【《燃气轮机转子故障信号处理及预警设计》14000字】

燃气轮机转子故障信号处理及预警设计摘要在国内外学者专家的研究成果的基础上，本文开发了基于LabVIEW的燃气轮机转子故障预警系统。对典型故障进行预警和诊断，典型故障包括不对中故障和不平衡故障。整体解决思路为先采集信号，再对信号进行分析，然后与故障信号特征进行比对，最后对信号作出预警和诊断。信号分析主要是计算特征频率和最大峰值。整个系统是由LabVIEW开发的，内容包括系统登录，功能选择，结果分析三个方面。本设计课题是在对LabVIEW软件，燃气轮机故障诊断，数据采集和数据通信技术进行了一些研究之后，设计了一个虚拟仪器程序，用于燃气轮机转子的故障预警，其主要功能是监测燃气轮机组的转子频率。对得到的数据进行计算，对转子进行特征频率分析和谐波分析：通过时域图，频域图和其他直观分析的方法，可以确定转子目前的工作状态并对可能发生的故障进行及时预警。关键词：燃气轮机转子；故障预警；LabVIEW系统设计目录第一章引言 51.1课题背景与意义 51.2国内外故障预警系统研究现状 5第二章燃气轮机系统结构研究 72.1燃气轮机的组成部分 72.2燃气轮机的辅助系统 72.2.1.燃烧室MBM 72.3燃气轮机的工作原理 7第三章燃气轮机转子故障特征分析 83.1概述 83.2燃气轮机转子故障诊断的常用参数 83.2.1动态参数 83.2.2静态参数 93.2.3其他参数 103.3燃气轮机转子常见故障 103.4燃气轮机转子故障常见诊断方法 11第四章基于傅里叶变换的燃气轮机故障信号分析及处理 154.1傅里叶变换的提出 154.2傅里叶变换在频域分析中的作用 154.3傅里叶变换在故障预警中的应用 164.3.1转子不对中故障的检测 164.3.2转子不平衡故障的检测 17第五章基于LabVIEW的燃气轮机转子故障预警系统设计 195.1LabVIEW概述 195.2系统设计 205.2.1登录界面 205.2.2密码设计界面 245.2.3信号分析及故障预警界面 25第六章总结与展望 306.1总结 306.2展望 30第七章致谢 31第八章参考文献 32引言课题背景与意义作为一种大型的旋转动力设备，燃气轮机的内部结构复杂，在高温、高压和高转速的环境下长期运行，容易发生故障，其中转子作为燃气轮机的整机设计的核心，其故障率占比最高，达45%以上。转子运行过程中发生故障会导致偏离理想的运动轨迹，并且会产生巨大的危害。在实际工程中，一旦燃机出现故障停止运行，则会带来巨大的不可估量的经济损失。据统计，燃气轮机的运维费用占比整个电厂修理费用最大，达60%以上。由于我国燃机产业核心设计技术及运维技术受制于人，被美国GE、德国西门子及日本三菱等发达国家企业所垄断，所以不得不支付高昂代价，且这种垄断将长期持续。因此，有必要在故障发生前对转子系统存在的细微故障隐患进行精确检测，一旦判断转子系统出现振动异常，及时发出报警信号提醒运维人员处理，变事后维修为事前预防，避免了更大事故的发生，这对提高电厂的经济效益，延长燃气轮机的使用寿命具有重要的意义。故障预警技术是对故障诊断技术的深入发展，它和故障诊断有本质区别，故障预警指根据SIS系统保存的设备监测数据，采用合适的预警算法，在设备故障发展初期判断设备存在的故障隐患，并发出预警信号，其重点在于预测。故障诊断与故障预警技术虽然都是判断故障是否发生，但故障发生后特征明显，故障发展初期的隐患状态特征不明显。因此与故障诊断比较，实现对设备的实时故障预警有一定困难。燃机电厂在运行过程中，积累了海量历史数据，这其中包含了实时数据、点检数据、实验化验数据、缺陷数据等，如果以故障预警为切入点，深入挖掘和合理使用这些数据，找出其中隐藏的规则关系，就可以实现对发电设备的全方位、全过程的状态监测，对设备故障在早期进行预警和全面分析评估。数据挖掘是一个融合了数据库技术、人工智能、机器学习、统计学等最新技术的多学科交叉研究领域，它可以找出过去数据之间的潜在联系，以便更好地做出理想的决策、预测未来的发展趋势等，因此，它在电力行业的故障诊断、故障预警、设备状态监测等方面有较多运用。基于LabVIEW的燃气轮机转子故障预警系统，具有研制周期短、容易组建、开发成本低、性能可靠、界面友好、易于功能扩展等优点，能够有效实现对燃气轮机转子的在线监测和故障预警，具有重要的实际意义和经济价值。