專利名稱：可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于汽輪機組現場局部測點振動數據采集與故障分析系統，屬于 汽輪機狀態監測與故障診斷領域。
背景技術：
火力發電占我國總發電量的大部分，而承擔火力發電的汽輪機主要是超臨界、超 超臨界汽輪機組。汽輪機組的運行情況，將直接關系到人們正常的生產生活。以一臺600MW 汽輪機為例，一旦發生故障而停機，可能會影響到60萬居民的照明用電。因此，對汽輪機的 運行情況進行實時監測，對其出現的故障進行分析診斷，對于保證汽輪機良好運行，降低企 業成本，保證人們正常的日常生活，有著非常重大的意義。超臨界、超超臨界大型汽輪發電機組是我國中長期科技發展規劃中的能源領域的 重點研究課題。超臨界、超超臨界汽輪機組，在運行時通常發生的故障包括轉子不對中、斷 裂、磨碰、油膜渦動、過熱、過壓等等，因此需要對汽輪機的轉速、軸振、瓦振、脹差、偏心、溫 度、壓力等等參數進行監測。這些參數按照變化快慢可以分為快變信號、慢變信號以及開關 量信號。對這些參數進行監測，然后進行分析診斷，可以及早發現汽輪機存在的故障，然后 作出處理，以避免出現重大損失。在汽輪機組調試現場局部測點采集振動數據時，提供一種能方便現場調試人員使 用的便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統顯得很有必要。而現有的汽輪機組振動 數據采集與故障分析系統大致可分為兩類一類是與工業控制計算機(IPC)配合使用的汽 輪機組振動數據采集與故障分析系統，IPC是一種基于串行總線的多模塊組成的工業控制 計算機系統，由于采用串行總線，存在體積不夠緊湊小巧的不足，而且，大多是獨立的單個 系統，不便于與其他系統組網以動態分配任務，因此處理效率欠佳，使用靈活性不夠。另一 類是基于嵌入式系統的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，這類系統具有結構緊湊功 耗低的特點，但是系統處理能力較弱，單臺設備只能處理預先設定好的單一的任務。
發明內容
為了解決現有的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統存在的上述問題，本發明 提供一種結構緊湊小巧、方便攜帶、能夠與其他系統組網以動態分配任務、處理效率高、使 用靈活性好的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統。可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，包括ARM主控模塊、電源 模塊、故障診斷模塊、對傳感器傳遞的快變及鍵相信號進行預處理的信號調理模塊，所述信 號調理模塊的輸出端連接可對多路同步快變信號進行鍵相采集的同步快變信號采集模塊， 所述同步快變信號采集模塊的輸出端與ARM主控模塊通過總線通訊連接，ARM主控模塊內 設有對同步快變信號采集模塊的傳遞數據進行存儲、通訊、分析、診斷以及人機交互的系統 設置及狀態監測分析程序，以及通過有線通訊或/和無線通訊方式將多臺系統組網以動態 分配采集和診斷任務的分布式組網程序；所述故障診斷模塊接收ARM主控模塊通過總線傳遞的數據并診斷，診斷結果通過總線反饋給ARM主控模塊；所述電源模塊通過總線為信號 調理模塊、同步快變信號采集模塊以及ARM主控模塊提供電源；所述總線為PC/104并行總 線。進一步，所述ARM主控模塊包括中央處理子模塊、用于安裝操作系統和存儲數據 的存儲子模塊、用于以有線通訊或/和無線通訊方式接入局域網或Internet網的通訊子模 塊、以及人機交互子模塊；所述中央處理子模塊通過總線接收、處理和分析數據，并對通訊 子模塊、存儲子模塊、人機交互子模塊進行協調控制。