可组网便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统

摘要

本发明公开了一种可组网便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统，包括ARM主控模块、电源模块、故障诊断模块、对传感器传递的快变及键相信号进行预处理的信号调理模块，所述信号调理模块的输出端连接可对多路同步快变信号进行键相采集的同步快变信号采集模块，同步快变信号采集模块的输出端与ARM主控模块通过总线通讯连接；所述故障诊断模块接收ARM主控模块通过总线传递的数据并诊断，诊断结果通过总线反馈给ARM主控模块；所述电源模块通过总线为信号调理模块、同步快变信号采集模块以及ARM主控模块提供电源。所述总线为PC/104并行总线。本发明优点：结构紧凑小巧、方便携带、能够与其他系统组网以动态分配任务、处理效率高、使用灵活性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于汽轮机组现场局部测点振动数据采集与故障分析系统，属于汽轮机状态监测与故障诊断领域。

背景技术

火力发电占我国总发电量的大部分，而承担火力发电的汽轮机主要是超临界、超超临界汽轮机组。汽轮机组的运行情况，将直接关系到人们正常的生产生活。以一台600MW汽轮机为例，一旦发生故障而停机，可能会影响到60万居民的照明用电。因此，对汽轮机的运行情况进行实时监测，对其出现的故障进行分析诊断，对于保证汽轮机良好运行，降低企业成本，保证人们正常的日常生活，有着非常重大的意义。

超临界、超超临界大型汽轮发电机组是我国中长期科技发展规划中的能源领域的重点研究课题。超临界、超超临界汽轮机组，在运行时通常发生的故障包括：转子不对中、断裂、磨碰、油膜涡动、过热、过压等等，因此需要对汽轮机的转速、轴振、瓦振、胀差、偏心、温度、压力等等参数进行监测。这些参数按照变化快慢可以分为快变信号、慢变信号以及开关量信号。对这些参数进行监测，然后进行分析诊断，可以及早发现汽轮机存在的故障，然后作出处理，以避免出现重大损失。

在汽轮机组调试现场局部测点采集振动数据时，提供一种能方便现场调试人员使用的便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统显得很有必要。而现有的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统大致可分为两类：一类是与工业控制计算机(IPC)配合使用的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统，IPC是一种基于串行总线的多模块组成的工业控制计算机系统，由于采用串行总线，存在体积不够紧凑小巧的不足，而且，大多是独立的单个系统，不便于与其他系统组网以动态分配任务，因此处理效率欠佳，使用灵活性不够。另一类是基于嵌入式系统的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统，这类系统具有结构紧凑功耗低的特点，但是系统处理能力较弱，单台设备只能处理预先设定好的单一的任务。

发明内容

为了解决现有的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统存在的上述问题，本发明提供一种结构紧凑小巧、方便携带、能够与其他系统组网以动态分配任务、处理效率高、使用灵活性好的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统。

可组网便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统，包括ARM主控模块、电源模块、故障诊断模块、对传感器传递的快变及键相信号进行预处理的信号调理模块，所述信号调理模块的输出端连接可对多路同步快变信号进行键相采集的同步快变信号采集模块，所述同步快变信号采集模块的输出端与ARM主控模块通过总线通讯连接，ARM主控模块内设有对同步快变信号采集模块的传递数据进行存储、通讯、分析、诊断以及人机交互的系统设置及状态监测分析程序，以及通过有线通讯或/和无线通讯方式将多台系统组网以动态分配采集和诊断任务的分布式组网程序；所述故障诊断模块接收ARM主控模块通过总线传递的数据并诊断，诊断结果通过总线反馈给ARM主控模块；所述电源模块通过总线为信号调理模块、同步快变信号采集模块以及ARM主控模块提供电源；所述总线为PC/104并行总线。

进一步，所述ARM主控模块包括中央处理子模块、用于安装操作系统和存储数据的存储子模块、用于以有线通讯或/和无线通讯方式接入局域网或Internet网的通讯子模块、以及人机交互子模块；所述中央处理子模块通过总线接收、处理和分析数据，并对通讯子模块、存储子模块、人机交互子模块进行协调控制。所述有线通讯包括工业以太网通讯，无线通讯包括GPRS无线通讯和3G无线通讯。所述存储子模块包括外扩的用于安装操作系统的SDRAM和FLASH、以及用于存储数据的HDD硬盘。

