摘 要： 設計了一種發電機組轉軸振動監測系統。電渦流變送器將振動信號轉換為電信號并傳送至系統硬件平臺。硬件平臺使用FPGA作為控制核心對電信號進行模數轉換、FIR濾波及溫度矯正，并通過USB 2.0接口傳輸至上位機。硬件平臺提供USB 2.0和RS-232兩種接口，分別用來傳輸數據和控制命令。上位機采用LabVIEW開發平臺，通用性強，通過VISA組件與硬件平臺USB 2.0接口和RS-232接口通信，獲取數據并控制硬件平臺，實現實時振動波形分析、頻域分析和軸心軌跡分析。系統可以進行遠程控制與發布，并能將數據存儲進SD卡及數據庫中。測試及分析結果顯示，整個系統運行良好、穩定、實時性強。
關鍵詞： 發電機組；振動測試；FPGA；LabVIEW
發電機組作為電力系統中的電源，其運行狀況直接影響到電網用電的安全性、穩定性和質量。汽輪機發電機組是電廠中的核心設備。由于設計、制造和運行等多方面原因，機組不可避免地會出現振動。當振動超限時，會影響機組的穩定運行，過大的振動，甚至會引發災難性的毀機事故。
振動是一柄雙刃劍，雖然對機組運行不利，但振動信號中也包含豐富的信息，通過這些信息可以對振動故障產生的原因進行診斷，做到防患于未然。在機組運行時，轉軸振動分析是機組故障診斷的重要方法。機組轉軸徑向振動的幅度，反映了故障的嚴重程度；不同的故障引起的振動信號一般包含不同頻率的分量，通過對頻譜圖的分析，可以推斷故障原因；對于頻譜類似的故障，可以參考軸心軌跡圖對故障進行甄別。因此，在機組運行和維修時，對機組轉軸振動進行狀態監測和故障分析，對于有效延遲機組壽命和提高用電質量有著非常重要的意義[1-2]。
1 系統總體結構及功能
本設計參考GB11348.2《陸地大型發電機組振動國家標準》，使用雙電渦流傳感器對機組轉軸振動進行測量，將振動信號轉換為0~20 mA電流信號；電流信號經信號調理電路送至AD9280進行模數轉換；核心控制單元FPGA獲取數據并通過設計的FIR數字濾波器濾波；CY7C68013和MAX232提供USB 2.0接口和RS-232接口，硬件平臺通過USB和串口分別與上位機LabVIEW進行數據和控制命令交換；LabVIEW可對獲取的數據進行實時波形顯示、頻譜分析、繪制軸心軌跡，并可進行遠程發布和數據庫存儲。系統結構如圖1所示。
2 系統硬件平臺主要部分
2.1 硬件平臺核心控制器
本設計采用Altera公司的CycloneⅡ系列高性價比FPGA芯片EP2C5Q208C8N作為控制核心。該芯片采用208引腳的PQFP封裝，用戶定義I/O數為148，完全能夠滿足系統需要。同DSP相比，FPGA具有并行的特性，能夠實時完成多項工作，適于在數據采集領域的應用。使用5 V電壓輸入，在硬件設計中分別使用電源管理芯片LM1805、LP38500、MAX1681等及外圍電路提供3.3 V、1.2 V和±5 V的電壓。
2.2 電渦流變送器安裝
選用HZ-899電渦流變送器，由外接24 V電源供電，10 Hz~5 kHz頻響范圍，最大可靠傳輸距離為300 m，直接輸出4 mA~20 mA信號。使用雙HZ-899互相垂直安裝，可繪制軸心軌跡。在典型300 MW汽輪機發電機組上，傳感器安裝位置如圖2所示。
2.3 溫度補償模塊
電渦流傳感器內部敏感軟件受溫度影響，會產生近似線性的漂移。與標準溫度20℃相比，HZ-899電渦流變送器在溫度變化5℃時，會產生約1％正向偏差。設計中使用了數字溫度傳感器DS18B20測取待測點溫度。FPGA對DS18B20發送控制命令，讀取12位串行數字量，與20℃進行比較，并作如下運算：
其中，D為補償后的振幅，AD為AD9280獲取的幅值，T為溫度傳感器獲取的實時溫度。
2.4 信號調理電路
選用MAX396模擬開關芯片，提供16路模擬輸入通道，FPGA采用單A/D輪詢策略。MAX396具有約200 Ω的通道電阻，因此需要將4 mA~20 mA的電流信號經過250 Ω的電阻分壓成1 V~5 V的電壓信號，再經過電壓跟隨器增大輸入阻抗，進入模擬開關。在模擬開關的輸出端，使用運放AD8065與電阻網絡搭建減法電路，使輸入信號與參考電壓Vref相減，得到式（2），將電壓轉換為0 V~2 V。
其中，UAD為輸入到AD9280的電壓，UIN為MAX396輸出電壓，Vref為AD9280輸出的參考電壓。
2.5 A/D轉換電路
選用ADI公司高速模數轉換芯片AD9280，該芯片具有8位分辨率，單路可對0~10 MHz的信號進行穩定采集[3]。本設計將AD9280配置為頂底模式，采樣時鐘由FPGA中鎖相環提供，如圖3所示。
2.6 USB接口電路
CY7C68013集成了USB 2.0收發器、SIE（串行接口引擎）、增強的8051微控制器，為系統提供USB2.0接口，最大穩定數據傳輸速率可達30 Mb/s。本設計中，編寫CY7C68013固件程序，對寄存器進行配置，使芯片工作在異步SlaveFIFO寫入狀態，設置FIFOADR[1：0]使端點6為4倍緩沖輸入端點，芯片與FPGA連接電路如圖4所示[4]。
