振动监测与故障诊断系统简介

汽轮机振动在线监测与故障诊断系统介绍1 概述系统采用分布式结构，前端采用嵌入式结构，用于数据采集、预处理和临时存储；后端采用PC机数据库用于数据存储、监测、分析和诊断，并作为网络服务器供其他计算机通过网络访问。图11为该系统的结构图。图11 系统结构图其中前端数据采集设备从TSI接入信号，并对信号做预处理，临时存储在设备内部的硬盘或其他存储设备上，然后通过网络将数据发送到网络服务器上；服务器接受数据并将其存储在数据库中，同时服务器将数据库中的信息通过动态网站的形式发布在电厂局域网上，电厂局域网用户可以通过浏览器直接访问网站，查看实时或历史数据，进行分析诊断。2 数据采集系统2.1 数据采集子系统2.1.1 输入信号（1） 键相信号(脉冲电压信号)（2） 涡流传感器输出信号(电压信号)（3） 速度传感器输出信号(电压信号，可采用软件积分)（4） 有功和无功信号(直流电压信号)（5） 膨胀、差胀（补偿探头输出的直流电压）2.1.2 存储的参数（1） 瞬态日期、时间、转速、振动、间隙电压、膨胀、差胀（2） 稳态日期、时间、转速、振动、间隙电压、膨胀、差胀、有功和无功2.1.3 硬件采集（1） 采用组合式卡件，每个卡件可以输入6个振动信号，6个缓变量信号和一个键相信号。（2） 若干个卡件组合成一个采集器，每个采集器可以输入24个振动信号。（3） 键相信号的触发可以自由组合。即采集器的所有振动信号可以采用一个键相信号触发，也可以采用各自卡上的键相信号触发，或者某几个卡件的振动信号采用其中的任何键相信号触发。2.1.4 数据分析（1） 输入信号是电压信号，进行FFT变换后输出，并得到相位。（2） 对于不同的传感器信号，可以选择不积分、一次积分或两次积分。（3） 根据不同的传感器设定不同的灵敏度系数。2.1.5 数据存储数据输出存储为一定的数据库的格式。（1） 瞬态从100r/min开始存储数据，转速每变化rpm存储一组数据，3000r/min以内转速不变的时候（程序判断机组处于暖机阶段），每t存储一组数据。软件自动判断起停机过程，每次起停机的数据存储在单独的数据包里。（2） 稳态从定速（一般为3000r/min）开始存储，每t存储一组数据。（3） 报警和危机无论在瞬态和稳态过程中，当振动超过ALARM-1时，启动超限存储，同时存储波形和频谱。以第一组警报数据为基准，当振动量超过c时，存储当前数据，并将其作为新的基准，依次类推，进行存储；当超过t时，无论振动变化量有没有超过c，均按时间顺序存储。当振动超过ALARM-2时，启动危机事件列表存储。2.2 数据采集子系统简介数据采集子系统负责采集振动信号、键相信号及缓变量信号等，并对采集的信号进行实时处理、分析及储存。数据采集子系统采用模块化和多CPU主从结构设计，确保对振动信号进行高速、高精度、同时采样。该子系统由开关电源板、主CPU板、智能模拟量信号采集板、人机接口板组成。主CPU板采用高速ARM系列32位RISC微控制器作为CPU，速度高，数据处理能力强，负责子系统的数据集中、分析、处理、储存，人机接口，键相信号调度，与上位机的网络通信等。智能模拟量信号采集板自带CPU，开机后自动从主CPU获取配置信息，根据配置要求采集各振动信号（电涡流传感器、速度传感器）和缓变量信号（位移、偏心、胀差等），对采集到的信号进行初步处理（积分或FFT），将采集和生成的数据上报主CPU；同时智能模拟量信号采集板也实现对键相信号的调理、采集。主CPU板和各智能模拟量信号采集板通过内存进行数据交换，数据交换速度高，吞吐量大，各智能模拟量信号采集板采集和生成的数据可以快速转储到主CPU的内存，确保采集系统的实时性能。数据采集子系统的组成原理如图2-1所示。人机接口板检测维护接口键盘240x128显示器工作状态主CPU板智能模拟量采集板键相信号模 拟 量智能模拟量采集板键相信号模 拟 量智能模拟量采集板键相信号模 拟 量智能模拟量采集板键相信号模 拟 量网络接口图2-1 数据采集子系统的组成原理数据采集子系统与气轮机组在线监测故障诊断主系统集成工作的原理如图2-2所示。