所述有線通訊包括工業以太網通訊， 無線通訊包括GPRS無線通訊和3G無線通訊。所述存儲子模塊包括外擴的用于安裝操作系 統的SDRAM和FLASH、以及用于存儲數據的HDD硬盤。更進一步，所述ARM主控模塊、電源模塊、故障診斷模塊、信號調理模塊、同步快變 信號采集模塊均有獨立的處理器。所述同步快變信號采集模塊內設FPGA(Field-Programmable GateArray)采樣控 制程序，所述FPGA采樣控制程序與ARM主控模塊之間通過支持查詢及中斷的DMA方式傳遞 數據。所述故障診斷模塊(3)包括可選擇使用的小波診斷模塊、EMD(EmpiricalMode Decomposition,經驗模態分角軍)診斷模塊、以及 ICA (independentcomponent analysis,獨 立分量分析)診斷模塊。優選的，所述電源模塊包括主電源模塊、冗余電源模塊，以及控制轉換開關在主電 源模塊與冗余電源模塊之間切換的電源控制模塊。本發明的技術構思在于汽輪機現場，由傳感器變送過來的信號，首先經過信號調 理模塊預處理，將傳感器傳進來的非標準信號，轉化成標準電壓信號。然后經過同步快變信 號采集模塊整周期鍵相采集后，傳送給ARM主控模塊。ARM主控模塊內設有將多臺系統組網 以動態分配采集和診斷任務的分布式組網程序，于是ARM主控模塊通過PC/104并行總線讀 取同步快變信號采集模塊采集后的數據后，可以把這些數據上傳至數據服務器，或者與其 它分布式組網的系統共享，以動態分配采集和診斷任務，完成對汽輪機組的狀態監測與故 障診斷，單臺設備可以與其它設備平行運行，也可作為服務器運行。同步快變信號采集模塊中，FPGA采樣控制模塊主要負責對所采信號進行分析、運 算，并把處理后的信號通過PC/104并行總線上傳給ARM主控模塊。FPGA采樣控制模塊與 ARM主控模塊之間數據的傳遞，擬首選用DMA方式，支持查詢或者中斷的方式。采用DMA方 式進行數據傳輸，可以大大減輕ARM主控模塊的負荷，以便ARM能有更多的資源處理其它任 務。電源模塊按照PC/104并行總線標準進行設計，通過PC/104并行總線為系統的其 它模塊供電。配備冗余電源模塊，當主電源模塊出現供電故障后，電源控制模塊立即將轉換 開關從主電源模塊斷開，而后將開關轉向冗余電源模塊，保證系統的正常供電。與現有技術相比，本發明的有益效果在于(1)基于可擴展PC/104并行總線，采用一主多從的嵌入式多CPU構架方式，各模塊 均有相對獨立的處理器(CPU)，ARM主控模塊作為控制核心，負責協調、管理系統的各個模 塊。各功能模塊采用PC/104工業總線架構，總線規范、可靠性高、在保持IPC總線性能的同 時還緊湊小巧、是普通IPC體積的十分之一，非常適用現場便攜操作。
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(2)借助于有線和無線網絡通訊技術，單個小系統能夠和其它系統進行分布式組 網。多個小系統可以組成一個大系統。大系統可以動態為每一個小系統分配任務，待小系統 完成各自任務后，大系統再將任務綜合求解。分布式組網后所形成的系統在穩定性方面， 繼承了小系統穩定可靠的特點；在功能方面，由于可以動態分配任務，然后再將任務綜合求 解，因此能夠協同完成較復雜的監測與診斷任務，可與其它類似集中式大系統相媲美。(3)系統的各個模塊均有各自相對獨立的處理器(CPU)。各模塊相對獨立的處理 器(CPU)，在ARM主控模塊的統一調配下運行。各模塊單獨的CPU使得各個模塊在功能方面 有了很大提升，同時也大大減輕了 ARM主控模塊的運算壓力，系統整體性能提高。(4)故障診斷模塊可以選擇小波診斷模塊、EMD診斷模塊、ICA診斷模塊中的一種 或者幾種對汽輪機的各類故障進行診斷，故障診斷覆蓋面寬，診斷靈活性高。(5)開發FPGA采樣控制模塊用于同步快變的采集，功能專一、可靠性高；(6) ARM主控模塊的通訊子模塊，加入了 3G通訊方式。
