基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

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 摘要：介绍了基于虚拟仪器的在线振动监测系统的基本组成、实现方法和功能，采用PXI总线仪器和LabVIEW可视化的虚拟仪器系统开发平台，把传统仪器的所有功能模块集成在一台计算机中，用户可以通过修改虚拟仪器的软件改变其功能与规模。该系统实现了水电机组振动信号的自动采集，并能通过计算机进行振动信号的处理和分析。

    关键词：虚拟仪器 水电机组 振动监测 PXI LabVIEW

随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量的机组数量不断增多。如何保证水电机组运行稳定是人们普通关心的重要问题。而现阶段我国水电机组的检修一般实行计划检修制度，不管设备状态如何，到期必修，由此造成大量的资源浪费。这种传统的预期维修体制已经不能满足现代维修、运行、管理的要求。水电机组设备庞大、结构复杂、故障的诱因繁多，虽有一些故障不一定以振动形式表现出来，但统计资源表明，水电机组约有80%的故障或事故在振动信号中有所反映[1]，例如水电机组下机架的振动参数表示在转动部门的平衡情况，其振动的极频分量说明发电机电磁振动情况等。因此，振动监测是目前应用最为普通和有效的方法[2]，通过对这些振动信号的分析，充分发掘其中所包含的故障信息，对水电机组的安全生活、决策具有重要的实际意义[3]。

水电机组的振动监测可由传统仪器系统构成，如图1所示。系统功能是由厂家事先定义且固定不可变更功能的传统仪器完成。由于传统仪器听功能缺乏灵活性，有时尽管资金投入很大，但仍很难满足任务的不断变化所产生的多样化的需求。而虚拟仪器技术改变了这种状况，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器就是通过软件平台构造与真实仪器物理面板相类似的虚拟面板，硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而由功能强大的软件完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念。虚拟仪器用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，用户可以根据需要定义仪器的功能，虚拟仪器性能的改进和功能扩展也只需进行相关软件的设计更新，而不需要增添新的仪器。因此，虚拟仪器技术具有开发周期短、成本低、维护方便、灵活、功能强大、用户可自行定义等特点[4]。

1 系统硬件结构

本系统的硬件由传感器、SCB-68接线端子盒、PXI-1010组合机箱、SCXI-1125可编程隔离放大模块、SCXI-1141可编程低通滤波模块、SCXI-1140采样/保持模块、PXI-6052E数据采集卡、PXI-PCI833X计算机控制PXI模块、MXI-3光纤通信模块、DFE-530TXI网络适配卡等组成，其硬件结构如图2所示。
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    1.1 振动传感器的选择及安装

水电机组与火电机组相比，水电机组的额定转速较低，尤其是水力因素引起的振动频率更低。水电机组振动信号属低频信号。由于振动传感器现场环境恶劣、电磁干扰大、温度变化大，且传感器支架本身长期颤动会增加测量的误差，因此需选择可靠性高、抗干扰能力强、精神度高及性能稳定的振传感器。为了避免因振动传感器安装造成附加误差使测量值失真，振动传感器应合理安装。本系统在测量轴摆度时，选择电涡流传感器，它利用电涡流效应测量位置，具有非接触测量、抗干扰能力强的优点。将电涡流传感器安排在轴承壳体上，衽相对测量，测点位置可选在上导、下导、水导和推力等处，并各安装两个互为90°的电涡流传感器。在测量机架和项盖等振动时，选择地震式传感器。它测量基座所连接物体的绝对振动，具有抗振和高稳定性的特点。地震式传感器可直接固定在机壳上，安装应尽量靠近转轴，并尽可能避开母线出线等电磁场较强的位置，测点可选取在上、下机架和推力机架等处，各安装两个地震式传感器，分别对相架水平方向和垂直方向的振动进行监测。系统中采用光电式接近开关获取键相信号，确定整周期采样的基准点。此外，为便于分析振动与压力、工作水头和上、下游水位的关系，还应安装有功功率、压力、上、下游水位相应的传感器。

1.2 数据采集模块

在数据采集领域中，有基于多种PC机总线的PC-DAQ数据采集卡，也有基于VXI总线的各种数据采休模块。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI三种虚拟仪器体系中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而一次构建VXI系统需要较大的资金投入。PXI是1997年NI公司推出的一种全新的开放性和模拟化仪器总线规范，它将Compact PCI的集成式触发功能与Windows操作系统结合在一起。在保留PCI总线与Compact PCI模块结构功能的基础上，增加了系统参考时钟与触发器总线等，加之熟悉的Windows环境，使得PXI系统更适合构建工业自动化测控系统。基于PXI总线规范构建的系统将PC机的性介比优势和PCI总线面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新型的虚拟仪器系统。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，还具有开发周期短、价格低、易于组建便携式自动测试系统等特点。

本系统中数据采集通过现场传感器将各个测量点的信号经过SCB-68接线端子盒将信号送到信号调理模块SCXI-1125（可编程隔离放大器）、SCXI-1141（可编程低通滤波器）、SCXI-1140（采样/保持放大器）进行信号调理；最后将经过信号调理的信号送到数据采集卡PXI-6052E（16路单端/8路差分模拟输入、采样频率333ksps、2路模拟输出、8条数字I/O线、2路24位计数/定位器）进行数据采集。数据采集卡PXI-6052E上的位计数/定时器的抗干扰能力不强，为了弥补这一不足，可利用LS7084芯片和电阻、电容组成一个滤波表路，消除由于噪声和振动等造成的干扰。
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