旋转机械传感器元件振动信号缓变信号转速、键相信号数据采集子系统1气轮机组在线监测故障诊断主系统LAN旋转机械传感器元件振动信号缓变信号转速、键相信号数据采集子系统N图2-2 数据采集子系统的工作原理2.3 设计原则 一体化设计，功能完善，结构合理，商品化的产品。 采用模块化和多CPU主从结构设计，数据采集、处理能力强大，组装、维护方便。 主CPU板和各智能模拟量信号采集板通过内存进行数据交换，数据交换速度高，吞吐量大。 16位AD转换器，采样精度高，所有模拟量均采用硬同步同时采样，采样信号同时性好。 采用1/2 4U 19标准机箱，现场安装方便。 采用进口接插件，接插牢靠。 支持交直流工作电源。 配置灵活，具有很强的现场适应能力。 根据现场的使用情况进行灵活的配置组态。 良好的人机界面供用户输入组态参数。 灵活的通讯方式，标准的通讯协议，可方便地进行系统集成。 一个10Base-T网络接口和两个RS-232接口。 支持TCP/IP和UDP/IP网络协议。 支持与多主站独立通信。 现场检测和远方检测兼备，为装置的诊断和维护提供方便。 装置自动对已注册运行的设备、重要可编程芯片、数据采集系统等进行在线检测，检测结果通过人机接口界面、告警记录等告知维护人员，帮助维护人员快速定位异常和故障部位。 标准VT100终端接口，用户可以方便对装置进行远方检测和在线配置。 工业标准设计，能够工作于各种恶劣环境。 采用电磁兼容（EMC）技术，抗电磁脉冲干扰（EMI）性能强，装置运行稳定可靠。 对敏感信号进行屏蔽。 输入信号采用光电隔离。 内部器件均选用优秀的工业级产品。 不需要特殊的加热器或冷却装置。 充分的可靠性设计，严格的质量检验，为用户提供了可靠的保证。 电源、信号入出口均有保护措施，并与主控电路隔离。 各模板地线、电源布局合理。 电源去耦滤波。 具有看门狗及数据掉电保护功能。 产品的研制、生产、检验严格按照ISO9001质量体系标准进行。2.4组成原理数据采集子系统采用模块化和多CPU主从结构设计，由电源板、主CPU板、智能模拟量信号采集板、人机接口板等组成。数据采集系统的组成如图2-1所示。2.4.1 电源板电源板是专门为数据采集子系统定制的交直流两用开关电源。主要参数如下：输入：AC220V或DC220V输出：+5V 3A +24V 1A +24V 1A2.4.2 主CPU板主CPU板是数据采集子系统的核心，主要实现数据集中、分析、处理、储存，人机接口，键相信号调度，与上位机的网络通信等功能。主CPU板采用ATMEL公司出品的高速ARM系列32位RISC微控制器AT91RM9200作为CPU，主频为228MHz，速度高，数据处理能力强。板上扩展有大容量的程序存储器和数据存储器，用于程序和数据保存；实现了两路UART串行接口、一路USB接口、一路10Base-T网络接口，用于外部设备通信；另外，板上设计有MMC大容量FLASH存储器接口，用于历史数据保存。主CPU板通过总线底板与IAI模板连接，总线驱动电路与控制逻辑电路安装在CPU板上。主CPU和IAI模板之间采用内存数据交换进行通信，通信速度快，数据吞吐量大，保证了整个采集系统的实时性主CPU板的组成原理如图2-3所示。USB接口UART1接口UART2接口AT91RM9200CPURAMEEROM网络控制器MMC控制器总线驱动与控制电路图2-3 主CPU板的组成原理2.4.3 智能模拟量信号采集板智能模拟量信号采集板采用Philps公司出品的ARM系列32位RISC微控制器LPC2138作为CPU，主要用于键相信号、振动信号和缓变量模拟信号的采样。为了保证振动信号采样的同时性，模板上采用6通道同时采样A/D转换器实现模拟量采集。每块模拟量信号采集板上设计了两片A/D转换器，完成12路模拟量采样。控制两片A/D转换器进行模数转换的键相信号由主CPU根据配置参数分配，既可以是两路独立的键相信号，也可以是同一个键相信号，这使得模拟量信号采集板的使用非常灵活方便。模拟量信号采集板通过内存交换与主CPU通信，获得主CPU的配置参数，同时将采集和处理生成的信息上报给主CPU。另外，模拟量信号采集板的数据采集和数据处理按照主CPU下发的配置参数进行，确保模拟量信号采集板与主CPU协调一致。