水电机组振动监测与故障诊断系统的设计与实现

2018-08-09王富超

中国设备工程 2018年14期

王富超

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司，云南丽江 650228）

水电机组中单机容量的不断提升以及“无人值班”的推广实施，在很大程度上对发电机组的检修方面提出了更高的要求，以往传统的维修体制已经难以满足现代化的维护需求，需要于现代化设备和技术相结合，依靠信息技术从根本上解决设备维修中存在的不足问题，使设备的运行效率得到显著提升。

1 水电机组振动监测与故障诊断系统构成

1.1 实时监测

在系统的实施监测模块中，主要是对测点的分布情况、数据采集、实时显示等方面进行监测。在测点的布置方面，需要选择一些较为典型的测点，不但要考虑到监测机组中的最大振动、摆动部位等，还需要体现出机组的工作量、工作情况等环境参数，为后续的故障推测提供极大的便利。在水电机组的运行中，可能会受到现场较强的电磁波影响，使测量出的摆度、振动等结果受到干扰信号的影响，使其准确性产生不利影响，对此，需要对信号滤波中的干扰信号进行过滤。

1.2 信号分析

对振动信号进行分析主要包括频域、时域、时差域、空间几个方面。在频域方面，对整个周期的数据进行采集，使FFT进行变换，通过频谱分析的下限要求，能够得出低频的水力因素；通过频谱分析的上限要求，能够得出高频电气因素。在时域信号方面，通过对实时数据变化图进行显示，能够对部分数据进行分析和统计。在时差域方面，通过对变量之间的变化情况进行描述，能够对自变量产生的影响进行分析，因此在一定程度上能够反映出故障产生的原因。在相位分析方面，主要包括不同测点之间信号产生的相位差以及单个测点信号在不同的时间变化下产生的相位差。

1.3 故障诊断

在人工智能领域当中，专家系统属于其中活跃度较强的部分。在监测系统当中，规则库与推理机二者处于相互分离的状态，也就是一旦某个专业的数据库或者推理机制被建成以后，该系统便能够对该领域中的不同情况进行处理，只需要对相应的知识元进行修改即可，其他推理机制可以不随之发生改变，由此展示出系统具有强大的灵活性与适应性。主要的推理步骤为：首先，专家系统通过数据库查找到故障征兆，将数据转变成便于推理机理解的参数，主要包括均值、偏度、方差、峭度、频率分量值等，然后利用正反双向混合的方式进行推理，按照前提条件进行推理，如若推测出的结论不具备确定性，考虑到运行中的历史特征，也就是对历史数据进行调用。例如振动振幅能够随着转速的改变而发生相应的改变，然后在逐步向下推理，如若得出的结论不正确，需要将一些用户信息补充其中。例如将轴心轨迹图的形状补充其中，以此来完善推理过程，直至最终得出故障产生的原因。

2 振动监测与故障诊断系统设计

2.1 系统总体设计

在本文所研究的系统当中，主要由上位机和下位机构成，总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

根据所测量信号的不同，可以将传感器组划分为速度传感器、位移传感器、加速度传感器等，按照实际需求，将其安装在水电机组的各个部位。传感器组能够对水电机组的相关数据信息进行采集，包括压力脉动、振动、摆度、有功功率等，并且将上述物理信号转变为电压、脉冲信号、电流等多种形式，然后将其传输给下位机。

上位机软件系统主要包括振动监测与故障诊断两个模块，在振动监测模块当中，主要对机组当前的振动状态进行实时监测，包括轴心轨迹、波形显示、棒图等；故障诊断模块中能够通过对机组振动特征的监测，确定出故障的产生类型，进而对故障问题进行分析。在下位机系统中，主要以TMS320F2812为主控芯片，对24路模拟信号与8路开关量进行采集，所采集到的信号首先经过调理电路滤波进行扩大，然后经过A/D装换成数字信号，最终传输给上位机。

2.2 系统的硬件设计

将数据采集系统与水电机组部件相互关联，对机组在运行过程中的摆度、振动、压力、油压、转速等信号进行收集，系统主要包括A/D模块、DSP模块、D/A模块、CPLD模块等，结构框架如图2所示。

图2 数据采集系统硬件结构框架图

（1）A/D模块。在A/D模块中能够完成模式转换，转换的过程包括量化编码与采样，在本文所研究的系统当中，A/D转换芯片为MAX1168芯片，该芯片具有8通道模拟输入，分辨率为16位、性能较高、功耗较低，能够充分满足系统在采样与转换速率方面的要求。

（2）通信模块。该模块主要功能是实现数据间的通信，该系统采用以太网通信方式，通过TCP协议实现数据传输，主要芯片为W1500网口芯片，具有较强的稳定性能、成本较低。支持10/100Mbps数据传输，在内部集成了IP协议，使用户的开发流程得到有效的精简，同时也降低了DSP的负担。

（3）DSP模块。属于该数据采集系统的核心内容，主要功能是对系统进行有效的控制、数据处理等，主要由DSP芯片以及外围电路构成。该系统采用TMS320F2812作为主芯片，具备三个独立的32位的CPU定时器，56个独立编程的GPIO引脚，工作主频可达150MHz。在外围支持电路中，包括复位电路、时钟电路、电源电路等功能，能够有效的辅助DSP，向其中提供电源、复位信号、时钟信号等等。

2.3 系统的软件设计

本系统采用模块化编辑，主要开发平台是C++，具有多种图形显示功能能，够对机组振动状态进行实时监测，并且对简单的故障问题进行判断，系统的软件结构见图3。

2.3.1 数据通信模块

图3 数据采集系统软件结构框架图

该模块主要作用是实现上位机与下位机之间的通信与传输。本系统采用以太网通信，通过TCP协议进行数据传输，保障数据传输的可靠性。在IP协议当中，共包括两种传输协议，即用户数据报协议UDP与传输控制协议TCP，其中TCP协议主要是针对于数据连接方面，并且具备超时重传、拥塞控制等功能，能够有效提升数据传输中的可靠性。而UDP协议主要是针对非连接，更加侧重于数据传输的时效性。在C++平台当中，Internet组件中对Winsock编程接口进行封装，为网络编程提供便利，其中ServerSocket控件代表了服务器，通过对该控件属性进行设置能够实现通信端口等基本设置，通过对时间事件进行响应，能够将服务器与客户端相连接，实现请求、数据传输、断开等功能。

2.3.2 分析设置模块

该模块主要功能分为以下几个方面。

（1）“通道设置”主要是对图形类别、通道名称、窗函数类别、校正谱线数等。

（2）“机组转速信息源”主要是对机组转速的获取方式进行选择，通常情况下，通过获取键相信号来获取到机组的转速，在本文所研究的系统中，主要通过“DI4”对通道信号进行测量。

（3）“FFT点数”主要对每次FFT计算点数进行选择，其中“自定义”代表由用户所自定义FFT计算点数，“自动”代表的是由系统按照机组转动周期对数据点数进行计算。

（4）“颜色设置”主要用来对波形的颜色进行调整。对于不同类型的图形来说，用户可以选择多种颜色，也可以直接使用系统缺省值。

2.3.3 故障诊断模块

先对振动信号频谱进行分析，将其中各频率分量幅值进行提取，计算各个幅值的隶属度。通过人机对话的方式获取系统各个部位振动情况。然后将上述信息所对应的模糊关系矩阵相乘，在多元扩展原则的基础上，对振动故障的隶属度值进行计算。最后根据隶属度值对故障类型进行判断。