国内外故障预警系统研究现状在实际的工业生产中，能源生产中的每个环节都是紧密相关的。尤其是对于安全系数要求非常高发电来说，这意味着任何小的故障或异常都将造成巨大的影响，危险甚至威胁操作人员的生命。在二十一世纪，随着科学技术的飞速发展，燃气-蒸汽联合循环发电厂被用作供电设施，发电设备的稳定性和安全性受到越来越多的关注。因此，仅靠常规的监视系统很难满足当前的要求，因此使用计算机技术诊断燃气轮机故障尤为重要。如果以燃气轮机转子为例，由于正常磨损，人为故障以及实际运行中的过载，燃气轮机转子都会发生故障。所谓的燃气轮机转子故障预警系统能够实时监控工作状态和燃气轮机转子数据，分析异常数据，确定故障类型，并向人员发出警报，使得故障发生后能被他们及时处置。同时，它可以实时备份许多数据。建立适当的紧急维修计划以应对相应的反应时间，在发生或将要发生类似故障时更快地提供相应的解决方案，并减少损失。为了实现此目标，数据采集技术和计算机技术是其基础，美国是世界上第一个将这些技术应用于故障诊断系统的国家，并且该技术已在航空工业中首次应用。电力生产行业中这项技术的使用可以追溯到几十年前，当时美国已使用计算机对小型发电厂进行实时安全监控。通过对人工智能的深入研究，人类在信息技术和计算机技术领域不断取得了骄人的成绩，设备故障的智能诊断技术已经日趋成熟，许多欧洲国家也紧追其后，取得了很大的进步。能源生产中的安全系数和带来的经济效益提到了前所未有的高度。我国在这一领域的研究始于19世纪80年代。在此之前，我国几乎没有这项技术相关的任何资料。在白手起家的情况下，我国首先引进在国外成熟的技术，不断研究并实际吸收应用，取其精华去其糟粕，结合现实，探索具有中国特色的中国特色的故障预警技术，并同时应用到许多其他领域，生产的可靠性和质量一直在不断提高，也满足了不断增长的生产需求。故障预警系统主要由信号接收，信号处理，特征频率计算，故障诊断和预警组成。其主要功能是分析接收信号的谐波，然后在正常工作条件下比较频率，如果频率超过安全范围，它将对人员提供及时的警告和诊断。燃气轮机系统结构研究燃气轮机的组成部分燃气轮机一般由三部分构成：1）压气机主要作用为将空气压缩成高压空气，然后送入燃烧室。2）燃烧室，内有燃烧器，可以将燃料与空气充分混合后燃烧。3）燃气透平，将高温高压的燃气降压膨胀，使其做功。燃气轮机的辅助系统燃气轮机是精密的发电仪器，需要多个辅助系统的帮助才能正常稳定的运行，以西门子某燃机为例，燃气轮机的辅助系统主要包括以下几个：.燃烧室MBM燃烧室不稳定主要从燃烧动态特性和燃烧室缸体振动加速度增大两个方面来体现。过大的燃烧室缸体加速度会损坏燃烧室，是必须极力避免的。1.降低出力2.触发跳机加速度的监测通过三个压电探头MBM10CY101,MBM10CY102,MBM10CY103来实现另有3个燃烧室压力波动探头MBM12CP107,MBM12CP110,MBM12CP115加速度和压力波动信号均接入燃烧室动态分析系统。燃气轮机的工作原理由发动机的燃烧室引出的高温膨胀气体也作用在涡轮增压器叶片和压缩机叶片上。为确保它推动压缩机正向旋转，就要保证涡轮增压器叶片的工作直径超过了压缩机出口叶片的工作直径。压气机出口叶片的工作面积小于叶片的工作面积。出口叶片的总面积基本上确保了在相同工作压力下涡轮增压器的输出扭矩超过了压缩机的输出扭矩。更重要的是，压缩机叶片仅在涡轮增压器叶片的设计符合良好的空气动力学设计时才能保证两者的高效运行。在燃气轮机的工作过程中燃气轮机转子通常要承受较高的温度及压力，以及较强的应力，非常容易受到磨损，因此燃气轮机的转子系统为故障的多发部位。燃气轮机转子故障特征分析概述燃气轮机是通常见于燃气-蒸汽联合循环电厂，燃气轮机装置是一种以燃料气体（通常为天然气）和空气为工质的旋转式热力发动机。燃气轮机工作的全过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速压气机将普通空气转化为高压空气，然后将其送至燃烧室，与燃烧室内的可燃气体混合并点燃，产生超高压气体。这些气体经过燃气透平转子上的叶片后压力迅速降低，体积膨胀，对外做功，最后通过燃气出口将其排放到燃气涡轮机外。