基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

本系统采用了NI公司的组合式机箱PXI-1010（8个PXI/Comact PCI和4个SCXI插槽），零槽控制模块采用PXI-PCI833X。PXI-PCI833X采用MXI-3技术。MXI-3技术是一种PCI总线之间的连接技术，它采用标准PCI-PCI桥技术及1.5Gbps高速串口连接，为PXI控制引入了更加快速方便的扩展方式。MXI-3技术不仅可以进行PXI/Compact PCI机箱之间的连接，而且可通过主控计算机直接控制PXI系统。在本系统中将PXI-6052E数据采集卡采集到的数据通过PXI-PCI833X模拟和传输速率高达132Mbps的MXI-3光纤通信模块传送到现场计算机。MXI-3包含了一块插在现场计算机中的PCI MXI-3板卡和插在PXI-1010机箱控制槽内的PXI MXI-3模块，两板卡通过光缆相连，实现PXI-1010机箱内的各模块与现场计算机的通信。MXI-3技术可实现200m距离内信号传输，解决了现场计算机与数据采集模块之间信号远距离传输的问题。现场计算机通过DFE-530TXI网络适配卡与网络远程监控终端相连，实现远程监测。

2 系统软件结构

本系统选择NI公司的LabVIEW 6i作为开发工具，它采用图形化编程方案，也称为G语言。LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库，从基本的数学函数到高级分析库（包括信号处理、函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等），通过这些函数及子程序库，可以实现硬件系统的软件化，设计出符合技术要求的振动监测系统。本振动监测系统所用的数据采集卡为NI公司的产品，可以使用LabVIEW提供的大量数据采集子程序，无需为数据采集卡编制驱动程序。另外LabVIEW的附带网络工具套件，方便了远程监测的设计。

LabVIEW开发环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象（如开关、按钮、示波器、指示器、定时器等），它相当于实际仪器的操作面板。设计时只需从控件库中选取所需的控件，并为它们设计合理的属性（例如尺寸和量程等）和具体放置位置。这些属性和位置可通知程序方便地调整。前面板的合理设计有助于振动监测系统功能的实现并方便操作。因此前面板应设置多段开关以实现不同的数据处理方法，前面板主要部门是显示图形和数据，可采用多窗口完成不同信号的同时输出，前面板还应有控制窗口和开关，以实现对振动监测系统的操作。流程图则是程序的图形化源代码。设计时从函数库中选取所需要的函数图标，并按照数据在程序中传递的顺序把它们和控件图标的位置统一编排好，再用连线工具将图标连起来。系统软件采用模块化设计，其系统软件功能模块如图3所示。采用模块化设计有助于软件的设计和日后改进升级[5]。

2.1 “谱泄漏”现象的消除

在运用傅立叶运算对采样信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象。为了消除“谱泄漏”现象，提高谱分析精度，在傅立叶变换时实现整周期截断，对振动信号实行整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，以确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整。实现整周期采样的关键是如何将一个完整的周期信号均匀地分成K等分进行采样，其中K为一个采样周期内的采样点数。信号周期可以通过链相信号测得，两相邻链相信号的上升沿或下降沿之间即为一个采样周期。本系统中通过软件计算机出采样时间间隔来达到均匀采样的目的。此外加窗也是减小“谱泄漏”影响的一种有效办法，对某一个信号选择一个合适的窗函数。窗函数越宽，抑制杂波能力越强；窗函数越窄，分辨率越高。

2.2 信号处理和分析

利用LabVIEW的Signal Processing Suite专用软件包、函数和子程序库，对采集的水电机组信号进行处理和分析，主要包括非线性变换、数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析、轴心轨迹分析等。

（1） 非线性变换：由于传感器结构的特点，它输出的直流电压值不是完全线性的，这就造成了最终距离参数难以直接获得。采用同线拟合办法可以很好地实现信号的非线性变换。

（2） 数字滤波：为了弥补硬件滤波器的不足，提高设备的可靠性，采用谐波去除法作为软件滤的方法。运用ReFFT（）函数对现场采集的信号进行快速傅立叶变换，在生成的幅值频谱中将事先规定的截止频率以上的频率成分设为0，然后在运用ReInvFFT（）函数进行傅立叶反变换，求出滤波后的时域数据。

（3） 时域分析：主要是时域波形显示（包括实时数据随时间变化图及局部放大及缩小）、波形特征值的计算（包括计算振动/摆度的峰峰值的均值、方差等）、相位分析（包括测点信号的相位随时间变化及不同测点之间的相位差）及其相关分析（通过两个量之间相关变化找出自变量如水头和开度等对震动/摆度的影响）等。

（4） 频域分析：将整周期采集的信号进行快速傅立叶变换，得到振动信号的频谱。分析功能主要有幅值谱分析、功率谱分析以及频谱图（包括频谱分量的最大值及该最大值发生的频率）的计算和显示等。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

（5） 小波分析：傅立叶变换对水电机组振动信号中出现的奇异点有时难以准确识别，而这种奇异点的出现，通常又与故障的发生紧密相连，而小波分析在噪声消除、微弱信号的提取和图像处理等方面具有明显的优势，故小波分析也是水电机组振动信号分析的有具工具。应用小波分析技术对振动信号进行“细化和放大”，使振动信号更加清晰，以便于捕捉振动信号变化的特征点，尤其是对突变信号的处理优势明显。

（6） 轴心轨迹分析：动态间隙显示、动/静态轴心轨迹曲线、动/静态谐波轴心轨迹曲线。

2.3 数据库的设计

数据库选用SQL Server 2000，利用LabVIEW 6i开发平台内带的SQL Tooikit工具包与数据库进行联系，通过SQL Toolkit可以访问大多数关系型数据库（如Oracle、Informix、Sybase、MS SQL Server等），用SQL语句可实现对数据库的查询、修改和增删等操作[6]。数据库分为实时数据和历史数据两种。实时数据主要是有机组配置及数据采集参数、各振动和摆度原始波形、各振动和摆度频谱数据、各振动和摆度特征数据、状态参数数据。历史数据主要有：机组正常运转的历史数据，按年、月、日等进行分档压缩存储；机组出现异常情况的历史数据，用于事故追忆。

通过在LabVIEW，系统平台上开发的基于PXI平台的水电机组振动监测系统集振动测试、数据采集、处理和分析为一体，能迅速而有铲地把水电机组在各种过程中的振动情况整理成资源和图形，如波特图、极坐标图、波形图、轨迹图、三维谱图、轴中心位置图、振动数据库等，以便对水电机组的振动情况分析和故障诊断。该系统已安装在多台水电机组上。运行结果表明，与传统监控系统相比，虚拟仪器方案不仅系统结构紧凑，构成灵活，且功能丰富，通过修改软件功能易于扩展，具有很高的性价比，监控过程可实现无人值守，通过联网可实现远程监控。因此基于虚拟仪器的水电机组振动监测系统具有十分广阔的应用前景。