基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)設(shè)計

謝 紅，郎 朗

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404155）

0 引言

作為重要的電力生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)電機的構(gòu)造十分復(fù)雜，并且運行環(huán)境較為特殊，很容易發(fā)生振動故障，從而產(chǎn)生位移現(xiàn)象，這種故障會帶來很大的危害，因此發(fā)電機振動位移測量一直是重要的故障預(yù)防與診斷步驟。振動是一項與發(fā)電機運行狀態(tài)息息相關(guān)的重要指標(biāo)，振動位移測量這一概念是隨著發(fā)電機的出現(xiàn)而提出的[1]。

近些年來，伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展腳步越來越快，發(fā)電機機組越來越自動化和復(fù)雜化，且當(dāng)前社會對電力生產(chǎn)設(shè)備也提出了更高的可靠性要求[2]。一旦發(fā)電機出現(xiàn)振動故障將會造成發(fā)電機組的突然停機從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。這對振動位移測量的精確度提出了更高的要求，其測量精確度必須匹配當(dāng)前的電力生產(chǎn)現(xiàn)狀。振動位移測量除了需要一定的現(xiàn)場經(jīng)驗以外，還必須掌握一定的分析能力與科學(xué)的基礎(chǔ)理論，只有這樣才能獲得更加精確的測量數(shù)據(jù)[3]。

當(dāng)前我國國內(nèi)還有很多企業(yè)主要依靠人工進(jìn)行發(fā)電機振動位移測量，利用比、摸、查、看等方式對發(fā)電機設(shè)備實施振動位移測量，通過相關(guān)知識的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，利用人工可以對發(fā)電機的振動位移進(jìn)行測量，然而這種手段具備不完備性與局限性，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前電力生產(chǎn)的設(shè)備可靠性需求，雖然有些企業(yè)也引進(jìn)了很多發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)需要測試者具備一定的現(xiàn)場經(jīng)驗，很多時候都難以獲得較為精確的測量結(jié)果。為此，本研究提出一種基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)，無需測試者即可實現(xiàn)自動測量，并且測量結(jié)果較為精確。

1 自動化測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括CPU、激光傳感器與振動速度傳感器、顯示器。

1.1 CPU設(shè)計

CPU是發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的重要組成部分，它的選擇會對自動化系統(tǒng)整體性能與結(jié)構(gòu)造成影響，因此選擇時必須對價格、開發(fā)方便性、工作穩(wěn)定性以及系統(tǒng)功能等因素進(jìn)行綜合考量[4]。為了滿足系統(tǒng)的測量精度要求，選擇TMS235系列單片機中的LF2327系列DSP作為發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的 CPU。LF2327系列DSP的具體特點如表1所示。

表1 LF2327系列DSP具體特點

LF2327系列DSP是Texas儀器公司生產(chǎn)的一種數(shù)字信號專業(yè)處理器芯片，信號處理能力較強，并且處理速度較快，其具體配置如表2所示。

表2 LF2327系列DSP具體配置

表2 （續(xù)）

1.2 傳感器設(shè)計

發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的傳感器包括激光傳感器與振動速度傳感器。其中激光傳感器是基于激光傳感進(jìn)行設(shè)計的傳感器，主要利用激光進(jìn)行傳感，采用HAA系列的光電霍爾開關(guān)，能夠提升發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的測量精度，其工作溫度在未結(jié)冰狀態(tài)下能夠達(dá)到零下三十?dāng)z氏度至零上八十?dāng)z氏度，能夠適應(yīng)較為嚴(yán)酷的環(huán)境，方便各種環(huán)境下的發(fā)電機振動位移測量；其復(fù)振幅為1mm、各個方向可以達(dá)到兩個小時，抗振動性能能夠達(dá)到10Hz～55Hz周期每分鐘；其響應(yīng)頻率可以達(dá)到4OOOHz；其輸出電流可以達(dá)到100mA。

振動速度傳感器則采用MLV-5系列的速度傳感器，其安裝方式為利用連接磁器座來安裝與固定振動速度傳感器，采用這種方式便于測量完成后的拆除[5]。其輸出電阻為500Ω以下；工作方向為±90°；可以使用的溫度范圍在-30℃～＋120℃；其靈敏度在200mv/cm/s±5%范圍內(nèi)；其頻率響應(yīng)約為10Hz～1000Hz。激光傳感器與振動速度傳感器的連接電路圖如圖1所示。

圖1 傳感器連接電路圖

而激光傳感器和振動速度傳感器與LF2327系列DSP芯片的16路通道所對應(yīng)的相應(yīng)真值表如表3所示。

表3 相應(yīng)真值表

表3 （續(xù)）

1.3 顯示器設(shè)計

為發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)配備一塊液晶顯示器，采用LCD顯示屏作為系統(tǒng)儀表儀器的輸出顯示屏，選擇的液晶顯示器為T6942C驅(qū)動控制器，利用間接控制與直接訪問相結(jié)合的方式連接LF2327系列DSP芯片與T6942C液晶模塊，也就是利用LF2327系列DSP芯片的I/O腳接口IOPA0-IOPA7與IOPB4-IOPB7作為T6942C液晶模塊的讀信號、寫信號、指令數(shù)據(jù)寄存器的片選信號、選擇信號以及數(shù)據(jù)總線。T6942C液晶模塊的顯示電路如圖2所示。通過CPU、激光傳感器與振動速度傳感器、顯示器的設(shè)計完成了基于激光傳感的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