键相信号（脉冲信号）接入装置后，需要光电隔离、滤波整形处理。键相信号调理电路由光电隔离器和滤波整形两部分组成。智能模拟量信号采集板的组成如图2-4所示。主 CPU 板LPC2138 CPUAI02AI01AI06六通道同时采样电路六通道同时采样电路交换内存及接口电路锁相环电路键相信号锁相环电路键相信号AI08AI07AI12图2-4 智能模拟量信号采集板硬同步六通道同时交流采样电路由锁相环电路、六通道同时A/D转换器和运算放大器三部分组成。锁相环电路自动跟随主CPU分配的键相信号，自动产生32倍频的方波信号，这个方波信号自动启动八通道同时A/D转换器进行交流信号采样，实现在一个周期内对六个振动信号进行同时、等间隔32次采样。六通道同时A/D转换器采用BB公司的AD8364。AD8364内置6个差分采样保持放大器、6个独立工作的16位A/D转换器，可以对6路模拟量信号同时进行采样保持、分别进行A/D转换，6路A/D转换的时间为3.7us。A/D转换完成之后，AD8364向CPU提出中断请求信号。CPU响应AD8364提出的中断请求，读取6路A/D转换的结果。硬同步六通道同时交流采样电路原理如图2-5所示。中断请求信号CPU键相信号整形电路锁相环分频器启动A/D转换1600Hz键相信号AD8364六通道同时A/D转换器AIN1IN1AIN2IN2AIN3IN3AIN4IN4AIN5IN5AIN6IN6图2-5 硬同步六通道同时交流采样电路2.5结构2.5.1机械尺寸数据采集系统采用标准19英寸、1/2 4U机箱设计。机箱尺寸如图2-6所示。需要特别指出的是，用户在打孔安装本装置时，开孔尺寸应比机箱标定尺寸略大一些，避免机箱放不进去。240mm图2-6 数据采集系统的机械尺寸2.5.2前视图公司商标、名称，产品型号、名称、铭牌，状态指示灯、键盘显示器、维护232接口等安排在装置机箱的前面板。前面板的布置如图2-7所示。公司商标、名称彩色液晶屏键盘LED指示灯产品型号、名称图2-7 数据采集子系统正视图2.5.3后视图接线端子、接插座等安排在装置机箱的后板上。后板的布置如图2-8所示。智能数据采集板主CPU板电源开关电源板图2-8 数据采集子系统后视图2.6功能2.6.1数据采集 4路键相信号，采集转速信号，根据配置参数由程序控制选择键相信号来启动A/D转换器工作。 24路模拟量信号，每路模拟量信号可以自由配置为路振动信号，采集振动传感器（电涡流传感器、速度传感器）输出的信号；或缓变量信号，采集位移、偏心、胀差、温度等信号。2.6.2实时监测 以监视图、棒表、曲线等方式实时动态显示所监测的数据和状态；2.6.3数据记录 瞬态：从转速100r/min开始，每rpm存储一组数据，连续纪录所有监测数据。 稳态：从定速（3000r/min）开始，每t存储一组数据。 报警：当振动超过ALARM-1时，启动超限存储，同时存储波形和频谱，并以第一组警报数据为基准，当振动量超过c时，存储当前数据，当超过t时，按时间顺序存储。 危机：当振动超过ALARM-2时，启动危机事件列表存储。2.6.4数据分析 对输入信号进行FFT变换后输出，并得到相位。 对输入信号进行一次积分或二次积分。 对不同的输入信号设定不同的灵敏度系数。2.6.5具有与多个主站独立通信的能力 能向多个主站同时传输装置采集和生成的数据。 多个主站可以完全共享装置采集和生成的所有数据，不存在共享冲突。2.6.6 自恢复 装置设计有看门狗电路，可使系统从异常状态自动恢复。2.6.7 自检 装置自动对重要可编程芯片、数据采集系统等进行在线检测，检测结果通过人机接口界面、告警记录等告知维护人员，帮助维护人员快速定位异常和故障部位。2.6.8 安全功能 具有两级密码设置和权限管理，防止非法操作。2.7 安全性 装置的硬件和软件均经过严格的安全测试，确保不会影响现场设备的安全运行和不会危及运行人员的人身安全。3 网络服务器3.1简介网络服务器部分的核心是数据库，其他各部分运行都是与数据库相关的，运行原理如图3-1所示图3-1 服务器工作流程示意图图3-1中箭头反映数据的宏观流向，其中每两个相邻模块之间也有信息的交互。