FPGA控制CY7C68013工作時序如下：當有寫事件發生時，使FIFOADR[1：0]指向端點6；如果FIFO滿，則等待，否則驅動數據使SLWR先低后高，使FIFO寫指針遞增，成功寫入數據后再重復以上步驟。
3 系統軟件設計
3.1 控制命令傳輸程序設計
上位機通過RS-232發送控制命令。FPGA接收到上位機不同的命令代碼，識別后開啟或關閉相應的功能，如采集通道開關、SD卡存儲與讀取等。數據庫和Web發布功能則由LabVIEW直接完成。
3.2 FIR數字濾波器設計
對于A/D采集的數據，必須通過數字濾波器濾除傳輸過程中的高頻干擾。系統中每路振動信號頻率在1 kHz以內，每路信號采樣率為10 kHz。基于此，提出FIR數字濾波器的指標如下：采用通帶邊界頻率Ωp=0.2 π，阻帶邊界頻率Ωs=0.4 π，阻帶最大衰減50 dB。凱塞窗可以通過改變參數β值來折中選擇主瓣寬度和旁瓣衰減，適應能力強且比較靈活，能滿足阻帶衰減的要求[5]。根據式（3）和（4）以及濾波器性能指標，可計算出凱塞窗FIR濾波器的節數N為30，形狀參數β為4.55。其中，δ2為阻帶衰減分貝數，Δω為過渡帶寬。
利用MATLAB中FDA Tool工具，設計凱塞窗FIR濾波器，輸入各參數，導出濾波器的系數表。Quartus II中提供了FIR濾波器的IP核，利用FIR Compiler工具，可以大大減小在FPGA中寫入FIR濾波器算法的難度。將MATLAB導出的濾波器系數表導入到FIR Compiler中，則可以生成濾波器模塊，其幅頻特性如圖5所示，同設計要求相符。
3.3 數據傳輸程序設計
A/D轉換的速率同USB傳輸的速率不匹配，本設計在FPGA中寫入FIFO模塊。當FIFO處于“empty”狀態時，向其寫入A/D采集的數據。A/D采集的數據是8 bit，將其拓展為16 bit，其中高8 bit為通道地址，低8 bit為實際數據[6]。上位機讀取數據時，對高8 bit進行分離，即可識別通道號。當FIFO處于“full”狀態時，讀取FIFO中的數據。FIFO深度設置為4 096 B，數據個數為2 048。系統數據傳輸框圖如圖6所示。
3.4 LabVIEW程序設計
本設計使用LabVIEW開發上位機程序。在LabVIEW程序中使用Driver Wizard寫入CY7C68013的驅動，調用VISA組件，對USB接口進行配置[7]。配置程序框圖如圖7所示。
讀取USB接口16 bit數據，分離得到通道信息和數據信息。LabVIEW調用波形圖表模塊，對波形進行實時顯示；使用XY圖模塊繪制軸心軌跡；使用FFT函數，得到振動信號頻譜。設置FFT點數為2 048點，采樣率為10 kHz，得到頻譜分辨率為5 Hz。LabVIEW設計的系統界面如圖8所示。
本地振動數據往往需要專家進行遠程診斷，本設計使用LabVIEW的DateSocket技術和Web發布工具，實現本地數據的網絡傳輸和遠程監視。機組振動的惡化大都有一個逐漸發展的過程，因此監測系統需要對振動數據進行定期定時記錄和故障記錄，本設計中使用LabVIEW與ACCESS數據庫連接，程序和上位機界面分別如圖9和圖10所示。
4 系統測試及結論
機組的振動信號多以50 Hz的倍數頻率為主。最頻繁的轉子不平衡轉子不對中故障中，以二倍頻為主。因此在實驗室條件下使用數據采集卡，產生50 Hz信號為主，具有2次諧波、3次諧波、5次諧波、7次諧波的信號，并附加高斯噪聲。使用監測系統對該信號進行采集、處理和分析。LabVIEW得到濾波后的波形如圖11所示，頻譜圖如圖12所示。
實驗顯示，監測系統很好地濾除了信號中噪聲，對信號的幅值和頻譜進行了分析，滿足設計指標。
通過仿真與實驗室實測，對系統的其他功能進行了測試，結果表明，監測系統能夠很好地對16路振動信號進行采集、分析、存儲及變換，能夠識別故障信號并報警，整個系統運行良好穩定且具有很強的拓展性。
參考文獻
[1] 朱靜波.汽輪機組振動信號的測量與分析[J].工業控制計算機，2010（4）：7-8.
[2] 李錄平，鄒新元.汽輪發電機組碰磨故障的典型特征研究[J].振動測試與診斷，2001，21（4）：281-285.
[3] 李寧，汪駿發.基于Camera Link的高速數據采集系統[J].紅外，2005（7）：31-37.
[4] 黃志宇，唐樂.基于FPGA和BMS的數據采集系統研究與應用[J].電源技術，2013，37（1）：107-110.
[5] 程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2001.
[6] 魯力，張波.嵌入式TCP/IP協議的高速電網絡數據采集系統[J].儀器儀表學報，2009，30（2）：405-409.