基于PXI總線和計算階比跟蹤的遠(yuǎn)程振動監(jiān)測技術(shù)研究

劉曉鋒 裴翔

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和運(yùn)行參數(shù)的增加，機(jī)組振動安全日益重要，同時設(shè)備管理信息化水平的提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)在近年得到較為廣泛的應(yīng)用。目前遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)在使用過程中，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，振動分析功能的完備均存在缺陷，遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)其功效。本文從技術(shù)層面提出了基于PXI總線和技術(shù)階比跟蹤技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，在動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集和分析方面基于先進(jìn)的測控儀表PXI總線和計算階比振動信號分析技術(shù)，對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)提升，代表了未來監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。

Abstract： With the increase of single-machine capacity and operating parameters of steam turbine generator sets， the vibration safety of the unit is becoming more and more important， and as the level of equipment management informatization is improved， the remote monitoring and diagnosis system for rotating machinery vibration has been widely used in recent years. At present， in the course of using the remote diagnosis system， the stability of the system， the accuracy of the data and the completeness of the vibration analysis function are all flawed， and the efficacy is far from being realized. This paper proposes a monitoring system based on PXI bus and technology order tracking technology from the technical level. Based on the advanced measurement and control instrument PXI bus and calculation order vibration signal analysis technology in dynamic signal data acquisition and analysis， the comprehensive technical improvement of the existing monitoring system is carried out， which represents the technical development direction of the future monitoring system.

關(guān)鍵詞：振動;遠(yuǎn)程監(jiān)測;PXI總線;階比分析

Key words： vibration;remote monitoring;PXI bus;order ratio analysis

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0050-03

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

典型的遠(yuǎn)程振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由三個部分組成：①數(shù)據(jù)采集站;②中心服務(wù)器（專職工程師室）;③機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷中心（RMD系統(tǒng)），如圖1所示。數(shù)據(jù)采集站和中心服務(wù)器組成汽輪機(jī)振動監(jiān)測診斷系統(tǒng)（TDM系統(tǒng)），機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷中心即RMD系統(tǒng)。TDM系統(tǒng)+RMD系統(tǒng)即為所指遠(yuǎn)程振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

本文系統(tǒng)總體架構(gòu)：TDM系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站采用PXI總線，振動信號分析處理采用軟件計算階比跟蹤技術(shù)開發(fā)。下面詳細(xì)論述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

2 ?基于PXI總線的動態(tài)振動信號采集系統(tǒng)硬件

功能概述：

研制的PXI5410卡是一種基于PXI標(biāo)準(zhǔn)的同步采集功能卡，可直接插在PXI機(jī)箱插槽中，用于4通道旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)振動信號采集。板卡尺寸為3U高度100mm×160mm，主要元器件布局及簡要說明如圖1，輸入端子采用BNC連接器，模擬信號調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)渦流探頭和速度傳感器切換，電壓調(diào)理范圍為-24V～+24V。AD采用AD7606，PXI接口電路，PXI總線電路。

PXI5410采集卡可分為模擬信號調(diào)理，AD同步采集和PXI接口驅(qū)動轉(zhuǎn)換3個部分。采集卡基本框圖如圖2所示。PXI5410輸入信號來自現(xiàn)場的振動信號。信號經(jīng)過濾波和電壓調(diào)整等調(diào)理后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，本方案中AD選用是16位8通道同步采集AD7606，最高單通道可達(dá)采樣頻率200K。PXI接口直接通過專用的PCI接口芯片來實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計，采用美國PLX公司生產(chǎn)的PCI9054。為了實(shí)現(xiàn)多板卡的同步采樣，采用統(tǒng)一的采樣觸發(fā)信號。觸發(fā)信號由星型槽位給每個板卡（所以每個PXI板卡都要有主從模式，主模式為星型槽位，提供觸發(fā)信號，從模式為外圍槽位，接收觸發(fā)信號）。

3 ?基于階比跟蹤技術(shù)的動態(tài)振動信號處理方法

3.1 階比分析的方法

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動階比跟蹤方法采用硬件方式來實(shí)現(xiàn)，需要有鎖相環(huán)、倍頻分頻電路，并且還需要有截止頻率實(shí)時可調(diào)的抗混疊跟蹤濾波器等，電路復(fù)雜，成本高。公告號為CN102175439的中國專利，公開了一種“針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的階次分析實(shí)現(xiàn)方法”其對等角度重新采樣是“根據(jù)更新頻率的低速脈沖以及當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖分別對采集卡輸出信號進(jìn)行等角度重采樣”。此種方法在轉(zhuǎn)動機(jī)械轉(zhuǎn)速不變或變化小時相當(dāng)有效，但當(dāng)轉(zhuǎn)速隨時變化大時，此時的更新頻率是由第一次采樣時的頻率計算得來;因此，當(dāng)用此更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行等角度重采樣，將帶來更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖不同步，采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以，傳統(tǒng)的階比跟蹤方法用在變轉(zhuǎn)速機(jī)械，特別是升、降速速率較高時，由于瞬時頻率無法跟蹤只能采用預(yù)設(shè)，又由于等角度重采樣是通過硬件的再次采樣，因此，階比跟蹤會出現(xiàn)大的誤差，甚至是錯誤的分析結(jié)果。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出一種由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號同步階比跟蹤分析方法，通過由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)精確的等角度采樣，不存在頻率混亂現(xiàn)象，也就是轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一次，采樣點(diǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸上的角度差是一致的，在轉(zhuǎn)軸上位置是固定的，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整周期同步采樣。

