现代测试技术期末大作业.pdf

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1、现代测试技术期末大作业现代测试技术期末大作业题目面向汽轮机组振动的分布式在线监测系统题目：面向汽轮机组振动的分布式在线监测系统1.1.研究的意义及发展现状研究的意义及发展现状汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的一种旋转式原动机，它比其它类型的原动机具有单机功率大、热经济性高、运行安全可靠、单位功率制造成本低等一系列优点，是机械设备的重要组成部分，也是企业生产的核心设备。随着科学技术的进步和发展，汽轮机组性能的提高和容量的增加，人们对设备安全、稳定、长周期、满负荷运行的要求越来越迫切。虽然运行自动化、制造精度和安装工艺水平的提高，使得汽轮机组的振动故障有所减少，但是由于设备的复杂性、运行环境的特殊

2、性、安装与检修中影响振动因素的不确定性，使得当前振动故障仍然严重影响汽轮机组的正常运行。只有采用现代化的监测手段，在汽轮机组运行过程中对其振动状态进行实时的监测，及时掌握设备的运行状态，才能有效预防故障，杜绝事故，延长设备运行周期，最大限度的发挥设备的生产潜力，避免“过剩维修造成的不经济、不合理现象，提高经济效益和社会效益457。电厂中汽轮机主机以及辅机设备的振动状态监测和故障诊断。由于信号的采集和处理的好坏直接影响到状态监测的效果和故障诊断的准确，因此系统设计一款在线监测系统，其最主要的功能是在保证采样精度和速度的前提下，对多种机组信号进行采集，尤其是对多个测点的振动信号进行多种模式的采集，

3、提供机组的运行状态数据。早在上个世纪中叶，以美国为主的西方发达国家率先在大型汽轮发电机组在线监测与故障诊断方面的技术展开了研究，到目前为止，在该领域一直处于领先水平。美国的几家专业公司，如 Bently，IRD，BEI，从事对大型电站机组的运行和监控的研究，以及对机组可靠性、安全性、维修管理技术方面的研究，已经有了 40 多年的历史，建立了庞大的数据库管理系统，并开展了专家系统的研究，具有雄厚的数据和软件实力。我国在设备状态监测与故障诊断技术方面的研究起步较晚，始于八十年代中期。此前，只有在机械的运行出现异常或者拆开设备检查时，才知道某部分发生了故障，并且为了确保设备的正常运行而实行定期维修检

4、查的制度。这样的传统制度既不经济也不合理。后来，国内投运的大机组一般都配置了进口的振动监测保护装置。这些引进的监测装置对设备安全运行起到了积极作用，但也存在价格昂贵、维护不便等问题。目前，国内比较成功的工程应用系统有：哈尔滨工业大学等单位联合研制的 3MD-I、3MDII、3MDIII 系列；西安交通大学机械监测与诊断研究室的 RMMDS 系统；浙江大学的 CMDI 型及 II 型系统：东南大1学的 MFD 系统等8l0。2.2.系统设计系统设计2.1.2.1.引起振动的原因及分析方法引起振动的原因及分析方法汽轮机因设计工艺、负荷和冷热不均等原因造成的机械故障表现大致可以分为两种：1)异常振动

5、，如轴承或者转轴发生剧烈转动；2)系统失稳，如汽缸热膨胀，转轴偏心或发生轴向位移等。这两种故障相互影响，彼此加剧。比如说，转轴偏心必然会使振动加剧，而异常振动会使轴心更加偏离原来的平衡位置。若想全面掌握机械的运行状态，监测系统必须从这两类故障出发，将机械运行的动态特征和静态特征作为监测对象。汽轮机运行的动态特征量主要指振动量，它反映了传感器探头端部与转子表面的快速间隙变化，传感器选择方面，因为 MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸

