基于LabVIEW和DSP的發(fā)電機(jī)組振動(dòng)與噪聲監(jiān)測系統(tǒng)

王 杰， 祝龍記

(安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 引言

近年來隨著科技水平的提高，發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量都在不斷增大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜、龐大，這也使得在制造、裝配等過程中，機(jī)組存在一定的缺陷，再者發(fā)電機(jī)組長期工作在高速、高載荷狀態(tài)，也難免會出現(xiàn)一些機(jī)械故障。

振動(dòng)故障是發(fā)電機(jī)組各種故障中最為常見又較為復(fù)雜的一種故障，它不僅影響了機(jī)組的發(fā)電效率，還有可能引發(fā)連鎖效應(yīng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)在線運(yùn)行的600 MW超臨界機(jī)組，在線振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)大多使用國外的，這些系統(tǒng)適用范圍較廣但缺乏針對性。另外，實(shí)際運(yùn)行中，僅依靠單一的振動(dòng)參數(shù)分析無法解決一些問題，有時(shí)必須結(jié)合機(jī)組的噪聲參數(shù)才能找到故障的根源。因此通過與電廠的產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)了一套集振動(dòng)參數(shù)和噪聲參數(shù)相結(jié)合的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，主要目標(biāo)是實(shí)時(shí)采集機(jī)組的振動(dòng)參數(shù)和噪聲參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)顯示和保存，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、故障判定、報(bào)警處理等，以保證整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)工作原理

在這個(gè)系統(tǒng)中，最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)的采集，所以為保證數(shù)據(jù)的采集精度和數(shù)據(jù)處理能力，這里采用基于DSP TMS320LF2407A為核心的振動(dòng)監(jiān)測和噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖1中信號調(diào)理模塊對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波等處理，使其能與DSP所處理的信號相匹配，調(diào)理后信號送DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)和DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并且顯示發(fā)電機(jī)組各測量點(diǎn)的振動(dòng)(軸振動(dòng)、軸承振動(dòng))幅度及噪聲強(qiáng)度;當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，上位機(jī)發(fā)送指令請求DSP上傳故障數(shù)據(jù)記錄，DSP響應(yīng)后通過RS-485總線將故障類型、故障數(shù)據(jù)和故障時(shí)間傳送給上位機(jī)以便進(jìn)行故障分析與定位。

2 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)硬件組成中，關(guān)鍵是測量點(diǎn)的放置，每臺汽輪發(fā)電機(jī)組選定16個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)放置2個(gè)振動(dòng)傳感器、1個(gè)噪聲傳感器。在任何軸向位置，2個(gè)振動(dòng)傳感器沿徑向互為90°放置，安裝角為上半瓦的垂直中心線兩側(cè)各45°。這樣放置的好處是避免了單探頭帶來的不穩(wěn)定和保護(hù)誤動(dòng)，一方面可確定軸心軌跡，軸心軌跡對分析軸振動(dòng)及異常振動(dòng)后的故障診斷很有幫助;另一方面，通過測量x、y方向的軸與探頭的間隙電壓，確定軸的平均中心位置。這樣就能綜合正確地判斷機(jī)組起動(dòng)和帶負(fù)荷過程中的轉(zhuǎn)子在軸承中的運(yùn)行位置。

在設(shè)備層，由多個(gè)以DSP TMS320LF2407A為主控制芯片的智能采集處理單元組成。系統(tǒng)中DSP TMS320LF2407A是智能采集處理單元的核心，它具有40 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線操作，具備強(qiáng)大高速的運(yùn)算能力，16路10位A/D轉(zhuǎn)換通道，可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。DSP的高速數(shù)字信號處理能力，加之外圍的智能傳感器、信號調(diào)理等采集處理電路，采集機(jī)組各測量點(diǎn)的振動(dòng)和噪聲信號，將采集的數(shù)據(jù)再經(jīng)過軟件濾波及相關(guān)監(jiān)測算法等處理獲得所需的原始數(shù)據(jù)。

RS-485總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備層和監(jiān)測層的通信，為實(shí)現(xiàn)RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)，外擴(kuò)一片RS-485的收發(fā)器，這里選用Sipex生產(chǎn)的SP3485收發(fā)器芯片，與DSP的接口電路如圖2所示。在圖2中SP3485的RO和DI分別連接到SCI接口中的TXD和RXD，DSP的IOPB0引腳同時(shí)控制DE和引腳，可實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收兩種控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖2 DSP與SP3485接口示意圖