3.2 計算階比分析的具體實(shí)施方式

基于重采樣原理的計算階比跟蹤分析實(shí)現(xiàn)振動信號整周期同步采樣，它主要能解決因轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的振動頻率模糊現(xiàn)象。算法可以在振動信號采樣頻率不變的情況下，將等時間間隔振動信號轉(zhuǎn)化為等角度間隔振動信號，計算流程參見圖3。計算階比跟蹤的數(shù)據(jù)輸入包括等時間采樣間隔的振動信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號（由鍵相信號提供每轉(zhuǎn)1個），根據(jù)設(shè)備工作轉(zhuǎn)速確定振動分析頻率范圍，確定分析階比數(shù)M。對采集到的轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行2×M倍插值，獲得等角度信號樣本的時間序列。對等時間間隔采集的振動信號進(jìn)行抗混濾波并依據(jù)等角度樣本時間序列插值重采樣，將時域等間隔振動信號轉(zhuǎn)化為角域等角度振動信號。對角域振動采樣信號進(jìn)行快速傅立葉變化（FFT），得到振動信號階比譜與各階振動波形。其具體步驟是：

①信號采集。信號采集裝置的采樣頻率固定，采樣頻率最低應(yīng)大于2×M倍工作轉(zhuǎn)速，連續(xù)采集振動信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號。

②轉(zhuǎn)速估計。算法設(shè)定轉(zhuǎn)速脈沖電壓的觸發(fā)閾值，標(biāo)定轉(zhuǎn)速脈沖信號的上升沿或下降沿的時間，計算兩個連續(xù)轉(zhuǎn)速脈沖的時間間隔。這樣就可以確定設(shè)備旋轉(zhuǎn)一周的轉(zhuǎn)速和對應(yīng)的瞬時頻率。

③等角度振動信號時間序列。對每周期的轉(zhuǎn)速脈沖間隔進(jìn)行2×M倍插值。確定時域等時間隔振動信號轉(zhuǎn)化為角域等角度信號所對應(yīng)的時間序列。插值算法采用級聯(lián)積分梳狀濾波器[1]。

④根據(jù)轉(zhuǎn)速估計和等角度振動信號時間序列。首先根據(jù)轉(zhuǎn)速估計對采集的等時間隔振動信號進(jìn)行數(shù)字抗頻率混疊濾波。然后依據(jù)角域等角度時間序列插值技算得到對應(yīng)的均角振動信號。

⑤對角域等角度振動信號進(jìn)行FFT頻譜分析，得到振動頻譜和階比譜，各階振動波形可通過恒帶寬濾波[2]或者Gabor變換[3]得到。

本實(shí)施例實(shí)時跟蹤的實(shí)現(xiàn)：每采集0.25秒就進(jìn)行一次信號分析，信號重采樣頻率是根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)動頻率（因為信號已經(jīng)完成采集，根據(jù)信號進(jìn)行精確計算的）進(jìn)行調(diào)整的，而非硬件方式下，由上一次轉(zhuǎn)動頻率值，對下一次轉(zhuǎn)動頻率進(jìn)行預(yù)測，再對采樣頻率進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)施例中，所述的插值重采樣算法是線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或者sinc插值算法中的一種。在精度運(yùn)行范圍內(nèi)，最佳方案是采用線性插值，速度快，準(zhǔn)確精度高。

實(shí)施例中，所述階比數(shù)M是2的n次方，n是4或4以上的正整數(shù)。最佳n是6，速度快，精度已基本滿足要求。

實(shí)施例中，所述數(shù)字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器。

本實(shí)施例中：

①如圖3所示，按照某一固定的采樣頻率;如圖3所示，同步采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一路轉(zhuǎn)速鍵相脈沖信號，N路振動信號，如圖4所示。

②對鍵相脈沖信號，根據(jù)上升（或下降）沿電壓值大小人為指定閾值，或按照某一算法，由統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，自動計算閾值大小。根據(jù)這一閾值，由檢波算法，如圖5所示，準(zhǔn)確識別和記錄鍵相脈沖信號上升沿（或下降沿）的到達(dá)時間t0、t1、t2…tN。

③如圖6所示，由兩個脈沖間的時間差，dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtN-1=tN-tN-1，計算轉(zhuǎn)速rpm和瞬時頻率f。

④如圖7所示，根據(jù)轉(zhuǎn)速估計對采集的等時間隔振動信號進(jìn)行數(shù)字抗頻率混疊濾波。然后依據(jù)角域等角度時間序列插值技算得到對應(yīng)的均角振動信號。

⑤圖8所示為對等角度振動信號FFT分析得到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動階比譜。

采用本實(shí)施例方法，使用美國NI公司的24位數(shù)據(jù)采集USB4432，無需添加任何其他硬件（如鎖相環(huán)、倍頻電路等），由1個光電傳感器和4個振動傳感器分別采集1路轉(zhuǎn)速鍵相信號和4路振動信號，即構(gòu)成了一個高精度振動信號采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速振動信號階比跟蹤采集和階比分析功能。

本實(shí)施例方法目的是實(shí)現(xiàn)精確的等角度采樣，也就是轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一次，采樣點(diǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸上的角度差是一致的，在轉(zhuǎn)軸上位置是固定的，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整周期同步采樣。

4 ?結(jié)束語

汽輪發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過十余年的發(fā)展，目前進(jìn)入了滯脹期，究其原因，一是：技術(shù)陳舊落后，導(dǎo)致采集的振動數(shù)據(jù)無法達(dá)到故障診斷的要求;二是，故障振動系統(tǒng)的人工智能化停滯不前。本文在基于PXI總線和技術(shù)階比跟蹤技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，在動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集和分析方面基于先進(jìn)的測控儀表PXI總線和計算階比振動信號分析技術(shù)對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)提升。下一步將在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的智能診斷方面進(jìn)行研究和突破。

參考文獻(xiàn)：

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