圖1為汽輪機組振動數據采集與故障分析系統的模塊結構圖。圖2為ARM主控模塊的結構示意圖。圖3為ARM主控模塊軟件功能框圖。圖4為電源模塊的結構示意圖。圖5為FPGA采樣控制程序功能框圖。
具體實施例方式參見圖1，一種可組網便攜式的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，由ARM主 控模塊1、電源模塊2、故障診斷模塊3、對傳感器傳遞的快變及鍵相信號進行預處理的信號 調理模塊4、以及可對同步快變信號進行鍵相采集的8路同步快變信號采集模塊5組成，各 模塊均基于PC/104并行總線標準設計，所述信號調理模塊4的輸出端連接同步快變信號采 集模塊5，所述同步快變信號采集模塊5的輸出端與ARM主控模塊1通過PC/104并行總線 通訊連接，ARM主控模塊1內設有對同步快變信號采集模塊5的傳遞數據進行存儲、通訊、 分析、診斷以及人機交互的系統設置及狀態監測分析程序，以及通過有線通訊及無線通訊 方式將多臺系統組網以動態分配采集和診斷任務的分布式組網程序，有線通訊及無線通訊 是分布式組網的硬件基礎，當然，分布式組網程序也可采用單一的有通訊線或無線通訊方 式。所述故障診斷模塊3接收ARM主控模塊1通過總線傳遞的數據并診斷，診斷結果通過 PC/104并行總線反饋給ARM主控模塊1 ；所述電源模塊2通過PC/104并行總線為信號調理 模塊4、同步快變信號采集模塊5以及ARM主控模塊1提供電源。信號調理模塊4主要任務是把傳感器傳進來的非標準信號，進行一定的轉換，轉 化成士5V的標準電壓信號。在不同的工業現場，傳感器的類型可能不一樣，則傳感器輸出 的信號也就不一樣，例如電渦流傳感器、加速度傳感器等。為了使系統能夠接收不同類型傳 感器的信號，系統的信號調理模塊能夠調理常用傳感器的輸出信號，在現場，用戶可以根據 不同的傳感器，挑選帶不同的預處理電路的信號調理模塊4。所述ARM主控模塊1、電源模塊2、故障診斷模塊3、信號調理模塊4、同步快變信號采集模塊5均有獨立的處理器。ARM主控模塊1以微處理器ARM9 (ATMEL AT91SAM9263)芯 片為核心，同步快變信號采集模塊5以現場可編程邏輯陣列器件FPGA為核心，電源模塊2 以AT89S52作為控制核心，信號調理模塊4以AT89S52為核心，故障診斷模塊3以DSP芯片 為處理核心。ARM主控模塊1作為控制核心，負責協調、管理系統的各個模塊。各模塊單獨 的CPU使得各個模塊在功能方面有了很大提升，同時也大大減輕了 ARM主控模塊1的運算 壓力，系統整體性能提高。所述故障診斷模塊3包括可選擇使用的小波診斷模塊、EMD (EmpiricalMode Decomposition,經驗模態分角軍)診斷模塊、以及 ICA (independentcomponent analysis,獨 立分量分析)診斷模塊。單系統可根據實際需求，添加滿足其需求的單個或多個故障診斷 模塊3。開始診斷后，ARM主控模塊1將所采集到的數據利用通過PC/104并行總線傳給故 障診斷模塊3，故障診斷模塊3接收數據后，開始診斷，待診斷完成后將診斷結果反饋給ARM 主控模塊1。參見圖2，ARM主控模塊1由中央處理子模塊11、存儲子模塊12、通訊子模塊13、 人機交互子模塊14構成。在存儲子模塊12中，移植裁剪后的linux-2. 6. 27操作系統以及 文件系統。ARM9中央處理子模塊11是控制核心，負責利用PC/104并行總線進行數據的接 受，然后進行處理和分析，同時對通訊子模塊13、存儲子模塊12、人機交互子模塊14進行協 調控制；通訊子模塊13包括有線通訊和無線通訊。有線通訊包括工業以太網通訊，無線通 訊包括串口通訊、USB通訊、GPRS無線通訊和3G無線通訊。