高爐鼓風機振動檢測

1、NI 測控產品在高爐鼓風機組狀態(tài)監(jiān)測系統中的應用Application of NI Measurement and Control Productsto the Condition Monitoring System for Centrifugal Blower作者：王華忠 張雪申 俞金壽 職務：大學教師 公司：華東理工大學自動化研究所 應用領域：機械設備狀態(tài)監(jiān) 測 挑戰(zhàn)：如何利用現有的技術 快速開發(fā)穩(wěn) 定可靠的 數據 采集系統以 滿足對大 型機 械設備狀態(tài)監(jiān)測的要求。 應用方案：采用 NI 公司的軟 硬件測控產品開發(fā)機械設備狀態(tài)監(jiān)測系統以提高設備的維護 水平。 使 用 產 品 ：LabWin

2、dows/CVI;SCXI-1000;SCXI-1140; SCXI-1141;PCI-MIO-16E 介紹：大型旋轉機械是冶金、 石化、電力等重要工業(yè)部門 的關鍵動力設備，為了提高 對它們的維修與維護水平， 實時監(jiān)測它 們的運行 狀態(tài) 變得越來越重要。為了準確 實現對設備的狀態(tài)監(jiān)測，必 須嚴格按照 振動頻譜 分析 方法對數據 的要求進 行數 據采集，否則采集到的數據 很難用于準 確分析設 備狀 態(tài)，而通常這種要求要比過 程控制中數 據采集的 要求 嚴格得多，主要表現在對數 據的實時性、同步性、時序 性、整周期、采樣速率等方 面。傳統的解決方案是自行 設計開發(fā)以 單片機為 核心 的數據采集設備

3、，系統開發(fā) 工作量大、精度低、可靠性 差、系統維護工作量大。采用 NI 測控軟硬件產品，開 發(fā)了基于 PC 的設備狀態(tài)監(jiān) 測系統， 極大地縮短 了系統開 發(fā)周 期，顯著地提高了系統的穩(wěn) 定性和可靠性。 數據采集系統的硬件 結構 及工作原理： 整個狀態(tài)監(jiān)測系統為二級分布式系統，包括采用以 太網相連的上、下位機及橫 河XL DCS 等。在該系統中， 下位機及XL 系統構成現場 信號處理級，上位機構成設 備管理級。狀態(tài)監(jiān)測系統除 了要求 42 路與振動監(jiān)測相關 的工藝參數（包括溫度、壓 力及流量等）外，還要求采 集 12 路振動信號和 1 路轉速 信號。振動信號數據采集設 備主要選用美國國家儀器公

4、司（NI）的產品。下位機數 采系統配置了一臺 ICS 工控 機、電平移動模塊、8 通道低 通濾波模塊 SCXI-1141、8 通 道 采 樣 / 保 持 模 塊 SCXI-114O 、 四 槽 機 箱 SCXI-1OOO、16 通道振動信號 采集模塊 PCI-MIO-16E 及 NI 專用電纜等；振動傳感器包 括新增加的 PCB-M328F11 加 速度傳感器以及原有的位移 傳感器。其硬件結構及信號 流 程 如 圖 1 所 示 。 PCI-MIO-16E 屬 于 總線 主控 型 PCI 板卡，所謂總線主控， 就是采樣所獲得的數據直接 在外插板和內存之間傳遞， 無需通過 CPU 來完成，其帶 寬

5、可達到 132M/S，因此對于 高速數據采集十分有用。數 采設備硬件連接好后，運行 NIDAQ 硬件配置程序完成 相應的設置并檢查配置是否 正確。 圖 1 下位機信號采集硬件結構 振動信號的相位是一個 很重要的參數，為了得到振 動信號的絕對相位，需要有 鍵相脈沖信號。本系統中鍵 相信號由光電傳感器感受轉 軸上的光標在轉軸轉一圈時 而產生的脈沖提供的，該脈 沖還作為轉速與相角測量的 基準。光電傳感器的輸出接 入 PCI-MIO-16E 的 PF1O/TII1 腳，作為數字觸 發(fā)源，并由軟件設置為上升 沿觸發(fā)方式。每次監(jiān)測到觸 發(fā)信號的上升沿后，DAQ 板的內 部 定 時 / 計 數 器 產 生

6、S/AT/SCAN 脈沖信號，該信號 的輸出引腳通過 SCXI 總線與 SCXI-114O 后部的連接端子 的 HOLD/TII 引腳相連，使 SCXI-114O 進入保持模式，通 過軟件可設置該信號的間隔 時間，本系統中的間隔時間 即為完成 12 個通道的采用所 需的時間。S/AT/SCAN 信號的 下降沿引發(fā) CONVET/ 信號， 通過它來啟動 A/D 轉換，在 A/D 轉換開始后，在約 5Ons 至 1OOns 的 時 間 內 由 PCI-MIO-16E 的 SCANCLK 引 腳 自動 輸出 一 個 4OOns 至5OOns 正脈沖信號作為采樣 掃描時鐘 SCANCLK。SCANCL