更进一步，所述ARM主控模块、电源模块、故障诊断模块、信号调理模块、同步快变信号采集模块均有独立的处理器。

所述同步快变信号采集模块内设FPGA(Field-Programmable GateArray)采样控制程序，所述FPGA采样控制程序与ARM主控模块之间通过支持查询及中断的DMA方式传递数据。

所述故障诊断模块(3)包括可选择使用的小波诊断模块、EMD(EmpiricalMode Decomposition，经验模态分解)诊断模块、以及ICA(independentcomponent analysis，独立分量分析)诊断模块。

优选的，所述电源模块包括主电源模块、冗余电源模块，以及控制转换开关在主电源模块与冗余电源模块之间切换的电源控制模块。

本发明的技术构思在于：汽轮机现场，由传感器变送过来的信号，首先经过信号调理模块预处理，将传感器传进来的非标准信号，转化成标准电压信号。然后经过同步快变信号采集模块整周期键相采集后，传送给ARM主控模块。ARM主控模块内设有将多台系统组网以动态分配采集和诊断任务的分布式组网程序，于是ARM主控模块通过PC/104并行总线读取同步快变信号采集模块采集后的数据后，可以把这些数据上传至数据服务器，或者与其它分布式组网的系统共享，以动态分配采集和诊断任务，完成对汽轮机组的状态监测与故障诊断，单台设备可以与其它设备平行运行，也可作为服务器运行。

同步快变信号采集模块中，FPGA采样控制模块主要负责对所采信号进行分析、运算，并把处理后的信号通过PC/104并行总线上传给ARM主控模块。FPGA采样控制模块与ARM主控模块之间数据的传递，拟首选用DMA方式，支持查询或者中断的方式。采用DMA方式进行数据传输，可以大大减轻ARM主控模块的负荷，以便ARM能有更多的资源处理其它任务。

电源模块按照PC/104并行总线标准进行设计，通过PC/104并行总线为系统的其它模块供电。配备冗余电源模块，当主电源模块出现供电故障后，电源控制模块立即将转换开关从主电源模块断开，而后将开关转向冗余电源模块，保证系统的正常供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)基于可扩展PC/104并行总线，采用一主多从的嵌入式多CPU构架方式，各模块均有相对独立的处理器(CPU)，ARM主控模块作为控制核心，负责协调、管理系统的各个模块。各功能模块采用PC/104工业总线架构，总线规范、可靠性高、在保持IPC总线性能的同时还紧凑小巧、是普通IPC体积的十分之一，非常适用现场便携操作。

(2)借助于有线和无线网络通讯技术，单个小系统能够和其它系统进行分布式组网。多个小系统可以组成一个大系统。大系统可以动态为每一个小系统分配任务，待小系统完成各自任务后，大系统再将任务综合求解。分布式组网后所形成的系统：在稳定性方面，继承了小系统稳定可靠的特点；在功能方面，由于可以动态分配任务，然后再将任务综合求解，因此能够协同完成较复杂的监测与诊断任务，可与其它类似集中式大系统相媲美。

(3)系统的各个模块均有各自相对独立的处理器(CPU)。各模块相对独立的处理器(CPU)，在ARM主控模块的统一调配下运行。各模块单独的CPU使得各个模块在功能方面有了很大提升，同时也大大减轻了ARM主控模块的运算压力，系统整体性能提高。