燃气轮机转子故障诊断的常用参数随时且准确地了解机组的运行状况可以对燃气轮机进行预测性检修，这对于燃气轮机的日常维护来说是非常重要的，检测及监测仪器是否可靠且精确决定着当前检测到的信号是否能可以准确反映燃气轮机的运行状况，只有准确地监测燃气轮机的运行状况才能对其进行正确地维护及修理。检测和监测的基本信息是由监测仪器提供的，包括燃气轮机动态参数（振动情况），静态参数（具体位置）和其他参数。下面将具体介绍这些参数的具体信息。动态参数（1）振幅振动幅度是描述设备振动的等级或抗压强度的关键指标值。可以根据检测到的振幅幅值随时随地，检测设备是否正常运行。当技术不够好时，仅在外壳上安装一个传感器即可测试设备的振动情况，但是这种方法只能准确地测量外壳的振幅。虽然机壳的振幅可以在一定程度上表明机器出了问题，但是，由于机械结构，安装，工作条件，壳体位置和转轴与壳体之间的机械阻力，壳体的振动幅度不能直接反映转轴的振动幅度。因此，用于机械保护的适当参数不能是外壳的振动幅度。通过直接测量转子振动状态的涡流传感器可以获得重要的信息，例如设备的运行状态。为了随时检测相对于轴承架的转轴振动幅值，必须将涡流传感器永久安装在轴承架上。振幅通常以微米峰-峰值或米峰-峰值的形式来表示。一般来说，正常运行时各部位的装置的幅值稳定都应在允许的限值内。理论上，振幅变化一定伴随着机组状态的改变，无论振幅是升高还是降低，机组人员都应对振幅发生改变的原因进行检查，以保证机组的正常运行。（2）频率燃气轮机机组振动的重要信息之一是频率。对于不同的振动“源”，振动频率是不同的。大型旋转机械的振动频率通常表示为机器正常转动速度的倍数或分数。主要原因是机器的振动频率通常是机器速度的nx倍或1x/n倍所以使用该方法代替Hz来表示频率，简单实用。振动根据振动频率进行分类，可以分为同步振动和异步振动。同步振动频率是设备运行速度的nx倍或1x/n倍。异步振动频率不完全是整数倍或分数倍关系。在工况测量中，振幅和频率是测量和分析的主要参数，某些故障现象与特定频率有关，因此频域分析是测量外壳振幅的非常重要的部分。但这并不意味着振动频率和故障之间是一对一的匹配关系。实际上，特定频率的振动通常为一对多关系，即同一个频率与一个以上的误差有关。（3）振动形式特定的振动形式分析是分析来自燃气轮机组组件的信号的最常用方法。振动形式分析是指在时基图或轴心型轨图的轴心在示波器上显示的振动波的初始形状。通过观察测量到的振动波形的形状，我们可以直观地了解机器的运行状态。（4）振型所谓振型是指以一定速度沿旋转轴方向的变形。振型是通过沿着旋转轴的轴向以一定的间隔放置一组相互90°的X-Y传感器测量得出的，测量相应旋转轴部分的中心线振动的动态状态。可以对这些测量结果进行积分以获得轴振动的形状。模式形状有助于估计转子和固定部件之间的内部间隙，并且可以估计旋转轴上点的位置，振幅在旋转轴上为零。测量旋转轴相应截面的中心线振动的动态情况。这些测量数据可以整合起来得到轴的振型。振型有助于估计转子和固定部件之间的内部间隙，并能估计出转轴上幅值为零的点在旋转轴上的位置。静态参数（1）偏心位置偏心位置是轴承中转轴振动平衡位置或稳态位置的测量值。这个特殊位置的测量值可以反映轴承的磨损情况和预加负荷状态。（2）轴向位置轴向位置是指止推环的测量值与止推轴承的相对位置。通过检测此参数来对转子与定子之间可能发生的轴向摩擦进行预警，使其不会发生重大安全事故。（3）偏心度峰-峰值偏心峰值-峰值是指在静态时测量得到的转轴的弯曲度。电涡流传感器的峰-峰值的测量值可以在慢转速下用来表示转轴的弯曲度。（4）机壳膨胀对燃气轮机机组来说，需要监视机壳膨胀。通常使用安装在机壳外部，以地基为参考系的线性可变差动变压器来测量机壳膨胀。（5）对中对于一个机组来说，每个机壳之间的对中性是有一定要求的。最常见的故障状态就是不对中，尤其是在压缩机组和燃气发动机安装过程中经常发生不对中故障。一般利用机器计算组内各机器的膨胀数据，绘制安装中心参考图，作为粗略参考。最后，用仪器测定了机床的热运作状态。其他参数（1）转速转速是转轴轴每分钟转动的圈数，单位为r/min。大多数机组需要连续显示机组当前转速。现在数字转速表已经取代了模拟转速表，得到了广泛的应用，其优点是准确，直观，通常在设定值大于超速保护设定值时起到跳闸保护的目的。（2）温度零件的温度也是分析机器某些特定零件的状况的重要参数，其中轴向和径向轴承合金套筒的温度需要重点检测。