7、K 信號通過 SCXI 總線還 與 SCXI-114O 的 SCANCLK 腳相 連 ， 它 的 上 升 沿 引 發(fā) SCXI-114O 改變通道號，進入 下一通道的采樣，如此循環(huán)， 直到 12 個通道各采樣一次。 等到下一個 S/AT/SCAN 信號 上升沿到來，又重復上述過 程， 直 到 每 個通 道各 采樣 1O24 次，就完成了一組振動 數據的采集。各信號的時序 如圖 2 所示。圖 2觸發(fā)采樣時序圖種測控系統的設計與開發(fā)而 言，測控軟件平臺所取的作 用越來越大。根據應用的要 求，選擇好的測控軟件平臺 能夠縮短系統開發(fā)周期，統 一設計標準，提高系統性能， 降 低 開 發(fā) 費 用 。 La

8、bWindows/CVI 作為新一代 測控軟件開發(fā)平臺，以其功 能強大、靈活性好、兼容性 好、簡單易學等特點而被廣 泛用于開發(fā)各種測控系統。 特別是其提供了眾多的面向 測控的庫函數，因此它極大 地提高了測控系統軟件開發(fā) 的靈活性和功能。此外，本 系統數采硬件選用 NI 設備， 故選 用 NI LabWindows/CVI 可以使系統在軟硬件的兼容 性和集成上達到最優(yōu)。數據采集系統軟件設計 在該系統中，數據來源分兩部分，一是部分XL DCS 中已有的工藝參數，另一部 分數據，如振動、轉速等通 過新增加的數采設備進行采 集。DCS 中的參數采集是通過 DDE 方式實現的，這樣極大的 節(jié)省了系統的硬

9、件投資。 LabWindows/CVI 提供了用于 DDE 通訊的函數庫，DDE 通訊 的實現十分容易。系統中最 重要的是振動數據采集，振 動數據采集模塊包括穩(wěn)態(tài)數 據采集和啟停態(tài)數據采集， 以實現對設備狀態(tài)的全面監(jiān) 測。信號頻率的變化，即信號頻 率越高，則采樣間隔變短， 反之則采樣間隔加長，以確 保 在采樣 點 數 不 變得 情況 下，采樣間隔均勻，所采信 號周期完整。實現整周期采 樣的關鍵是如何將一個完整 的周期信號均勻地分成 N 等 分進行采樣，即實現倍頻， 其中 N 為一個周期內的采樣 點數。信號的周期可以通過 鍵相位信號測得，兩個相鄰 鍵相位信號的上升沿或下降 沿之間即為一個采樣周期

10、。 一般而言，可以通過軟件和 硬件兩種方法實現整周期采 樣。硬件實現主要采用鎖相 環(huán)頻率合成技術，通過倍頻 器快速跟蹤鍵相信號頻率變 化實現倍頻信號輸出，具有 反應快、精度高等特點，但 如果執(zhí)行一次采樣函數所需 時間大于倍頻器輸出的脈沖 間隔時間，就無法用硬件實 現。本系統實際轉速脈沖的 頻率從 O.5Hz 到 5OHz，分頻 系數最大為 256，脈沖間隔最 小為 78 微秒，因此硬件上較 難實現。軟件實現的方法是 通過計算出采樣的時間間隔 達到均勻采樣的目的。但是 在轉速變化較大時用軟件是 很難預測轉速變化的趨勢及 大小，造成數據不準。因此 軟件方法適合轉速變化不大 的情況。該系統中，鼓風機

11、 在升降速過程中是近似勻加 速運動，轉速變化可預測。測控 系統軟件平 臺 軟件 選 擇：隨著計算機數字技術在 各類儀器、儀表及測控系統 中的應用越來越廣泛，對各為了在傅立葉變換時可以實現整周期截斷，以消除 泄漏現象，提高譜分析精度， 對振動數據必須實現整周期 采樣。所謂整周期采樣是指 系統的采樣頻率動態(tài)地跟蹤并且由于每次采樣過程時間短，轉速可近似為勻速運動， 所以可采用軟件方法實現升 降速數據采集。在進行升降 速數據采集時，要對信號要 進行加窗處理，以免在頻域上引起泄漏。圖 3 所示為狀 態(tài)監(jiān)測系統中某振動點的時 基頻譜圖。解決的問題與結論 本文介紹的數據采集技術是我們開發(fā)的高爐鼓風機 狀態(tài)監(jiān)測系統中的一個很重 要的子系統。該狀態(tài)監(jiān)測系 統自 1999 年 4 月在國內最現 代化的大型鋼鐵企業(yè)投入運 行