智能化扭振測(cè)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、智能化扭振測(cè)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要: 本文從汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況出發(fā), 充分考慮到測(cè)量精度和使用環(huán)境等方面的特殊要求, 開(kāi)發(fā)完成了一種 新型智能化扭振測(cè)量分析系統(tǒng)。系統(tǒng)配置了 2 個(gè)測(cè)量機(jī)組軸系兩端扭振的扭振通道和8 個(gè)模擬量輸入通道 , 由下位智能采集卡和上位 pc及監(jiān)測(cè)分析軟件組成。 上下位機(jī)通過(guò) fifo存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù) ,使扭振信號(hào)的采集與分析可以同時(shí)進(jìn)行, 充分發(fā)揮了微處理器的實(shí)時(shí)測(cè)控功能和pc的快速數(shù)據(jù)處理能力。智能采集卡采用20 mhz的 80c196單片機(jī), 并充分利用該芯片的高速輸入的特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)了扭振的在線高精度測(cè)量, 扭角分辨率達(dá)到 0. 014。信號(hào)處理電路全部采用程控方法

2、, 提高了采集卡的適應(yīng)能力 , 可以應(yīng)用到各種測(cè)量場(chǎng)合。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、 操作使用簡(jiǎn)便。1 引言通常電廠發(fā)生軸段多處斷裂等重大事故的原因, 多數(shù)是由于大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)電耦合振蕩致使軸系扭振所造成。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)因扭振引起的機(jī)組軸系損壞高達(dá) 30 多起, 造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失 , 扭振問(wèn)題已成為當(dāng)今世界各國(guó)發(fā)展大機(jī)組必須解決的問(wèn)題 1 。通過(guò)扭振信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)主軸的運(yùn)行狀態(tài)可以防止災(zāi)害事故的發(fā)生 , 可以對(duì)軸及其相關(guān)部件進(jìn)行損傷檢測(cè)和故障診斷, 從而保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 , 具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義 122 。 測(cè)量扭振主要有 2 類方法 128:一類是直接測(cè)量法

3、, 另一類是間接測(cè)量法。其中直接測(cè)量法又分為接觸測(cè)量法與非接觸測(cè)量法 : 接觸測(cè)量法是在軸上貼應(yīng)變片測(cè)量剪應(yīng)變或者在軸上切向安裝壓電加速度計(jì) , 這種方法需要在軸上安裝 傳感器 等測(cè)量裝置 , 有時(shí)不得不破壞軸的原來(lái)結(jié)構(gòu) , 這在許多場(chǎng)合下是不允許的, 因此這種方法不適用于汽輪機(jī)組軸系的振動(dòng)測(cè)量 ; 而非接觸測(cè)量法不需要在軸上安置特殊裝置, 利用軸上已有的等分結(jié)構(gòu), 測(cè)量準(zhǔn)備工作較少 , 測(cè)量過(guò)程也不干擾軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 它最適合扭振的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)之用 , 將成為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測(cè)量和監(jiān)測(cè)的主要方法。非接觸測(cè)量法有多種 ,例如脈沖時(shí)序法 1 、光電編碼器測(cè)量法、激光測(cè)扭法3 。時(shí)間脈沖法測(cè)量軸系扭振

4、 , 是利用磁電式傳感器獲取安裝在軸上的等分或不等分齒輪產(chǎn)生的系列脈沖串, 從中分析得到軸系扭振信號(hào)1 。 利用晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘對(duì)各脈沖間隔進(jìn)行計(jì)數(shù), 確定每一脈沖間隔的時(shí)間 , 并與無(wú)扭振時(shí)平穩(wěn)角速度的脈沖間隔進(jìn)行比較, 從而獲得轉(zhuǎn)軸的扭振信息。光電碼盤測(cè)量法使用高密度增量式光電編碼器, 在軸端附近固定一個(gè)支架, 編碼器通過(guò)彈簧片固定在支架上, 通過(guò)傳感器產(chǎn)生脈沖 , 脈沖的時(shí)間間隔反映了軸瞬時(shí)角速度的大小 , 從而獲得扭振信息 627 。 這種方法難以消除橫振的影響,且不適用于高溫、污染嚴(yán)重的場(chǎng)合, 不適用于汽輪機(jī)組軸系的振動(dòng)測(cè)量。間接測(cè)量法是根據(jù)擾動(dòng)前機(jī)端電壓、 機(jī)端電流的測(cè)量值計(jì)算穩(wěn)態(tài)運(yùn)