同时，分析了机器温度与振动以及机器位置之间的相关性。更好地检测可能的机组设备故障。此外，还有一些状态参数（例如压力和流量）对设备的运行状况来说至关重要。燃气轮机转子故障常见诊断方法转子不平衡转子质量不平衡是旋转机械最常见的故障。文献[1]对实验转子的转子不平衡故障进行了仿真，结果表明，当转子出现不平衡故障时，其明显的特点是一倍频振动的幅度变大。同时有许多其他文章、统计数据表明，此类故障引起的大多数振动与转速（基频）振动信号同步，因此故障信号是典型的平滑线性信号。它由不同频率和幅度的正弦波形组成。当发生转子不平衡的常见故障时，由转子质量不平衡引起的振动主要表现为振幅和速度比相同的振动数据信号，即基频数据信号的振动幅度较大。通频幅值与工频幅值之比小于10%，相比于正常工况，工频幅值略微增长。转子不对中图SEQ图\*ARABIC1在文献[2]中指出，当转子发生不对中故障时，除转子工频外，转子的径向激励频率发生振动转子错位的具体形式与振动幅值有一定的关系。振动不仅作用于轴向，而且作用于径向，一般来说，轴向振动比较大。文献[3]指出，发生不对中故障时，频谱分析的结果为主要频率为二倍频和四倍频，有时极有可能引起很多高次谐波，导致频域分析得到的频率与间隙过大和松动故障的特征频率相似。重要的区别在于，转子不对中的振动在转子的径向方向上具有较大的偏差。图SEQ图\*ARABIC1转子弯曲由旋转轴的结构不科学，制造误差大，材料不均匀等原因引起的旋转轴的弯曲变形称为转子弯曲。诸如热停机后没有立即盘车，较差的耐热性以及长​​期运行后轴弯曲度增加等情况都可能导致转子永久性弯曲。转子碰磨轴端密封处是最容易发生转子碰磨故障的地方。大中型燃气轮机发电机的运行和运行中的常见问题之一是碰磨。其振动响应的特征是包含一倍频分量，变换较大和不可重复性。当检测到机组振幅的波峰和波谷一直在变化且波动幅度大于15μm，则说明机组已经发生了早期的转子碰磨。如果检测到机组振幅随时间变化越来越剧烈，则说明转轴碰磨已进入中期或晚期，如果检测到机组振幅随时间缓慢变化，则说明转子可能存热弯曲，但不是转子碰磨导致的。图SEQ图\*ARABIC2转子碰磨分为轴向碰磨、径向碰磨和组合碰磨，如图图SEQ图\*ARABIC2松动燃气轮机另一个常见的故障为机件松动。松动的零件分为两种情况，一种是脚部的固定螺钉连接松动。它的不利影响是导致所有机械设备的松动。另一种情况是，零件中间的所有正常连接关系都被破坏，由于间隙偏差（例如，在滚动轴承和轴的内孔之间，外侧和轴承座孔之间）而导致缺乏匹配精度，进而导致松动。油膜涡动在振动周期中，如果做功的径向分量油膜力超过消耗动能的润滑轴承阻尼，润滑滚动轴承阻尼，可能导致转子旋转失稳，此时振动频率约为工频频率的一半。因此，通常将其称为油膜的半速涡动。油膜涡动是由滑动轴承的油膜的结构特性引起的自激振动。当滚动轴承中出现油膜涡动时，尽管其振动幅度很小，且对滚动轴承的润滑和工作无害，但由其引起的额外动载荷容易导致机械零件的松动和疲劳失效。油膜旋转是旋转轴在油膜力作用下的旋转运动。油膜涡动的频率通常约为工频的0.42~0.46倍。振动的方向通常是径向的，并伴有一倍频。油膜震荡油膜震荡是指当转子转速上升到临界转速的2倍或以上时，半速涡动的频率与转轴的一阶临界转速相同重合、产生共振的现象。油膜振动会引起油膜损坏，使转子系统遭到破坏。油膜振动故障的特点是在第一临界转速频率处幅值很大，且转速增加时频率基本是相同的。通常同时含有多个频率，且振动是不稳定的，振动方向是径向的。转子裂纹高频和低频疲劳，应力松弛和晶间腐蚀裂纹都可能导致转子出现裂纹。产生裂纹的原因首先与电动机转子的运行机械设备有关，其次也与所处环境条件有关，这主要是热参数和可能引起腐蚀的化合物的危害所致。转子中的裂纹引起的潜在危险非常大。本章小结表1归纳了上文中介绍的转子故障类型的特征频率及检测方法。故障特征故障名称特征频率常伴频率检测方法转子不平衡1x无1x振动幅值增大转子不对中2x1x，3x2x振动幅值增大转子弯曲3x1x1x和3x振幅相同，且3x振幅大于2x转子碰磨nx(n=1,2,3,4……)1x出现大量高次谐波和低次谐波松动1/nx(n=1,2,3,4……)1x出现1/nx谐波分量油膜涡动1/2x1x出现0.42x-0.46x之间的谐波分量油膜震荡f1x第一临界转速频率处幅值很大，且同时含有多个频率转轴裂纹2x无同时出现2x，3x高次谐波分量且振动不稳定表1