系統可以通過有線或無線通訊 模塊，接入企業內部局域網、Internet網。存儲子模塊12包括外擴的SDRAM、FLASH、以及 HDD硬盤等，SDRAM和FLASH主要用來安裝操作系統，HDD硬盤用來存儲數據。人機交互子模塊14內設置人機界面和GPIO(通用輸入/輸出)按鍵，人機界面采 用ARM9中央處理子模塊11驅動LCD驅動器、LCD驅動器驅動LCD液晶屏的方式，LCD液晶 屏可以選配觸摸LCD液晶屏，此時還需要增加觸摸屏處理器。ARM9中央處理子模塊11和鍵 盤、報警燈之間通過GPIO按鍵連接。用戶通過鼠標和鍵盤對系統運行參數如采樣速率、報 警值等進行設置。系統運行時，用戶能夠利用系統的觸摸LCD液晶屏，實時監測汽輪機的運 行狀態，用戶可以查看各通道信號的波形、峰-峰值、頻譜，并且可以動態顯示轉子軸心軌 跡。當系統監測到某項指標超過系統設定的報警值后，系統會點亮報警燈。系統具有人機 互動性好、操作方便的優點。圖3為ARM主控模塊軟件功能框圖，ARM主控模塊軟件包括系統設置、實時狀態監 測、故障診斷、重要參數設置四個功能模塊；系統設置功能包括系統自檢、數據存儲設置， 信號通道配置、信號標定、LCD屏亮度配置、IP設置以及配置報告。實時狀態監測包括顯 示設置、時域監測、頻域監測以及監測報告。故障診斷包括超閾值診斷、超超閾值診斷、常 見故障診斷以及診斷報告。重要參數設置包括系統密碼更改、存儲策略、AD觸發方式、報 警設置、通訊設置、模塊增減以及分布式組網。參見圖4，電源模塊2按照PC/104并行總線標準進行設計，通過PC/104并行總線 為系統的其它模塊供電。電源模塊2包括主電源模塊21、冗余電源模塊22，以及控制轉換 開關在主電源模塊21與冗余電源模塊22之間切換的電源控制模塊23。當主電源模塊21 出現供電故障后，電源控制模塊23立即將轉換開關24從主電源模塊21斷開，而后將轉換 開關24轉向冗余電源模塊22，保證系統的正常供電。
8路同步快變信號采集模塊5內設置有FPGA采樣控制程序，圖5為FPGA采樣控制 程序功能框圖，FPGA采樣控制程序與ARM主控模塊之間通過支持查詢及中斷的DMA方式傳 遞數據。同步快變信號采集模塊2帶有鍵相控制功能。在ARM主控模塊的控制下，根據主 板上運行的驅動程序進行多通道同步數據采集、保存與通信等工作。FPGA采樣控制程序與 ARM主控模塊通過PC/104并行總線進行通信。當ARM主控模塊運行采集程序時，首先對 FPGA采樣控制程序進行初始化工作，設定采樣點數與采樣觸發方式，采樣觸發方式分為定 時觸發和鍵相觸發。鍵相觸發方式可以實現汽輪機振動信號的整周期采樣。初始化工作完 成后，上位機啟動AD采集，FPGA采樣控制程序相應進入數據采集進程。FPGA的采集與通信 控制程序采用雙進程狀態機實現。當數據采集達到FIFO (先進先出)半滿時，FPGA停止AD 轉換，等待上位機讀取FIFO中保存的采樣數據，當FIFO中的數據讀空時，若上位機未停止 數據采集，則FPGA開啟新的采集進程，直到FIFO半滿，否則停止采集進程，狀態機回歸初始 態。本實施例的工作原理如下汽輪機現場，由傳感器變送過來的信號，首先經過信號 調理模塊4預處理，將傳感器傳進來的非標準信號，轉化成標準電壓信號。然后經過同步 快變信號采集模塊5整周期鍵相采集后，傳送給ARM主控模塊1。ARM主控模塊1內設有 將多臺系統組網以動態分配采集和診斷任務的分布式組網程序，于是ARM主控模塊1通過 PC/104并行總線讀取同步快變信號采集模塊5采集后的數據后，可以把這些數據上傳至數 據服務器，或者與其它分布式組網的系統共享，以動態分配采集和診斷任務，完成對汽輪機 組的狀態監測與故障診斷，單臺設備可以與其它設備平行運行，也可作為服務器運行。