5、行時(shí)汽輪機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩 ; 根據(jù)擾動(dòng)期間機(jī)端電壓、機(jī)端電流的測(cè)量值再現(xiàn)擾動(dòng)期間發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 425,8 。 假定汽輪機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變, 以擾動(dòng)期間發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩作為激勵(lì) , 求電網(wǎng)擾動(dòng)引起的軸系各段扭力矩; 該方法的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 只需要測(cè)量機(jī)端電壓和機(jī)端電流, 其余工作都是由軟件完成, 除了需要將機(jī)端所用常規(guī)電流 互感器 換為空芯線圈 ct外, 不需附加別的傳感器 , 因而實(shí)用、價(jià)廉。本文提出了一種新型智能化扭振采集系統(tǒng), 這一系統(tǒng)兼具脈沖時(shí)序法及間接測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn) , 不僅能夠測(cè)量扭振信號(hào)而且能夠提供三相電流、電壓信號(hào)等機(jī)組狀態(tài)參數(shù) , 具有測(cè)量精度高、成本低、控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)

6、置、使用場(chǎng)合可適用性等特點(diǎn)。2 扭振測(cè)量基本原理本系統(tǒng)的扭振測(cè)量方法采用脈沖時(shí)序法, 其原理如圖 1 所示。將磁電式傳感器對(duì)正齒輪安裝 , 當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí) , 傳感器上感應(yīng)出與齒形有關(guān)的脈沖信號(hào)。將該信號(hào)進(jìn)行整形處理得到標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖波。再將矩形脈沖波輸入到單片機(jī)的高速輸入部件 (hsi), 采用測(cè)周法測(cè)量每個(gè)脈沖的時(shí)間寬度。具體方法是, 利用單片機(jī)的高速計(jì)數(shù)功能 , 對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)時(shí)間由該矩形脈沖控制, 根據(jù)計(jì)數(shù)值可以計(jì)算得到每個(gè)脈沖的時(shí)寬值。當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 軸系無(wú)扭振 , 如果齒輪齒形完全相同時(shí) , 則與每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度都相同, 即為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)周期除以齒數(shù) ;

7、當(dāng)軸系存在扭振時(shí) , 每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度發(fā)生變化, 其與原寬度之差的大小反映扭振的大小。因此, 只要測(cè)出每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度的變化, 就可以得到軸的扭振。由于實(shí)際的齒輪存在齒形誤差, 所以即使軸系無(wú)扭振 , 也會(huì)導(dǎo)致每個(gè)齒形對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度不同。為了消除齒形誤差影響, 首先測(cè)定無(wú)扭振時(shí)各齒形對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度 , 并以此作為每個(gè)齒形的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 這樣, 在以后的測(cè)量中把各齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 得到脈沖寬度變化值 , 經(jīng)過(guò)換算得到扭振角位移。為了準(zhǔn)確記錄每個(gè)齒的位置, 在軸系上安裝一個(gè)鍵相傳感器,以鍵相傳感器信號(hào)作為參考起點(diǎn)。以鍵相信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻作為起點(diǎn), 如圖

8、2所示, 測(cè)得相鄰 2個(gè)齒之間的時(shí)間間隔 ti(i=1,2,z),z為齒輪齒數(shù)。 設(shè)軸旋轉(zhuǎn) k 周的時(shí)間為 t,平均角速度為=2k/t。若軸發(fā)生扭振 , 則第 i 個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度ti相對(duì)于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)tbi會(huì)發(fā)生很小的變化ti:其對(duì)應(yīng)的角度變化為 : 式(2) 計(jì)算得到的角度變化i為齒 i 相對(duì)于前一齒 i21 發(fā)生的角度變化, 第 n 個(gè)齒的角位移 n為前 n 個(gè)齒發(fā)生的角度變化之和 , 即: 根據(jù)式 (3), 就可以計(jì)算得到每個(gè)齒相對(duì)于鍵相起點(diǎn)的角位移, 即扭振大小。3 系統(tǒng)總體構(gòu)成本系統(tǒng)由上下位機(jī)組成 , 如圖 3 所示, 下位機(jī)是以 80c196微處理器作為主 cpu 的數(shù)據(jù)采集

9、和初步處理部分 , 上位機(jī)為 pc,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及結(jié)果顯示,下位機(jī)以板卡的形式插在pc的 isa 總線插槽上。這種結(jié)構(gòu)可充分利用微處理器的控制功能、 pc機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力及多任務(wù)處理方式等特點(diǎn)。3.1 數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計(jì)下位機(jī)的核心為 80c196芯片, 這種 16 位機(jī)很適用于高速采集與控制系統(tǒng)。 其主要性能特點(diǎn)為 :cpu沒(méi)有專用累加器 ,ralu直接對(duì)寄存器陣列進(jìn)行各種算術(shù)邏輯操作 , 從而提高了速度 , 具有高速 i/o 部件;28 個(gè)中斷源 ;8 通道的 10/8 位a/d 轉(zhuǎn)換器 , 采樣與轉(zhuǎn)換時(shí)間可選擇 ; 可采用 20mhz 的晶振 ; 具有較高的性價(jià)比。利用 80c19

