王 杰， 祝龍記

(安徽理工大學電信學院，安徽淮南 232001)

0 引言

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

振動故障是發(fā)電機組各種故障中最為常見又較為復雜的一種故障，它不僅影響了機組的發(fā)電效率，還有可能引發(fā)連鎖效應造成巨大的經濟損失。目前國內在線運行的600 MW超臨界機組，在線振動監(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，實際運行中，僅依靠單一的振動參數(shù)分析無法解決一些問題，有時必須結合機組的噪聲參數(shù)才能找到故障的根源。因此通過與電廠的產學研合作，開發(fā)了一套集振動參數(shù)和噪聲參數(shù)相結合的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，主要目標是實時采集機組的振動參數(shù)和噪聲參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機顯示和保存，實時進行數(shù)據(jù)分析、故障判定、報警處理等，以保證整個發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。

1 系統(tǒng)工作原理

在這個系統(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為核心的振動監(jiān)測和噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

圖1中信號調理模塊對傳感器輸出的信號進行放大、濾波等處理，使其能與DSP所處理的信號相匹配，調理后信號送DSP進行A/D轉換，然后將數(shù)據(jù)上傳至上位機。發(fā)電機組正常運行時，上位機和DSP進行實時通信，并且顯示發(fā)電機組各測量點的振動(軸振動、軸承振動)幅度及噪聲強度;當發(fā)生故障時，上位機發(fā)送指令請求DSP上傳故障數(shù)據(jù)記錄，DSP響應后通過RS-485總線將故障類型、故障數(shù)據(jù)和故障時間傳送給上位機以便進行故障分析與定位。

2 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)硬件組成中，關鍵是測量點的放置，每臺汽輪發(fā)電機組選定16個測量點，每個測量點放置2個振動傳感器、1個噪聲傳感器。在任何軸向位置，2個振動傳感器沿徑向互為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)定和保護誤動，一方面可確定軸心軌跡，軸心軌跡對分析軸振動及異常振動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組起動和帶負荷過程中的轉子在軸承中的運行位置。

在設備層，由多個以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)時鐘，采用改進的哈佛結構，四級流水線操作，具備強大高速的運算能力，16路10位A/D轉換通道，可滿足系統(tǒng)實時性和準確性的要求。DSP的高速數(shù)字信號處理能力，加之外圍的智能傳感器、信號調理等采集處理電路，采集機組各測量點的振動和噪聲信號，將采集的數(shù)據(jù)再經過軟件濾波及相關監(jiān)測算法等處理獲得所需的原始數(shù)據(jù)。

RS-485總線實現(xiàn)設備層和監(jiān)測層的通信，為實現(xiàn)RS-485串行通信標準，外擴一片RS-485的收發(fā)器，這里選用Sipex生產的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引腳同時控制DE和引腳，可實現(xiàn)發(fā)送和接收兩種控制狀態(tài)的轉換。

圖2 DSP與SP3485接口示意圖

在監(jiān)測診斷層，上位機通過RS-485總線接收設備層采集的原始數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)在LabVIEW監(jiān)測主界面顯示出來，并進行及時數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報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轉換模塊、通信模塊、邏輯控制及報警模塊等幾部分組成，其程序流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集使用定時中斷，由定時器4產生定時中斷，中斷產生后起動AD轉換，讀取振動和噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送上位機顯示并保存，數(shù)據(jù)用定點數(shù)表示，這樣做的目的是加速DSP的處理速度。實時采集的數(shù)據(jù)會與系統(tǒng)設定的報警值比較，當振動的幅度和噪聲強度超過設定的報警值時，上位機監(jiān)測界面報警區(qū)域進行報警，并使能邏輯控制電路動作。

上位機監(jiān)測界面的設計采用LabVIEW 8.6為軟件開發(fā)平臺，系統(tǒng)上位機監(jiān)測主界面如圖4所示。

圖3 下位機DSP程序流程圖

圖4 上位機監(jiān)測主界面

上位機監(jiān)測主界面分為四個區(qū)域:參數(shù)預置區(qū)，實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)，邏輯控制及報警區(qū)和運行曲線顯示區(qū)。參數(shù)預置區(qū)用于設定振動和噪聲報警值;實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)是把16個測量點采集的數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列放入數(shù)組中，只要將最大值與報警設定值比較即可判斷當前周期采集的數(shù)據(jù)是否正常，無論當前周期的數(shù)據(jù)有沒有達到報警設定值，都將當前周期的最大值及其位置實時顯示以便預防，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)域將各個周期采集的數(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)都實時分類保存到數(shù)據(jù)庫。

邏輯控制及報警區(qū)位于界面的右上角區(qū)域，其中振動報警分為兩級，當采集的數(shù)據(jù)大于一級報警值時，振動一級報警指示燈閃爍，并預警繼電器動作，當采集的數(shù)據(jù)高于二級報警設定值時，振動二級報警指示燈閃爍，并使能繼電器動作。噪聲報警的判定是比較復雜的，因為機組噪聲受外界干擾很大，鑒于此，本系統(tǒng)需滿足兩個條件才進行噪聲報警:一是將當前周期采集的數(shù)據(jù)與前十個周期數(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)十個周期都高于噪聲上限值，這樣做是為了反復確認噪聲是否為機組異常噪聲。

4 結語

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

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