基于傅里叶变换的燃气轮机故障信号分析及处理傅里叶变换的提出傅里叶是法国数学家和科学家让·巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶（1768-1830）的名称。傅立叶特别喜欢传热学，在1807年通过法国科学院发表了一篇论文。这篇论文使用正弦曲线来描述温度分布，并明确提出了当时不符合大多数人思维的观点：所有连续的周期性时间信号都可以用一组合适的正弦曲线来描述。在审查了当时的那篇论文后，两位具有里程碑意义的数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日（1736-1813）和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（1749-1827）的观点被拉普拉斯·拉格朗日反对了。在接下来的六年中，拉格朗日坚持认为，傅立叶的方法不能指示角度信号，例如波形中不连续的切线斜率。荷兰的科学研究屈服于拉格朗日的声望，拒绝了傅里叶的工作。幸运的是，傅里叶有其他事情要做，他参与了政治运动，他和拿破仑一起远征埃及，他在法国大革命后为了避免被推上断头台而一直在东躲西藏。这篇论文直到拉格朗日去世15年后才发表。拉格朗日是对的:正弦曲线不能组合成角信号。但是，我们可以用非常接近于这一点的正弦曲线来表示在这两点之间没有能量的差异，因此，傅里叶是对的。用正弦曲线代替方波或三角波的原因是有无限种分解信号的方法，但分解信号的目的是使原始信号的处理更容易。用正弦和余弦表示原始信号相比于其他方式更容易，因为正弦和余弦具有原始信号不具备的特性:正弦保真度。当输入一个正弦信号时，输出仍然是正弦信号。只有振幅和相位可能改变，但频率和波形保持不变。只有正弦曲线有这种性质，这就是我们不用方波或三角波的原因。傅里叶变换及频域分析傅里叶变换在频域分析中发挥着重要的作用，它将普通的时域信号转换为频域信号，为信号分析及处理提供了另一种截然不同的思路。下面将对其进行详细介绍。设ft为一非正弦周期函数，它的周期为T，频率和角频率分别为f和ω1。一般来说，工程信号都满足狄里赫利条件，所以可以将工程信号展开为傅里叶级数。傅里叶级数的展开如式fx=a02式中a02为直流分量，当n=1时，A1ft=式中aabn=−A则Aφ求得a0，An，傅里叶变换的正变换如式（4）所示：Fjω=傅里叶变换的逆变换如式(5)所示：ft=1大多数大中型旋转机械设备通常会产生规律的振动数据信号，该信号不仅具有单一频率的简单谐波振动分量，而且包括非简谐振动的多种振动频率分量。这些频率成分通常与设备每个部件的物理特性直接相关。以频率f为横坐标轴，以幅值A为纵坐标，测量频率与幅值的关系图，该关系图的分析方式为频域分析。频域分析的目的是将信号的各个分量尽可能多地分割成不同的幅值、频率和相位。振动信号通常来自与大型机械零件的某个部位，大多是有规律的。这种振动数据信号具有重复的基频，该基频通常以非负整数和次谐波的形式与设备主轴轴承的旋转频率有关，并且常常与它们的转动频率完全相等。在这些采集到的振动信号中，通常存在与机床主轴的旋转频率相关的许多谐波分量，同时也可能存在与主频率不相关的频率分量。测量振动信号的频率分量有两种方法。第一种是使用滤波技术，对振动信号的每个频率分量进行顺序观察，以达到信号分解的目的。第二种方法是捕获运动信号的振动数据信息块，然后信号检测器依靠快速傅里叶分析技术对其进行求解。后一种处理方法的结果可用于同时获得多个频率分量的估计。一般来说，无论使用上述哪一种测量技术，往往依赖于以下两种信号：一是速度频率信号；另一种是观测到的主旋转分量振动的时域信号。本章小结一个周期为T，频率和角频率分别为f，ω1的周期函数名称傅里叶级数展开式求法三角函数形式一三角函数形式二AAφ傅里叶正变换傅里叶逆变换表2