10、6芯片的 hsi 部件, 記錄脈沖到來(lái)的時(shí)刻 , 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后 , 數(shù)據(jù)送入ram 存儲(chǔ)區(qū), 查詢 fifo存儲(chǔ)器狀態(tài) , 當(dāng)滿足條件時(shí)送入fifo,然后經(jīng) isa總線送入上位機(jī)。3.2 扭振信號(hào)預(yù)處理電路在同一截面上放置一對(duì)成180的傳感器 , 2 個(gè)傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)求和處理后可獲得純扭振信號(hào)。但這一信號(hào)必須前置處理, 包括分壓、限幅放大、隔離、 施密特觸發(fā)等 , 處理后的脈沖標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)就可進(jìn)入數(shù)字電路部分, 扭振信號(hào)預(yù)處理框圖如圖 4 所示。在電路中增加了一路鍵相信號(hào), 以便在采樣時(shí)確定測(cè)量脈沖的起點(diǎn), 這樣如果在測(cè)量中丟失一些數(shù)據(jù), 很容易重新找到脈沖的起點(diǎn), 開(kāi)始下一周期的測(cè)量。 目前

11、, 用于電廠測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器主要有電磁傳感器和電渦流傳感器, 電磁傳感器獲得信號(hào)電壓范圍為25+5 v, 電渦流傳感器獲得信號(hào)電壓范圍為2180 v, 為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同情況 , 前期預(yù)處理電路的電壓調(diào)整部分設(shè)計(jì)成可以程控調(diào)節(jié), 根據(jù)實(shí)際情況在線進(jìn)行控制參數(shù)的修改。3.3 a /d 轉(zhuǎn)換電路隨著高壓大電網(wǎng)與大型汽輪發(fā)電機(jī)組的不斷發(fā)展, 網(wǎng)機(jī)之間關(guān)系日趨復(fù)雜。 電網(wǎng)擾動(dòng)引起的電磁轉(zhuǎn)矩的變化破壞了汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)阻尼電磁轉(zhuǎn)矩之間的平衡 , 能夠使機(jī)組軸系發(fā)生強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng), 軸系應(yīng)力迅速增大 , 對(duì)大軸及其零部件造成疲勞壽命損耗, 甚至由此產(chǎn)生大軸、 葉片斷裂等嚴(yán)重事故 , 因此有必要監(jiān)測(cè)機(jī)端電

12、壓與電流的變化。在這套扭振測(cè)量系統(tǒng)中, 設(shè)計(jì)了 8 路 a/d 轉(zhuǎn)換通道 , 可以將機(jī)端電壓與電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,a/d 轉(zhuǎn)換利用單片機(jī)內(nèi)部的 a/d 轉(zhuǎn)換部件。3.4 cpld 數(shù)字邏輯控制部分本系統(tǒng)的數(shù)字邏輯控制由cpld 完成,cpld的主要功能是 :80c196的地址譯碼電路 , pc 的地址譯碼電路 ,80c196 與 pc機(jī)握手通信控制 , 對(duì) fifo的控制邏輯。其內(nèi)部邏輯框圖如圖5 所示。3.5 測(cè)點(diǎn)選擇及傳感器的放置測(cè)點(diǎn)一般應(yīng)遠(yuǎn)離扭振模態(tài)節(jié)點(diǎn), 盡量位于扭角大的截面 , 以便得到較強(qiáng)的信號(hào) , 但節(jié)點(diǎn)的位置是不固定的 , 會(huì)隨擾動(dòng)扭力矩的頻率而變化, 但不論軸系的固有頻率

13、和振型怎樣 , 軸的兩端都不會(huì)成為節(jié)點(diǎn) , 所以選在軸的兩端作為測(cè)點(diǎn), 利用軸上原有的測(cè)速齒輪進(jìn)行測(cè)量。為消除橫振的影響, 將 2 只磁電式傳感器沿齒盤圓周相隔 180放置。 由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)主軸上可能會(huì)安裝1 個(gè)或 2 個(gè)測(cè)速齒輪, 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 2 個(gè)測(cè)量通道以適應(yīng)不同的情況。3.6 扭角分辨率下位機(jī) 80c196的 t1計(jì)數(shù)速率是每 8 個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)一次 , 為提高精度與速度 , 80c196采用 20 mhz 晶振, 則狀態(tài)周期為 100 ns,t1 的計(jì)數(shù)周期 tt=800 ns,軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為 tn=1/50, 脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)誤差為1個(gè)計(jì)數(shù)周期 , 因此扭角分辨率為: 4 系

