摘  要： 設(shè)計了一種發(fā)電機組轉(zhuǎn)軸振動監(jiān)測系統(tǒng)。電渦流變送器將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳送至系統(tǒng)硬件平臺,。硬件平臺使用FPGA作為控制核心對電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、FIR濾波及溫度矯正，并通過USB 2.0接口傳輸至上位機。硬件平臺提供USB 2.0和RS-232兩種接口,，分別用來傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。上位機采用LabVIEW開發(fā)平臺,，通用性強,，通過VISA組件與硬件平臺USB 2.0接口和RS-232接口通信，獲取數(shù)據(jù)并控制硬件平臺,，實現(xiàn)實時振動波形分析,、頻域分析和軸心軌跡分析。系統(tǒng)可以進行遠(yuǎn)程控制與發(fā)布,，并能將數(shù)據(jù)存儲進SD卡及數(shù)據(jù)庫中,。測試及分析結(jié)果顯示，整個系統(tǒng)運行良好,、穩(wěn)定,、實時性強。

　　關(guān)鍵詞： 發(fā)電機組,；振動測試,；FPGA,；LabVIEW

　　發(fā)電機組作為電力系統(tǒng)中的電源,，其運行狀況直接影響到電網(wǎng)用電的安全性、穩(wěn)定性和質(zhì)量,。汽輪機發(fā)電機組是電廠中的核心設(shè)備,。由于設(shè)計、制造和運行等多方面原因,，機組不可避免地會出現(xiàn)振動,。當(dāng)振動超限時，會影響機組的穩(wěn)定運行,，過大的振動,，甚至?xí)l(fā)災(zāi)難性的毀機事故。

　　振動是一柄雙刃劍，雖然對機組運行不利,，但振動信號中也包含豐富的信息,，通過這些信息可以對振動故障產(chǎn)生的原因進行診斷，做到防患于未然,。在機組運行時,，轉(zhuǎn)軸振動分析是機組故障診斷的重要方法。機組轉(zhuǎn)軸徑向振動的幅度,，反映了故障的嚴(yán)重程度,；不同的故障引起的振動信號一般包含不同頻率的分量，通過對頻譜圖的分析,，可以推斷故障原因,；對于頻譜類似的故障，可以參考軸心軌跡圖對故障進行甄別,。因此,，在機組運行和維修時，對機組轉(zhuǎn)軸振動進行狀態(tài)監(jiān)測和故障分析,，對于有效延遲機組壽命和提高用電質(zhì)量有著非常重要的意義[1-2],。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

　　本設(shè)計參考GB11348.2《陸地大型發(fā)電機組振動國家標(biāo)準(zhǔn)》，使用雙電渦流傳感器對機組轉(zhuǎn)軸振動進行測量,，將振動信號轉(zhuǎn)換為0~20 mA電流信號,；電流信號經(jīng)信號調(diào)理電路送至AD9280進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；核心控制單元FPGA獲取數(shù)據(jù)并通過設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器濾波,；CY7C68013和MAX232提供USB 2.0接口和RS-232接口,，硬件平臺通過USB和串口分別與上位機LabVIEW進行數(shù)據(jù)和控制命令交換；LabVIEW可對獲取的數(shù)據(jù)進行實時波形顯示,、頻譜分析,、繪制軸心軌跡，并可進行遠(yuǎn)程發(fā)布和數(shù)據(jù)庫存儲,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

2 系統(tǒng)硬件平臺主要部分

　　2.1 硬件平臺核心控制器

　　本設(shè)計采用Altera公司的CycloneⅡ系列高性價比FPGA芯片EP2C5Q208C8N作為控制核心。該芯片采用208引腳的PQFP封裝,，用戶定義I/O數(shù)為148,，完全能夠滿足系統(tǒng)需要。同DSP相比,，F(xiàn)PGA具有并行的特性,，能夠?qū)崟r完成多項工作，適于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用,。使用5 V電壓輸入,，在硬件設(shè)計中分別使用電源管理芯片LM1805、LP38500、MAX1681等及外圍電路提供3.3 V,、1.2 V和±5 V的電壓,。

