . 0 1 p f 的电容器使 滤波效果明显。对于开关量输入输出通道， 采用加光电祸合器构成隔离环节，保护 仪表元器件。 系统的功耗问题是保证系统正常运行的一个重要因素， 功耗过大， 不仅要消耗 巨大的能量，而且还会在运行中产生大量的热量，使仪表的温度急剧升高，严重时 可烧毁芯片，由于大多芯片采用c m o s 工艺设计， 系统的功耗大大降低。 系统的功 耗处决 于电 阻、电 容的 大小及数量还 有系统软件的 代码量， 此外，输入信号的 幅值 第 1 4页 华 北电力大学 ( 北京) 硕士 学位论文 及频率、电路板的布局、导线的走向等也会对功耗产生影响。 2 . 3 仪表数据采集设计方案 回转运动是旋转机械的主要运动形式，当系统中某些运动部件出现故障时会引 起瞬时速度波动方式上的变化，因此，可以 通过对瞬时速度的检测和分析诊断机械 故障。大型旋转机械故障诊断的方法可以分为两大类，这两类方法都是通过拾取轴 承或机械表面的振动信号进行故障诊断，其主要的区别是信号的采集和分析方法不 同。一类是对设备表面振动信号进行等角度的间隔采样，得到通常的数字信号后进 行频率分析 ( 包括时频、时间尺度分析)进行诊断，其特点是信号获取过程简单。 但对于复杂机器系统来说，由于振源多、机械波反射等原因信号成分往往复杂，比 较弱的故障特征会被噪声淹没而难以分辨。另一类方法是利用轴承的回转产生一个 同步脉冲，用它触发信号采集过程的a / d转换操作，得到与轴承回转同步的位移、 速度或加速度信号。由于这个信号的采样点与轴承回转严格同步，所以用时域平均 法，将一个周期分成若干个均等的时间段，每个时间段的开始对每个采样点采样一 次，根据需要，一般的旋转机械每周期每个采样点采1 2 8 . 6 4 或3 2 个数据即可。 本设计中， 采用整周期等时间隔采样法， 在振动信号中， 信号的频率范围很广， 从几赫兹到几千赫兹，如果采用传统的信号采样方法，及常用于旋转机械的随机采 样与单一频段的信号采样方法，很难从振动信号中提取有用的信号特征。因此使诊 断工作非常困难，传统的振动测量方法忽略了信号的周期性，而且在信号分析过程 中还引入了随机截断误差，因而很难达到理想的效果。现代振动测量方法大都采用 整周期采样方法。在测量过程中，通过鉴相电路得到与转速同频率的鉴相信号，然 后通过倍频电路将转速频率m倍频。 对每个采样通道， 当采样点数为k = m n n为 采样周期数)时，可通过倍频后的信号进行控制。在本论文中，转速信号的倍频是 通过软件实现的。利用 6 8 h c 1 2定时器输入捕捉，实时纪录前后两次鉴相脉冲到达 的时间， 并根据前两转的转速估算本次转速， 将其m等分后， 用此结果刷新输出比 较定时器的计数值。开启此定时器后， 此端口将输出一个m倍频的脉冲波。 但这样 将引入一定的误差，具体分析在后面给出。 2 . 4 仪表通讯协议的确定 2 . 4 . 1 现场总线的选择及存在的问题 现场总线的发展迅速，目前己经开发出4 0多种现场总线 历时 1 2 年，i e c( 国际电工委员会)发布了最终获得通过的 。2 0 0 0 年 i 月 4日， i e c 6 1 1 5 8 标准。新标 第 i s页 华北电力大学 北京) 硕卜 学位论文 准包括8 种类型的现场总线标准，容纳了8 种协议，详情见下表。 表2 - 1 i e c 6 1 1 5 8 标准定义的8 种现场总线 t y p e i t y p e 2 t y p e 3 t y p e 4 t y p e 5 t y p e 6 t y p e 7 t y p e 8 i e c 6 1 1 5 8 i e c技术报告 ( 即 f fhi ) c o n t r o l n e t 现场总线 ( 美国r o c k w e l l 公司支持) p r o f i b u s现场总线 ( 德国西门子公司支持) p - n e t 现场总线 ( 丹麦 p r o c e s s d a t a 公司支持) f f h s e h i g h s p e e d e t h e r n e t ( f i s h e r - r o s e m o u n t 公司支持) s w i f t n e t 现场总线 ( 美国波音公司支特) w o r l d f i p 现场总线 ( 法国a l s t o m公司支持) i n t e r b u s 现场总线 ( 德国p h o e n i x c o n t a c t 沙司支持) ( 1 ) i e c 6 1 1 5 8技术报告1 9 9 9 年1 季度出版，协议包括物理层、数据链路层、 应用层和用户层。物理层通过物理连接提供透明的位流传输，支持双绞线、同轴电 缆、光纤和无线介质等媒体:数据链路层负责实现链路活动调度以及总线上各设备 间的链路时间同步; 应用层主要提供通信功能和管理控制功能。 基金会现场总线( f f ) 是t y p e 1 现场总线的一个子集。 ( 2 ) c o n t r o l n e t 现场总线用于 p l c与计算机之间的一种高速确定性通信网 络， 是罗克韦尔自 动化三层网络架构的中间层， 被称为控制/ 自动化层， 其余两层为 设备层和信息层。该总线可连接串/ 并行设备、p c 、人机界面，可沟通逻辑控制和 过程控制系统，传输速度为 5 mb p s ，可寻址 9 9个节点，支持冗余结构。该总线广 泛应用于对时间有苛刻要求场合的信息传输，为对等通信提供实时控制和报文传送 服务。 ( 3 ) p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s )过程现场总线 由 西门子公司为主的+几家德 国公司共同推出， 包括三个部分: p r o f i b u s - d p , p r o f i b u s - p a , p r o f i b u s - f m s 。其中 p r o f i b u s - d p采用了o s i 的物理层、数据链路层，用于分散设备间的高速数据传输， 适合于加工自动化领域;p r o f i b u s一 队 则是用于过程自动化的总线类型;p r o f i b u s - f ms定义了物理层、数据层和应用层，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。产品品种比较齐全，现已有 2 5 0 个产品供应商，安装了2 0多万套， 用户分布于2 0 个国家， 6 5 0 个成员。目 前中国机电一体化协会己成立p r o f i b u s 专委 又卜 ( 4 ) p - n e t 最初由 丹麦的p r o c e s s d a t a 公司 开发， 于1 9 8 4 年推出:1 9 9 7 年组建 成 “ 美国物理学会国际p -n e t 用户组织” ， 会员近百家。由物理层、数据链路层、 应用层组成，传输介质使用屏蔽双绞线，最多为1 2 5 个节点，虚拟令牌传送，主要 第 i 6页 华北电力大学( 北京) 硕士 学位论文 用于啤酒、 食