6、使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。所以系统可以采用 MEMS 微机械压力传感器或 MEMS 微加速度传感器。如图 1 所示；静态量，也称缓变量，包含轴向位移、轴偏心、缸胀和温度等。比较而言，监测静态特征量更简单，监测的对象为一固定的数字量，处理更方便，将采集的数据与安全运行数据标准进行比较，就可以判断汽轮机的工作状态。监测动态量要复杂的多，但是却从频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要信息”。图 1 传感器测量轴振动输出波形示意图如图 1 所示给出了在理想的平稳状态下，振动波形的一次谐波的输出函数表达式y A Bsin(t)。其中，A 表示初始间隙，是指安装传感器时其顶部与转轴

7、表面事先调整好的间隙，在高速大型的汽轮发电机设备上，传感器的安装位置常常就是在制造时留下来的；B 表示位移最大值，称为振幅；Q 是振动信号角频率；9 是初始相位移。表达式说明，在理想的平稳状态运行下，随着时间 t 的2不断变化，振动波形是一个以初始间隙 A 为基准的周期性变化的正弦波。由上式也可以看出，振幅、相位角和频率就是确定振动的三要素。因而振动测量主要是指幅度、相位和频率的测量2。2.2.2.2.硬件电路结构硬件电路结构完整的汽轮机振动在线监测系统的总体结构框图如图 2 所示。图 2 汽轮机组振动在线监测系统的总体结构框图在硬件结构上数据采集单元由信号调理模块、微处理器、AD 转换、CP

8、LD、存储器等主要模块构成。数据采集单元的基本工作过程是这样的：键相信号经处理，送入CPLD 选通后，可以作为采样振动信号的同步触发信号；6 路振动信号经调理，送入AD 转换模块中进行采样，每一次模数转换完成后，发结束信号给 CPU，响应后，CPU 读取采样数据；6 路缓变量信号由 CPU 自带的 ADC 直接采集；采样完成后，采样数据从微处理器转存到外扩存储器模块中，以备主处理单元的调用7。2.3.2.3.数据采集电路数据采集电路“数据采集”(Data Acquisition)是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换。成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为

9、数据采集系统。数据采集系统性能的好坏，主要取决于他的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采样、实时处理和实时控制对速度的要求。如图 3 所示，振动信号采集过程包括四个步骤：1)前端信号的调理；2)进入AD 后的模数转换；3)每一次模数转换结束，CPU 读取采样数据；4)采样过程结束后，将采样数据送入共享内存中进行缓存。其中第一个步骤属于采样前的准备3工作，已经在前文讲过了；第二和第三个步骤是采集过程的主体，是本节重点介绍的内容；第四个步骤是有关共享存储器电路的设计，是对采样数据的处理。图 3 振动信号采集过程流程图2.4.2.4.信号调理电路信号调理电路振动信号作

10、为主要的采集量，对采样精度和采样速率的要求都比较高，在本设计中，是采用专门的模数转换芯片 ADS8365 来采集的。由于 ADS8365 的各模拟输入引脚的电压范围是 0V,-5V，而传感器输出的振动信号电压范围是 O-20V，显然与之不符，因此只有将其调理成合适的电压，才能送入 AD 进行采样。振动信号调理电路如图 4 所示。图 4 振动信号调理电路3.3.软件功能设计软件功能设计3.1.3.1.系统软件功能系统软件功能嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议

11、、图形界面、标准化浏览器等。在一个嵌入式系统中，底层驱动程序与硬件密切相关。如果硬件器件比较多，那么底层软件相对来说也要比较复杂。为了更能合理、有效地利用 CPU 有限的资源，在硬件平台上移植了 uc/os-II，编写了底层的硬件驱动程序，并且在程序的编写上，采用了子程序和模块化设计思想，好处是使得软件职能明确、编写简易、便于其他功能模块5。调用，能大大提高系统处理的实时性，使得系统处理简单、明了，同时减少了程序对于内存的占用量。43.2.3.2.A AD D 采样驱动程序采样驱动程序AD 采样驱动程序是针对振动信号和缓变量信号的采集而设计的。在本文主要介绍振动信号的采样过程及软件实现算法，及