　　2.2 電渦流變送器安裝

　　選用HZ-899電渦流變送器，由外接24 V電源供電,，10 Hz~5 kHz頻響范圍,，最大可靠傳輸距離為300 m，直接輸出4 mA~20 mA信號,。使用雙HZ-899互相垂直安裝,，可繪制軸心軌跡。在典型300 MW汽輪機發(fā)電機組上,，傳感器安裝位置如圖2所示,。

　　2.3 溫度補償模塊

　　電渦流傳感器內(nèi)部敏感軟件受溫度影響，會產(chǎn)生近似線性的漂移,。與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃相比,，HZ-899電渦流變送器在溫度變化5℃時，會產(chǎn)生約1％正向偏差,。設(shè)計中使用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20測取待測點溫度,。FPGA對DS18B20發(fā)送控制命令，讀取12位串行數(shù)字量,，與20℃進行比較,，并作如下運算：

　　其中，D為補償后的振幅,，AD為AD9280獲取的幅值,，T為溫度傳感器獲取的實時溫度。

　　2.4 信號調(diào)理電路

　　選用MAX396模擬開關(guān)芯片,，提供16路模擬輸入通道,，F(xiàn)PGA采用單A/D輪詢策略。MAX396具有約200 Ω的通道電阻,，因此需要將4 mA~20 mA的電流信號經(jīng)過250 Ω的電阻分壓成1 V~5 V的電壓信號,，再經(jīng)過電壓跟隨器增大輸入阻抗，進入模擬開關(guān),。在模擬開關(guān)的輸出端,，使用運放AD8065與電阻網(wǎng)絡(luò)搭建減法電路,，使輸入信號與參考電壓Vref相減,，得到式（2），將電壓轉(zhuǎn)換為0 V~2 V,。

　　其中,，UAD為輸入到AD9280的電壓，UIN為MAX396輸出電壓，Vref為AD9280輸出的參考電壓,。

　　2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　選用ADI公司高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9280,，該芯片具有8位分辨率，單路可對0~10 MHz的信號進行穩(wěn)定采集[3],。本設(shè)計將AD9280配置為頂?shù)啄Ｊ?，采樣時鐘由FPGA中鎖相環(huán)提供，如圖3所示,。

　　2.6 USB接口電路

　　CY7C68013集成了USB 2.0收發(fā)器,、SIE（串行接口引擎）、增強的8051微控制器,，為系統(tǒng)提供USB2.0接口,，最大穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸速率可達30 Mb/s。本設(shè)計中,，編寫CY7C68013固件程序,，對寄存器進行配置，使芯片工作在異步SlaveFIFO寫入狀態(tài),，設(shè)置FIFOADR[1：0]使端點6為4倍緩沖輸入端點,，芯片與FPGA連接電路如圖4所示[4]。

　　FPGA控制CY7C68013工作時序如下：當(dāng)有寫事件發(fā)生時,，使FIFOADR[1：0]指向端點6,；如果FIFO滿，則等待,，否則驅(qū)動數(shù)據(jù)使SLWR先低后高,，使FIFO寫指針遞增，成功寫入數(shù)據(jù)后再重復(fù)以上步驟,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 控制命令傳輸程序設(shè)計

　　上位機通過RS-232發(fā)送控制命令,。FPGA接收到上位機不同的命令代碼，識別后開啟或關(guān)閉相應(yīng)的功能,，如采集通道開關(guān),、SD卡存儲與讀取等。數(shù)據(jù)庫和Web發(fā)布功能則由LabVIEW直接完成,。

　　3.2 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計

　　對于A/D采集的數(shù)據(jù),，必須通過數(shù)字濾波器濾除傳輸過程中的高頻干擾。系統(tǒng)中每路振動信號頻率在1 kHz以內(nèi),，每路信號采樣率為10 kHz,。基于此,，提出FIR數(shù)字濾波器的指標(biāo)如下：采用通帶邊界頻率Ωp=0.2 π,，阻帶邊界頻率Ωs=0.4 π,，阻帶最大衰減50 dB。凱塞窗可以通過改變參數(shù)β值來折中選擇主瓣寬度和旁瓣衰減,，適應(yīng)能力強且比較靈活,，能滿足阻帶衰減的要求[5]。根據(jù)式（3）和（4）以及濾波器性能指標(biāo),，可計算出凱塞窗FIR濾波器的節(jié)數(shù)N為30,，形狀參數(shù)β為4.55。其中,，δ2為阻帶衰減分貝數(shù),，Δω為過渡帶寬。