在監(jiān)測診斷層，上位機(jī)通過RS-485總線接收設(shè)備層采集的原始數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)在LabVIEW監(jiān)測主界面顯示出來，并進(jìn)行及時(shí)數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報(bào)警處理和邏輯控制等操作。

3 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件包括兩部分:DSP程序開發(fā)部分和上位機(jī)監(jiān)測界面部分。DSP程序的編寫使用的是TI公司提供的CCS2000開發(fā)平臺，該平臺直接使用C語言編程，可嵌入?yún)R編語句，具有較好的可讀性及編程效率。DSP程序由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集及AD轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、邏輯控制及報(bào)警模塊等幾部分組成，其程序流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集使用定時(shí)中斷，由定時(shí)器4產(chǎn)生定時(shí)中斷，中斷產(chǎn)生后起動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，讀取振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送上位機(jī)顯示并保存，數(shù)據(jù)用定點(diǎn)數(shù)表示，這樣做的目的是加速DSP的處理速度。實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)會與系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警值比較，當(dāng)振動(dòng)的幅度和噪聲強(qiáng)度超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，上位機(jī)監(jiān)測界面報(bào)警區(qū)域進(jìn)行報(bào)警，并使能邏輯控制電路動(dòng)作。

上位機(jī)監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)采用LabVIEW 8.6為軟件開發(fā)平臺，系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測主界面如圖4所示。

圖3 下位機(jī)DSP程序流程圖

圖4 上位機(jī)監(jiān)測主界面

上位機(jī)監(jiān)測主界面分為四個(gè)區(qū)域:參數(shù)預(yù)置區(qū)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)，邏輯控制及報(bào)警區(qū)和運(yùn)行曲線顯示區(qū)。參數(shù)預(yù)置區(qū)用于設(shè)定振動(dòng)和噪聲報(bào)警值;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)是把16個(gè)測量點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列放入數(shù)組中，只要將最大值與報(bào)警設(shè)定值比較即可判斷當(dāng)前周期采集的數(shù)據(jù)是否正常，無論當(dāng)前周期的數(shù)據(jù)有沒有達(dá)到報(bào)警設(shè)定值，都將當(dāng)前周期的最大值及其位置實(shí)時(shí)顯示以便預(yù)防，噪聲監(jiān)測比較特殊，這里不顯示其最大值及其位置，界面的底部區(qū)域?qū)⒏鱾€(gè)周期采集的數(shù)據(jù)銜接起來，且以曲線的形式直觀的顯示出來，所有采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)分類保存到數(shù)據(jù)庫。

邏輯控制及報(bào)警區(qū)位于界面的右上角區(qū)域，其中振動(dòng)報(bào)警分為兩級，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于一級報(bào)警值時(shí)，振動(dòng)一級報(bào)警指示燈閃爍，并預(yù)警繼電器動(dòng)作，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)高于二級報(bào)警設(shè)定值時(shí)，振動(dòng)二級報(bào)警指示燈閃爍，并使能繼電器動(dòng)作。噪聲報(bào)警的判定是比較復(fù)雜的，因?yàn)闄C(jī)組噪聲受外界干擾很大，鑒于此，本系統(tǒng)需滿足兩個(gè)條件才進(jìn)行噪聲報(bào)警:一是將當(dāng)前周期采集的數(shù)據(jù)與前十個(gè)周期數(shù)據(jù)相減，相減的值高于噪聲差上限值或接近于零;二是采集的數(shù)據(jù)高于噪聲上限值，并且連續(xù)十個(gè)周期都高于噪聲上限值，這樣做是為了反復(fù)確認(rèn)噪聲是否為機(jī)組異常噪聲。

4 結(jié)語

利用DSP的高速處理能力，結(jié)合串行通信在工業(yè)上應(yīng)用成熟的優(yōu)勢，并加之LabVIEW編程簡單、人機(jī)界面良好及開發(fā)周期短等特點(diǎn)，本文開發(fā)了一套新的用于對發(fā)電機(jī)組故障監(jiān)測的系統(tǒng)，即集振動(dòng)參數(shù)和噪聲參數(shù)相結(jié)合的監(jiān)測診斷系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)運(yùn)行良好，基本達(dá)到了初期的設(shè)定目標(biāo)，提高了故障監(jiān)測的可靠性和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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