(4)故障诊断模块可以选择小波诊断模块、EMD诊断模块、ICA诊断模块中的一种或者几种对汽轮机的各类故障进行诊断，故障诊断覆盖面宽，诊断灵活性高。

(5)开发FPGA采样控制模块用于同步快变的采集，功能专一、可靠性高；

(6)ARM主控模块的通讯子模块，加入了3G通讯方式。

附图说明

图1为汽轮机组振动数据采集与故障分析系统的模块结构图。

图2为ARM主控模块的结构示意图。

图3为ARM主控模块软件功能框图。

图4为电源模块的结构示意图。

图5为FPGA采样控制程序功能框图。

具体实施方式

参见图1，一种可组网便携式的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统，由ARM主控模块1、电源模块2、故障诊断模块3、对传感器传递的快变及键相信号进行预处理的信号调理模块4、以及可对同步快变信号进行键相采集的8路同步快变信号采集模块5组成，各模块均基于PC/104并行总线标准设计，所述信号调理模块4的输出端连接同步快变信号采集模块5，所述同步快变信号采集模块5的输出端与ARM主控模块1通过PC/104并行总线通讯连接，ARM主控模块1内设有对同步快变信号采集模块5的传递数据进行存储、通讯、分析、诊断以及人机交互的系统设置及状态监测分析程序，以及通过有线通讯及无线通讯方式将多台系统组网以动态分配采集和诊断任务的分布式组网程序，有线通讯及无线通讯是分布式组网的硬件基础，当然，分布式组网程序也可采用单一的有通讯线或无线通讯方式。所述故障诊断模块3接收ARM主控模块1通过总线传递的数据并诊断，诊断结果通过PC/104并行总线反馈给ARM主控模块1；所述电源模块2通过PC/104并行总线为信号调理模块4、同步快变信号采集模块5以及ARM主控模块1提供电源。

信号调理模块4主要任务是把传感器传进来的非标准信号，进行一定的转换，转化成±5V的标准电压信号。在不同的工业现场，传感器的类型可能不一样，则传感器输出的信号也就不一样，例如电涡流传感器、加速度传感器等。为了使系统能够接收不同类型传感器的信号，系统的信号调理模块能够调理常用传感器的输出信号，在现场，用户可以根据不同的传感器，挑选带不同的预处理电路的信号调理模块4。

所述ARM主控模块1、电源模块2、故障诊断模块3、信号调理模块4、同步快变信号采集模块5均有独立的处理器。ARM主控模块1以微处理器ARM9(ATMEL AT91SAM9263)芯片为核心，同步快变信号采集模块5以现场可编程逻辑阵列器件FPGA为核心，电源模块2以AT89S52作为控制核心，信号调理模块4以AT89S52为核心，故障诊断模块3以DSP芯片为处理核心。ARM主控模块1作为控制核心，负责协调、管理系统的各个模块。各模块单独的CPU使得各个模块在功能方面有了很大提升，同时也大大减轻了ARM主控模块1的运算压力，系统整体性能提高。

所述故障诊断模块3包括可选择使用的小波诊断模块、EMD(EmpiricalMode Decomposition，经验模态分解)诊断模块、以及ICA(independentcomponent analysis，独立分量分析)诊断模块。单系统可根据实际需求，添加满足其需求的单个或多个故障诊断模块3。开始诊断后，ARM主控模块1将所采集到的数据利用通过PC/104并行总线传给故障诊断模块3，故障诊断模块3接收数据后，开始诊断，待诊断完成后将诊断结果反馈给ARM主控模块1。

参见图2，ARM主控模块1由中央处理子模块11、存储子模块12、通讯子模块13、人机交互子模块14构成。在存储子模块12中，移植裁剪后的linux-2.6.27操作系统以及文件系统。ARM9中央处理子模块11是控制核心，负责利用PC/104并行总线进行数据的接受，然后进行处理和分析，同时对通讯子模块13、存储子模块12、人机交互子模块14进行协调控制；通讯子模块13包括：有线通讯和无线通讯。有线通讯包括工业以太网通讯，无线通讯包括串口通讯、USB通讯、GPRS无线通讯和3G无线通讯。系统可以通过有线或无线通讯模块，接入企业内部局域网、Internet网。存储子模块12包括外扩的SDRAM、FLASH、以及HDD硬盘等，SDRAM和FLASH主要用来安装操作系统，HDD硬盘用来存储数据。

人机交互子模块14内设置人机界面和GPIO(通用输入/输出)按键，人机界面采用ARM9中央处理子模块11驱动LCD驱动器、LCD驱动器驱动LCD液晶屏的方式，LCD液晶屏可以选配触摸LCD液晶屏，此时还需要增加触摸屏处理器。ARM9中央处理子模块11和键盘、报警灯之间通过GPIO按键连接。用户通过鼠标和键盘对系统运行参数如采样速率、报警值等进行设置。系统运行时，用户能够利用系统的触摸LCD液晶屏，实时监测汽轮机的运行状态，用户可以查看各通道信号的波形、峰-峰值、频谱，并且可以动态显示转子轴心轨迹。当系统监测到某项指标超过系统设定的报警值后，系统会点亮报警灯。系统具有人机互动性好、操作方便的优点。