14、統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊如圖 6所示, 由圖 6可以看出 , 系統(tǒng)功能由下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件協(xié)同實(shí)現(xiàn)。4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件主要對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的各種模擬量以及經(jīng)扭振信號(hào)預(yù)處理電路獲得的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在初始化部分進(jìn)行模擬電路控制參數(shù)設(shè)定, 工作模式的設(shè)置 , 中斷設(shè)置及開(kāi)中斷 , 然后等待上位機(jī)發(fā)啟動(dòng)信號(hào), 以鍵相信號(hào)為起點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集 , 當(dāng)數(shù)據(jù)采集的數(shù)量達(dá)到要求時(shí)作預(yù)處理, 為數(shù)據(jù)傳送做準(zhǔn)備, 判斷 fifo為空時(shí), 數(shù)據(jù)送入 fifo,接著重新等待鍵相信號(hào)作為下一包數(shù)據(jù)采集的起點(diǎn) , 循環(huán)執(zhí)行。程序流程圖如圖7 所示。4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件定時(shí)對(duì)fif

15、o的狀態(tài)進(jìn)行查詢 , 當(dāng) fifo半滿時(shí)則讀取來(lái)自下位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) , 經(jīng)過(guò)計(jì)算與處理 , 實(shí)現(xiàn)同步扭振判斷、 報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、 故障分析、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能, 其功能結(jié)構(gòu)圖如圖 8 所示。5 實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證這一系統(tǒng)的正確性, 本文在扭振實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試, 其結(jié)構(gòu)如圖 9 所示。扭振實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm。 發(fā)電機(jī)為三相同步發(fā)電機(jī), 功率為 3 kw,每相帶負(fù)載為 1 kw。軸上裝有 2 個(gè) 60齒扭振測(cè)量齒輪。每個(gè)齒輪處相隔 180安裝一對(duì)傳感器。 傳感器信號(hào)傳送到下位機(jī)采集處理。在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)荷時(shí), 突然切斷某相負(fù)載導(dǎo)致軸系發(fā)生扭振。用本文開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的扭振實(shí)驗(yàn)

16、結(jié)果如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)用丹麥brel&kjr 的激光扭振儀進(jìn)行測(cè)量 , 測(cè)量結(jié)果與本文系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果一致, 表明本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有較好測(cè)量精度。本文開(kāi)發(fā)的扭振測(cè)量系統(tǒng)已在某電廠一臺(tái)200mw 汽輪發(fā)電機(jī)組上安裝使用。系統(tǒng)扭振信號(hào)取自該機(jī)組已安裝的飛利浦tsi 系統(tǒng) mms6000 。目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好 , 扭振測(cè)量結(jié)果可以在intranet進(jìn)行瀏覽 , 為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和管理人員提供了極大方便。6 結(jié)論大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振問(wèn)題是當(dāng)前機(jī)電耦合研究的焦點(diǎn), 扭振的準(zhǔn)確測(cè)量是關(guān)鍵。本文從汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況出發(fā), 充分考慮到測(cè)量精度和使用環(huán)境等方面特殊要求 , 開(kāi)發(fā)完成了一種新型智能

17、化扭振測(cè)量分析系統(tǒng)。系統(tǒng)配置了 2 個(gè)測(cè)量軸系兩端扭振的扭振通道和8 個(gè)測(cè)量發(fā)電機(jī)三相電流、 電壓及機(jī)組負(fù)荷等參數(shù)的模擬量輸入通道。系統(tǒng)由下位智能采集卡和上位pc及監(jiān)測(cè)分析軟件組成。上下位機(jī)通過(guò) fifo存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù) , 使得扭振信號(hào)的采集與分析可以同時(shí)進(jìn)行 , 因而可以充分發(fā)揮微處理器的實(shí)時(shí)測(cè)控功能和pc的快速數(shù)據(jù)處理能力。智能采集卡采用 20mhz 的 80c196單片機(jī)為核心 , 并充分利用該芯片的高速輸入部件特點(diǎn) , 實(shí)現(xiàn)了扭振的在線高精度測(cè)量, 扭角分辨率達(dá)到 0. 014 。信號(hào)處理電路全部采用程控方法 , 提高了采集卡的適應(yīng)能力 , 可以應(yīng)用到各種測(cè)量場(chǎng)合。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)

18、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、操作使用簡(jiǎn)便。參考文獻(xiàn) 1 傅海忠 . 用于大型旋轉(zhuǎn)軸系的扭振測(cè)量技術(shù)研究d. 北京: 清華大學(xué), 1990 2 杜極生 . 國(guó)內(nèi)外關(guān)于扭振監(jiān)測(cè)裝置的研究綜述 j. 汽輪機(jī)技術(shù) , 1991(10): 16219. 3 simpson d g., lamb d g. s. a laserdoppler system formeasurement of torsional vibrationm. united kingdom:nel. reportno.639, departmentof industry, 1997. 4 gieseckeh d. measuring torsional natural frequenc