傅里叶变换的性质如表3所示：表3傅里叶变换在故障预警中的应用图SEQ图\*ARABIC3图SEQ图\*ARABIC3转子不对中故障的检测将接收到的工况信号进行傅里叶变换后得到的二倍频信号与正常工况的信号进行傅里叶变换后的二倍频信号相减再取绝对值，当这个结果小于ε时，说明机组处于正常工况允许的范围内，若这个结果大于等于ε，则说明机组出现了转子不对中故障。(5)式中f1表示接收到的工况信号经过傅里叶变换后的二倍频幅值，f不对中故障工况与正常工况的对比如图4所示。通过图4可以清晰的看到，接收到的工况信号的二倍频幅值明显高于正常工况信号的二倍频幅值，说明此时的机组状态存在不对中故障。转子不平衡故障的检测根据文献[4]，转子的特征频率为 f=n/60 (6)图SEQ图\*ARABIC4图SEQ图\*ARABIC5当出现转子不平衡故障时，频谱中一倍频的幅值大幅增加，同时伴有较小幅值的高次谐波，但正常工况下的转子频谱中的高次谐波幅值很小，故只要比较故障工况下的一倍频幅值即可判断是否出现了转子不平衡故障。不平衡故障与正常工况的对比如图图SEQ图\*ARABIC4图SEQ图\*ARABIC5通过图5可以发现，接收到的工况信号的二倍频明显高于正常工况信号的二倍频，说明此时的机组存在不对中故障。转子弯曲故障的检测当出现转子弯曲的故障时，接收到的工况信号的谐波分析呈现出一倍频与三倍频幅值基本相同，且三倍频幅值大于二倍频，其谐波分析如图6所示虽然转子弯曲故障类似于转子不平衡故障，但其故障特征并不相同，因此可以对一倍频、二倍频、三倍频进行检测，并比对转子弯曲故障的特征，进而判断机组当前是否出现转子弯曲的故障。图6图6基于LabVIEW的燃气轮机转子故障预警系统设计LabVIEW概述数据采集技术的发展伴随着的是计算机技术的飞速提升，为了低成本高安全性地满足作业人员的工作要求，虚拟仪器这种以计算机技术为基础的全新概念应运而生。而LabVIEW则是虚拟仪器技术中最具有代表性的软件。LabVIEW英文全称为LaboratoryVIrtualInstrumentEngineeringWorkbench，即实验室虚拟仪器集成环境。1992年由美国国家仪器公司(NationalInstruments)提出的，是最早将虚拟仪器的概念引入的开发集成环境软件，即使用者在计算机上实现所需要的某种仪器的功能，如测量、统计、仿真等，并且可以像使用真实的仪器一样进行操作。正因为是通过计算机来实现仪器的功能，所以叫做虚拟仪器。与一些常见的计算机语言，如C++、JAVA语言不同的是，LabVIEW并不是以文本语言为基础产生代码来进行编译，而是使用图形化语言（又称G语言）来构建程序代码的，是目前唯一的编译型图形编程软件。从运行机制上来说也不再是传统文字语言的顺序执行方式，而是并行执行机制，本质上说是一种数据流模式，这种方式意味着程序的执行不受计算机配置或操作系统的因素的影响。使用者只需要将想要使用的控件以及逻辑结构控件利用鼠标拖拽到前面板中合适的位置，通过合理地连线来构成符合逻辑的程序流程图即可，相比文字语言可以花更少的时间实现比较复杂的程序结构，提高工作效率。LabVIEW内置有各式控件和函数，VI前面板十分简洁，图标清晰直观，层次结构明了，对于刚踏入行业的从业者或者初次接触数据采集技术的学生老师来说很通俗易懂，降低了学习要花的时间成本，因此在全世界范围内不仅受到研究人员的认同，而且被许多高校师生所接受。是目前虚拟仪器方面最为广泛使用的开发集成环境软件。LabVIEW主要分为前面板以及程序框图两个部分。前面板是图形用户界面，在前面板上将输入控件，输出控件等合理组建成所要模拟的仪器的界面。在仿真运行或真正使用时操作人员通过前面板来观察数据以及进行操作。而控件并不只是画两个控件就可以运行。需要在程序框图上进行程序的编程，让控件之间能互相串联，是编程人员使用的界面，通过程序框图可以了解程序的工作原理。LabVIEW的特点主要有：（1）经济实惠以往为满足不同的测量要求常常要花大量的金钱去购买昂贵的仪器，而一旦新任务和新要求出现，传统仪器无法在功能上进行拓展，那么这个仪器相当于无法继续使用了，即使没有损坏，这样就造成了不必要的浪费。而LabVIEW可以不断拓展、改进程序来满足不同的要求，这样就大大降低了经济成本。（2）节约时间传统的文本语言枯燥冗长，想要熟练掌握需要花费大量的时间，LabVIEW由于其独特的G语言对初学者十分友好。当开发大型应用软件时，使用LabVIEW编程所需的时间会比使用传统文本语言短不少。可以说节约了很多在学习和开发上的时间，极大地提高了工作效率。（3）安全性由于虚拟仪器的使用不受地域因素限制，因此可以运用在许多高危区域，提高了操作人员的安全性。