服务器先接收前端数据采集器通过网络发送过来的数据，在这里进行相应的处理，然后转存到数据库中。而IIS服务器是一个Web站点服务器，通过它我们将数据库中的信息加工处理，制作成动态网页，通过网站的形式发布到局域网中，其他用户就可以通过浏览器访问Web网站来进行监测、分析和诊断。同时，我们也可以通过Internet远程访问IIS服务器对电厂的机组进行远程诊断。3.2系统结构3.2.1 操作系统网络服务器采用Windows 2000系列的中级服务器版本Windows 2000 Server作为操作系统。Windows 2000 Server为用户提供了前所未有的硬件和应用程序选择性、成本有效性和易于使用性，使服务器更加可靠和易于管理。同时它拥有集成在操作系统之内的Web技术，这些技术使得Windows 2000 Server在Web方面更易于使用，并且具有更高的安全性和稳定性。3.2.2 数据库系统由于数据库系统是网络服务器的核心部分，对它的要求相对高一些，我们选择微软公司的SQL Sever 2000作为数据库。SQL Server 2000根据需求不同也有不同的版本，根据我们的需要我们选择SQL Server 2000 标准版。SQL Server 2000是一款非常成熟而且应用广泛的数据库系统，其强大的功能和易用性能够满足我们的需求。并且SQL Server做为TDM系统的数据库解决方案，在国内其他同类产品中也有成功的实例。3.2.3 Web Server简要的说，这部分的主要功能就是要把数据库中的内容通过动态网站的形式发布到局域网中，供用户通过浏览器访问。这部分功能是通过IISASP实现的。IIS是Internet信息服务（Internet Infomation Server）的缩写。它是一种Web服务，主要包括WWW服务器、FTP服务器等。它使得在Intranet（局域网）或Internet（因特网）上发布信息成了一件很容易的事。Windows 2000 Advanced Server上提供的为IIS 5.0。ASP（Active Server Pages，活动服务器页面）是一套服务器端脚本环境，微软把它解释成：“一个服务器的脚本环境，在这里可以生成和运行动态的、交互的、高性能的Web服务器应用程序”。ASP其实是一种技术框架，它把HTML、脚本、组件等有机结合在一起，形成能在服务器上运行的应用程序，并按用户的请求转化成为标准的HTML页面回送到用户的浏览器。通过IISASP的架构，就可以在局域网内构造一个动态网站了。其中脚本语言可以选用VBScript或JavaScript，分析图形的绘制采用Java Applet的方式实现。3.2.4 接口软件 这部分是由开发人员编写的接口软件，主要负责和前端数据采集子系统进行通讯。这部分软件的具体功能如下： 接收每个下位机发送来的数据，验证格式化并转存到数据库中。 可对每台下位机进行远程设置，例如每个测点的报警值。 清楚向操作人员反映当前上位机与下位机的通讯状态，方便调试和维护。 同步下位机时钟。 如果上位机发生故障停止运行一段时间，同步上下位机的数据。3.2.5 客户端软件客户端软件是相对于服务器端软件而言的，这里指的就是用户使用浏览器通过网络访问服务器时所看到的内容。客户端软件主要为用户提供监测、分析、诊断等功能。其具体功能如下： 主监测画面，用机组全貌示意图的形式反映机组各个测点的基本数值，让非专业人士也能一目了然地了解机组当前的振动状态。 监测列表，以列表的形式详细显示每个测点的信息。 监测棒图，以柱装图的形式反映每次测点的数值大小。 实时趋势图，可以选择需要的测点，实时地观察其一段时间内的变化趋势。 历史趋势图，可以选择数据库存在的任意时间段内、任意测点的数据，查看其趋势变化情况。 频谱示意图，可以选择任意一个振动信号，显示其某个时间点的频谱状态。该时间点可以是当前时刻，也可以是数据库保存的历史数据中某个时刻。 故障诊断，可以根据相关数据对某个振动信号进行故障诊断，并给出初步诊断意见。以上是分析软件比较常用的功能，此外还提供一些辅助功能，包括三维频谱图、轴心轨迹图、极坐标图