12、介绍缓变量信号的采样过程。对于振动信号的采集策略有两种，分别是倍频采样和固定频率采样。软件设计的重点是基于软件控制的频率自适应倍频采样算法，该算法能有效的跟踪并锁定被测信号的基波频率，实现基于键相信号的自适应采样，以减少或者消除键相信号频率变化对振动信号测量的影响。另外，该算法巧妙的利用了定时器的捕获和匹配功能，降低了软件实现的复杂度，达到了硬件级的响应速度，提高了运行的实时性和可靠性。振动信号的采样流程大致上包括以下几个过程：1)采样过程控制；2)判断是否完成预定采样点数：3)往共享内存送采样数据。在高速数据采集任务中，这个采样过程是不断循环进行的，即 AD 采样芯片不断的采集数据，经判断，

13、若完成预定的采样点数，就要将采集的数据送入到共享内存中进行保存，等待主处理单元读取，为后续分析提供数据。整个过程是在定时器中断、AD 采样中断以及主任务的配合下共同完成的，其中定时器中断又包括定时器捕获中断和定时器匹配中断。4.4.数据传输数据传输在本设计中，程序编写好以后，通过RS232 串口和程序烧写工具 Flash Mag下载程序，然后用VTl00 超级终端进行调试。简单地说，VTl00 终端具有两种功能。1)作为输入设备，在键盘上键入的字符被送入主机；2)作为输出设备，主机上相应程序的处理结果将被送回 VTl00 显示器显示。VTl00 终端结构图如图 5 所示。图 5VT100 终端

14、结构图5VTl00 终端相当于给嵌入式系统扩展了一个键盘和显示器，通过 VTl00 终端结合相应的终端调试程序，可以观测到固定频率采样和倍频采样数据以及振动量、相位、键相信号频率等具体信息 150l。通过 VTl00 终端显示的数据信息，以此可以十分方便地发现程序设计中存在的问题并加以改正。5.5.总结总结汽轮机振动在线监测系统负责采集多路振动信号、缓变量信号和键相信号，并对采集的数据进行实时处理与存储等工作。这对于机组设备的安全稳定运行具有重大的意义。研究重点是数据采集单元，完成了硬件设计和以数据采集算法为主的软件设计，设计过程中所采用的关键技术有基于 ARM 及 ucos-II 的嵌入式系

15、统技术：每个数据采集单元均使用ARM处理器作为核心，软件都是基于ucos-II进行设计，提高了系统实时处理的能力。多路数据同步采集技术：在保证采样精度和速度的前提下，多路数据同步采集技术用于对多路振动信号同时采样，充分保留各路原信号之间的相位信息。多处理器并行处理技术：每个数据采集单元均使用了 1 个主频为 60MHz 的处理器，每个处理器都可以分担系统的运算量，组成多处理器并行处理系统，提高了整体的数据处理能力，并具备很强的灵活性。6参考文献参考文献1 肖永华基于 DSP 的电厂汽轮机组监测系统的研究D成都：西南交通大学硕士学位论文，2006：1-22 马明建数据采集与处理技术M西安：西安交

16、通大学出版社，2012：5-63 许磊基于 ARM9 的振动数据采集系统的研制D浙江：浙江大学硕士学位论文，2010：5-104 杜春雷ARM 体系结构与编程M北京：清华大学出版社，2003：1-35 王金平嵌入式旋转机械状态监测系统的设计与研究D南京：东南大学硕士学位论文，2006：4-56 张荣斌大型旋转机械混合式振动监测诊断系统的研制D重庆：重庆大学硕士学位论文，2003：13157 邓艾东，许春林，张红星 振动故障诊断系统中的同步键相信号处理叨J 风机技术，2001，(5)：61-638 许磊，缪思恩基于 AT91RM9200的振动监测数据采集系统J电站系统工程，2007，23(5)：

17、53-549 Wang M-HApplication of extention theory to vibration fault diagnosis ofgenerator setJ.IEEE Proceedings Generation,Transmission andDistribution,2004，1 51(4)：503-50810 Jovanovic SSelf-tuning steam turbine controller in a multi-machine powersystemJIEEE Transaction on Energy Conversion，1999，14(4)：1578-15817