（4）可跨平台运行上文已提到过LabVIEW的并行机制，即只有程序中的函数节点的全部数据都被获得以后才可以继续执行，所以唯一影响程序执行的因素是数据，与操作系统无关，因此LabVIEW程序可以跨平台运行且不需要对程序进行修改。系统设计本次系统设计的主要功能是通过经傅里叶变换的转子信号来判断机组是转子不对中故障、转子不平衡故障或者是正常中的哪种状态，判断的依据为傅里叶变换得到的工况信号的一倍频和二倍频的幅值，再与设定的安全范围进行比对，这就需要程序对收到的工况信号进行信号处理。完整的进行故障预警需要的几个主要步骤：登录系统、信号处理、故障判断及预警。因为这一整套步骤的前后时间差很小，可以忽略不计，因此在本次设计中，将信号处理和故障判断及预警整合为了一个控件。登录界面图SEQ图\*ARABIC6首先，要想进入系统需要输入账号密码登录，登录界面的主界面如图6图SEQ图\*ARABIC6登录界面包含一个燃气轮机的示意图、燃气轮机转子故障预警系统的字样、以及账户名密码的输入框和一个登录按钮。当账户密码正确时其程序框图如图7和图8所示：图SEQ图\*ARABIC7图图SEQ图\*ARABIC7图SEQ图\*ARABIC8整个程序由一个while循环包裹着，在while循环中嵌套了一个事件结构，当按下确定按钮时，该条件框触发，用户名和密码的输入框得到的数据与预先设置好放在文件里的账户和密码同时输入到子VI中，经过子VI的判断输出布尔值（真或假），然后输入到条件结构，此时密码正确，则执行“真”条件框的内容，该条件框内包含了一个平铺式顺序结构，先执行第0帧，其中包含一个VI路径（该VI路径指向主界面VI的地址），将该路径导入打开VI引用控件的VI路径通道，再经过VI引用通道导出至调用节点控件的引入通道，将该调用节点设置为打开前面板，然后通过该调用节点的引用输出通道导入另一个调用节点的引入通道，同时将该节点设置为运行VI；再执行第1帧，其中包含一个当前VI路径控件，通过该控件的路径通道，引入打开VI引用控件的VI路径通道，再从VI引用通道导出，连接至调用节点的引用通道，同时将该调用节点设置为关闭VI，再从该调用节点的引用输出通道导入另一个调用节点的引入通道，同时将该节点设置为运行VI。图SEQ图\*ARABIC9当输入密码错误时就会弹出“用户名或密码错误”的窗口，其程序框图如图9图SEQ图\*ARABIC9图SEQ图\*ARABIC10与之前正常输入密码的状况基本相同，只有在条件结构为假时，里面为单按钮对话框，对话框的消息通道连接着一个字符串常量，值为“用户名或密码错误，请重试”，对话框的按钮名称通道也连接着一个字符串常量，值为“确定”。当用户名或密码输入错误时弹出窗口如图10图SEQ图\*ARABIC10密码设计界面图SEQ图\*ARABIC11密码设计界面的程序框图如图图SEQ图\*ARABIC11用户名文件使用对话框通过读取文本文件控件了解到相等控件与输入的用户名进行比较，结果输入到并控件，另一边的密码文件通过文本文件控件连接到另一个相等控件，与输入的密码进行比较，结果输入到“并”控件的另一个通道，当输入的用户名和密码都与预先保存好的用户名和密码相同时才会输出布尔值“真”，此时的结果作为子VI用作登录界面中条件结构的判断依据。功能简述：将用户输入的用户名和预先在文件里保存的用户名进行比对，若完全一致则输入“真”至“并”控件，同理，用户输入的密码也将进行同样的操作，若密码完全一致则输入“真”至“并”控件，当“并”控件的两个输入分支同为“真”时，才可以判断用户名和密码均正确，允许登录。

信号分析及故障预警界面图SEQ图\*ARABIC12信号分析及故障预警VI的主界面如图12图SEQ图\*ARABIC12图中包含4个显示波形和幅值的波形图，两个输入公式用的“字符串输入”控件，两个功能选择用的组合框，若干个“枚举”控件，两个“数组显示”控件，6个“数据显示”控件以及两个指示灯。下面详细介绍各部分的功能以及连接方式，程序框图如图13至图15所示：图SEQ图\*ARABIC图SEQ图\*ARABIC13图SEQ图\*ARABIC15图图SEQ图\*ARABIC15图SEQ图\*ARABIC14在这个程序中用到的控件有以下几个：1）公式波形VI如图16所示：在本次设计中用到了频率、幅值、公式、采样信息、信号输出这5个通道。2）FFT频谱（幅度-相位）VI如图17所示：在本次设计中用到了时间信号、幅度这两个通道。3）谐波失真分析VI如图18所示：图SEQ图\*ARABIC图SEQ图\*ARABIC16图SEQ图\*ARABIC17图SEQ图\*ARABIC17