图3为ARM主控模块软件功能框图，ARM主控模块软件包括系统设置、实时状态监测、故障诊断、重要参数设置四个功能模块；系统设置功能包括：系统自检、数据存储设置，信号通道配置、信号标定、LCD屏亮度配置、IP设置以及配置报告。实时状态监测包括：显示设置、时域监测、频域监测以及监测报告。故障诊断包括：超阈值诊断、超超阈值诊断、常见故障诊断以及诊断报告。重要参数设置包括：系统密码更改、存储策略、AD触发方式、报警设置、通讯设置、模块增减以及分布式组网。

参见图4，电源模块2按照PC/104并行总线标准进行设计，通过PC/104并行总线为系统的其它模块供电。电源模块2包括主电源模块21、冗余电源模块22，以及控制转换开关在主电源模块21与冗余电源模块22之间切换的电源控制模块23。当主电源模块21出现供电故障后，电源控制模块23立即将转换开关24从主电源模块21断开，而后将转换开关24转向冗余电源模块22，保证系统的正常供电。

8路同步快变信号采集模块5内设置有FPGA采样控制程序，图5为FPGA采样控制程序功能框图，FPGA采样控制程序与ARM主控模块之间通过支持查询及中断的DMA方式传递数据。

同步快变信号采集模块2带有键相控制功能。在ARM主控模块的控制下，根据主板上运行的驱动程序进行多通道同步数据采集、保存与通信等工作。FPGA采样控制程序与ARM主控模块通过PC/104并行总线进行通信。当ARM主控模块运行采集程序时，首先对FPGA采样控制程序进行初始化工作，设定采样点数与采样触发方式，采样触发方式分为定时触发和键相触发。键相触发方式可以实现汽轮机振动信号的整周期采样。初始化工作完成后，上位机启动AD采集，FPGA采样控制程序相应进入数据采集进程。FPGA的采集与通信控制程序采用双进程状态机实现。当数据采集达到FIFO(先进先出)半满时，FPGA停止AD转换，等待上位机读取FIFO中保存的采样数据，当FIFO中的数据读空时，若上位机未停止数据采集，则FPGA开启新的采集进程，直到FIFO半满，否则停止采集进程，状态机回归初始态。

本实施例的工作原理如下：汽轮机现场，由传感器变送过来的信号，首先经过信号调理模块4预处理，将传感器传进来的非标准信号，转化成标准电压信号。然后经过同步快变信号采集模块5整周期键相采集后，传送给ARM主控模块1。ARM主控模块1内设有将多台系统组网以动态分配采集和诊断任务的分布式组网程序，于是ARM主控模块1通过PC/104并行总线读取同步快变信号采集模块5采集后的数据后，可以把这些数据上传至数据服务器，或者与其它分布式组网的系统共享，以动态分配采集和诊断任务，完成对汽轮机组的状态监测与故障诊断，单台设备可以与其它设备平行运行，也可作为服务器运行。

本实施例可组网便携式的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统基于可扩展PC/104并行总线，采用一主多从的嵌入式多CPU构架方式，各模块均有相对独立的处理器(CPU)，ARM主控模块作为控制核心，负责协调、管理系统的各个模块。各功能模块采用PC/104工业总线架构，总线规范、可靠性高、在保持IPC总线性能的同时还紧凑小巧、是普通IPC体积的十分之一，非常适用现场便携操作。

本实施例可组网便携式的汽轮机组振动数据采集与故障分析系统借助于有线和无线网络通讯技术，单个小系统能够和其它系统进行分布式组网。多个小系统可以组成一个大系统。大系统可以动态为每一个小系统分配任务，待小系统完成各自任务后，大系统再将任务综合求解。分布式组网后所形成的系统：在稳定性方面，继承了小系统稳定可靠的特点；在功能方面，由于可以动态分配任务，然后再将任务综合求解，因此能够协同完成较复杂的监测与诊断任务，可与其它类似集中式大系统相媲美。

上述实施例仅仅是对本发明技术内容实现构思的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。