　　利用MATLAB中FDA Tool工具,，設(shè)計凱塞窗FIR濾波器,，輸入各參數(shù)，導(dǎo)出濾波器的系數(shù)表,。Quartus II中提供了FIR濾波器的IP核,，利用FIR Compiler工具，可以大大減小在FPGA中寫入FIR濾波器算法的難度,。將MATLAB導(dǎo)出的濾波器系數(shù)表導(dǎo)入到FIR Compiler中,，則可以生成濾波器模塊，其幅頻特性如圖5所示,，同設(shè)計要求相符,。

　　3.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

　　A/D轉(zhuǎn)換的速率同USB傳輸?shù)乃俾什黄ヅ洌驹O(shè)計在FPGA中寫入FIFO模塊,。當(dāng)FIFO處于“empty”狀態(tài)時,，向其寫入A/D采集的數(shù)據(jù)。A/D采集的數(shù)據(jù)是8 bit,，將其拓展為16 bit,，其中高8 bit為通道地址，低8 bit為實際數(shù)據(jù)[6],。上位機讀取數(shù)據(jù)時,，對高8 bit進行分離，即可識別通道號,。當(dāng)FIFO處于“full”狀態(tài)時,，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。FIFO深度設(shè)置為4 096 B,，數(shù)據(jù)個數(shù)為2 048,。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖6所示。

　　3.4 LabVIEW程序設(shè)計

　　本設(shè)計使用LabVIEW開發(fā)上位機程序,。在LabVIEW程序中使用Driver Wizard寫入CY7C68013的驅(qū)動,，調(diào)用VISA組件，對USB接口進行配置[7],。配置程序框圖如圖7所示,。

　　讀取USB接口16 bit數(shù)據(jù)，分離得到通道信息和數(shù)據(jù)信息,。LabVIEW調(diào)用波形圖表模塊,，對波形進行實時顯示；使用XY圖模塊繪制軸心軌跡,；使用FFT函數(shù),，得到振動信號頻譜。設(shè)置FFT點數(shù)為2 048點,，采樣率為10 kHz,，得到頻譜分辨率為5 Hz。LabVIEW設(shè)計的系統(tǒng)界面如圖8所示,。

　　本地振動數(shù)據(jù)往往需要專家進行遠(yuǎn)程診斷,，本設(shè)計使用LabVIEW的DateSocket技術(shù)和Web發(fā)布工具，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)視,。機組振動的惡化大都有一個逐漸發(fā)展的過程,，因此監(jiān)測系統(tǒng)需要對振動數(shù)據(jù)進行定期定時記錄和故障記錄，本設(shè)計中使用LabVIEW與ACCESS數(shù)據(jù)庫連接,，程序和上位機界面分別如圖9和圖10所示,。

　　4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

　　機組的振動信號多以50 Hz的倍數(shù)頻率為主。最頻繁的轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)子不對中故障中,，以二倍頻為主,。因此在實驗室條件下使用數(shù)據(jù)采集卡，產(chǎn)生50 Hz信號為主,，具有2次諧波,、3次諧波、5次諧波,、7次諧波的信號,，并附加高斯噪聲。使用監(jiān)測系統(tǒng)對該信號進行采集,、處理和分析,。LabVIEW得到濾波后的波形如圖11所示，頻譜圖如圖12所示,。

　　實驗顯示,，監(jiān)測系統(tǒng)很好地濾除了信號中噪聲，對信號的幅值和頻譜進行了分析,，滿足設(shè)計指標(biāo),。

　　通過仿真與實驗室實測,，對系統(tǒng)的其他功能進行了測試，結(jié)果表明,，監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地對16路振動信號進行采集,、分析、存儲及變換,，能夠識別故障信號并報警,，整個系統(tǒng)運行良好穩(wěn)定且具有很強的拓展性。

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