圖2 T6942C液晶模塊顯示電路

2 自動化測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的軟件部分包括振動位移自動化測量模塊、波形顯示模塊。

2.1 振動位移自動化測量模塊

振動位移自動化測量模塊主要是利用激光傳感來進(jìn)行發(fā)電機振動位移的測量，首先在發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圓周上隨機選定一個位置，并在該位置處貼一個白紙片，接著在離發(fā)電機轉(zhuǎn)子距離適當(dāng)處設(shè)置激光傳感系統(tǒng)，用激光傳感系統(tǒng)對準(zhǔn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)圓周，開啟發(fā)電機使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，每一次白紙片經(jīng)過激光傳感系統(tǒng)，激光傳感系統(tǒng)都會發(fā)出相應(yīng)的信號，經(jīng)過激光電阻后信號將會形成激光脈沖，利用位置計量系統(tǒng)對激光脈沖每次出現(xiàn)的位置偏差進(jìn)行自動化計量，最后對連續(xù)出現(xiàn)的位置偏差進(jìn)行計算就能獲取發(fā)電機的振動位移數(shù)值。其中振動位移數(shù)值的計算公式如下：

其中，n代表振動位移數(shù)值；T代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期；T1CNT代表激光脈沖每次出現(xiàn)的位置偏差；Ni代表激光脈沖的系統(tǒng)標(biāo)定，即計算振動位移數(shù)值的影響系數(shù)，標(biāo)定激光脈沖的前提是在加試重和不加試重的狀況下分別對發(fā)電機支撐處的振動位移相位與幅值分別進(jìn)行計算，激光脈沖的系統(tǒng)標(biāo)定Ni的計算公式如下：

其中，X01代表不加試重時發(fā)電機支撐處的振動位移幅值；01代表不加試重時發(fā)電機支撐處的振動位移相位；X11代表加試重時發(fā)電機支撐處的振動位移幅值；01代表加試重時發(fā)電機支撐處的振動位移相位；RB代表所加試重的距離；GB代表所加試重的重量；t代表發(fā)電機振動位移測量的不平衡量幅值；g代表發(fā)電機振動位移測量的不平衡量相位。

2.2 波形顯示模塊

波形顯示模塊包括時域波形顯示子模塊與頻域波形顯示子模塊。時域波形顯示子模塊能夠采集發(fā)電機支撐處的振動位移時域信號，利用采集到的時域信號可以形象而直觀的掌握電機支撐處的振動狀況，利用時域信號還可以判斷電機支撐處是否存在一些不平衡故障；頻域波形顯示子模塊能夠繪制表現(xiàn)時域波形特征的樅樹形頻譜圖，方便、直觀的顯示電機支撐處的振動位移時域信號幅值譜圖，以振動位移時域信號幅值譜圖為依據(jù)可以判斷電機支撐處是否存在一些嚴(yán)重不平衡故障并掌握嚴(yán)重不平衡故障的具體狀況。

3 實驗分析與研究

為了檢測本文提出的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的實際應(yīng)用性能，設(shè)計如下對比實驗。

3.1 實驗參數(shù)

本次實驗參數(shù)如表4所示。

表4 實驗參數(shù)

3.2 實驗過程

利用兩臺計算機并基于MATLAB實驗平臺加載基于激光傳感的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)，隨機選取一臺發(fā)電機并對其分別加載100kHz、250kHz的振動頻率，實際測量該發(fā)電機的振動位移，確定該發(fā)電機的振動位移曲線，并再次利用基于激光傳感的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)對該發(fā)電機的振動位移進(jìn)行測量，與實際結(jié)果相比較，得出發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)測量結(jié)果的精確度。為了保證實驗的有效性，使用基于虛擬儀器的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)、基于激光多普勒干涉的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)、基于高度動態(tài)視覺的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)與本文提出的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)進(jìn)行比較，觀察實驗結(jié)果，比較各個系統(tǒng)的測量結(jié)果精確度。

3.3 實驗結(jié)果

分別利用基于虛擬儀器的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)、基于激光多普勒干涉的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)、基于高度動態(tài)視覺的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)、基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)對該發(fā)電機的振動位移進(jìn)行測量，其測量結(jié)果精確度對比如圖3、圖4所示。

圖3 100kHz振動頻率的測量結(jié)果精確度對比

通過圖3、圖4可知，基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的平均測量結(jié)果精確度約為86.4%；基于虛擬儀器的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的平均測量結(jié)果精確度約為72.3%；基于激光多普勒干涉的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的平均測量結(jié)果精確度約為66.8%；基于高度動態(tài)視覺的發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)的平均測量結(jié)果精確度約為54.3%。通過比較可知，本文設(shè)計的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)的測量結(jié)果精確度更高。

圖4 250kHz振動頻率的測量結(jié)果精確度對比

4 結(jié)語

本研究設(shè)計了基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機振動位移自動化測量系統(tǒng)，通過LF2327系列DSP芯片的引入提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，并且該系統(tǒng)的測量結(jié)果精確度高于傳統(tǒng)發(fā)電機振動位移測量系統(tǒng)，展現(xiàn)了該系統(tǒng)的優(yōu)越性。