图SEQ图\*ARABIC18整个信号分析及故障预警VI图SEQ图\*ARABIC18信号生成控件由一个组合框作为条件结构的触发条件，当组合框的值为“公示函数生成波”时，组合框的功能为读取字符串输入框的数据，将其导入公式波形VI的公式导入通道，另外将一个“簇”作为采样信息输入到公式波形VI采样信息通道，再将公式波形VI的信号输出导出条件结构，连接到显示接收到的工况信号的波形图中。信号分析控件由公式波形VI的信号输出分别连接到FFT频谱（幅度-相位）VI和谐波失真分析VI，其中FFT频谱（幅度-相位VI）的幅度输出通道连接到显示接收到的工况的谐波分析波形图中。将一个“簇”通过高级搜索通道连接到谐波失真分析VI来确定基频的搜索范围，将谐波失真分析VI的谐波电平通道连接到一个“数组显示”控件，用来显示倍频的情况，其中第一个为直流分量，第二个为一倍频，第三个为二倍频，第四个为三倍频，第五个为四倍频，第六个为五倍频，本设计中将最高谐波设为常数5，故最高只有五倍频。谐波电平信号还被引出至“数组至簇”控件，再经过“解除捆绑”控件连接到“数据显示”控件，单独显示当前工况的一倍频、二倍频和三倍频。不平衡故障情况下的一倍频与正常工况下的一倍频连接到一个“减法”控件，得出的结果连接到“绝对值”控件，再连接到“大于”控件上，另一个“数值输入”控件作为安全范围控制控件也连接到“大于”控件上，两个结果经过比较后输出一个布尔值，作为指示灯的输入信号和故障诊断及预警控件的输入信号。不平衡故障情况下的二倍频与正常工况下的二倍频连接到一个“减法”控件，得出的结果连接到“绝对值”控件，再连接到“大于”控件上，另一个数值输入控件作为不平衡安全范围控制控件也连接到“大于”控件上，两个结果经过比较后输出一个布尔值，作为指示灯的输入信号和故障诊断及预警控件的输入信号。同理，预警部分的安全范围小于故障诊断的安全范围，当超出这个范围时就会触发故障预警指示灯和提示信息，这个数据将作为故障诊断及预警模块的输入信号，用于触发弹窗。故障诊断及预警模块由信号分析模块的布尔值输入到条件结构，当条件为“真”时，条件结构内为单按钮对话框，字符串常量“警告！系统出现不对中故障！”连接到消息通道，另一个字符串常量“确认”连接到按钮名称（确定）通道。故障预警由信号分析模块的预警信号输入到条件结构，当条件为“真”时，条件结构内为单按钮对话框，字符串常量为“警告！系统可能出现不对中故障！”连接到消息通道，另一个字符串常量“确定”连接到按钮名称（确定）通道。同理，不平衡故障的预警和诊断只是在连接消息通道的字符串常量处不同。这样整个故障预警控件就完成了预警功能——当检测的结果大于允许范围时弹出窗口诊断故障。总结与展望总结随着计算机的发展，工业科学和技术的主题已经变得非常多样化，但是这些主题与作为实现这些功能的基础的计算机技术和数据采集技术密不可分。基于虚拟仪器的燃气轮机故障预警系统的设计只是工业领域数据采集技术的冰山一角。在设计过程中，使用LabVIEW软件在一定程度上了解了燃气轮机的工作原理和故障类型。掌握了相关知识之后，就可以基于使用LabVIEW的思路开始设计了。作为虚拟化工具领域的领导者，LabVIEW的使用非常方便。该程序本身具有许多内置的数学公式和函数，例如此设计中使用的快速傅立叶变换，可大大提高程序设计的效率。除数据处理外，它还可以执行实时分析和当前的模拟信号处理，例如滤波。最后，通过设计程序，直观地显示了时域图，频域图，错误类型等，满足了任务书中的要求。展望这种设计使我看到了虚拟工具本身的好处。在二十一世纪，信息交换的速度得到了极大的提高，虚拟工具的优势越来越明显。只要有一台计算机，就可以用运行虚拟机程序的方法来代替笨重的大型工具。如果需要设计和制造新的仪器功能，则虚拟仪器软件也可以用于低成本的仿真和测试，大数据可以创建模型来预测燃气轮机故障，使用该模型来测量燃气轮机的振动数据轴承，并进行预测和预防，在该故障尚未发生时，就可以及时预测并排除隐患。不仅在工业领域，随着5G时代的到来，基于数据采集技术的扩展技术，例如实时数据监视，故障诊断等，都可以应用于