本實施例可組網便攜式的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統基于可擴展 PC/104并行總線，采用一主多從的嵌入式多CPU構架方式，各模塊均有相對獨立的處理 器(CPU)，ARM主控模塊作為控制核心，負責協調、管理系統的各個模塊。各功能模塊采用 PC/104工業總線架構，總線規范、可靠性高、在保持IPC總線性能的同時還緊湊小巧、是普 通IPC體積的十分之一，非常適用現場便攜操作。本實施例可組網便攜式的汽輪機組振動數據采集與故障分析系統借助于有線和 無線網絡通訊技術，單個小系統能夠和其它系統進行分布式組網。多個小系統可以組成一 個大系統。大系統可以動態為每一個小系統分配任務，待小系統完成各自任務后，大系統再 將任務綜合求解。分布式組網后所形成的系統在穩定性方面，繼承了小系統穩定可靠的特 點；在功能方面，由于可以動態分配任務，然后再將任務綜合求解，因此能夠協同完成較復 雜的監測與診斷任務，可與其它類似集中式大系統相媲美。上述實施例僅僅是對本發明技術內容實現構思的列舉，本發明的保護范圍不僅限 于上述實施例，本發明的保護范圍可延伸至本領域技術人員根據本發明的技術構思所能想 到的等同技術手段。
權利要求
可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特征在于包括ARM主控模塊(1)、電源模塊(2)、故障診斷模塊(3)、對傳感器傳遞的快變及鍵相信號進行預處理的信號調理模塊(4)，所述信號調理模塊(4)的輸出端連接可對多路同步快變信號進行鍵相采集的同步快變信號采集模塊(5)，所述同步快變信號采集模塊(5)的輸出端與ARM主控模塊(1)通過總線通訊連接，ARM主控模塊(1)內設有對同步快變信號采集模塊(5)的傳遞數據進行存儲、通訊、分析、診斷以及人機交互的系統設置及狀態監測分析程序，以及通過有線通訊或/和無線通訊方式將多臺系統組網以動態分配采集和診斷任務的分布式組網程序；所述故障診斷模塊(3)接收ARM主控模塊(1)通過總線傳遞的數據并診斷，診斷結果通過總線反饋給ARM主控模塊(1)；所述電源模塊(2)通過總線為信號調理模塊(3)、同步快變信號采集模塊(4)以及ARM主控模塊(1)提供電源；所述總線為PC/104并行總線。
2.如權利要求1所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特征 在于所述ARM主控模塊(1)包括中央處理子模塊(11)、用于安裝操作系統和存儲數據的 存儲子模塊(12)、用于以有線通訊或/和無線通訊方式接入局域網或Internet網的通訊子 模塊(13)、以及人機交互子模塊(14)；所述中央處理子模塊(1)通過總線接收、處理和分析 數據，并對存儲子模塊(12)、通訊子模塊(13)、人機交互子模塊(14)進行協調控制。
3.如權利要求1或2所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其 特征在于所述同步快變信號采集模塊(5)內設FPGA采樣控制程序，所述FPGA采樣控制程 序與ARM主控模塊(1)之間通過支持查詢及中斷的DMA方式傳遞數據。
4.如權利要求3所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特征 在于所述ARM主控模塊(1)、電源模塊(2)、故障診斷模塊(3)、信號調理模塊(4)、同步快 變信號采集模塊(5)均有獨立的處理器。
5.如權利要求4所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特 征在于所述故障診斷模塊(3)包括可選擇使用的小波診斷模塊、EMD(Empirical Mode Decomposition,經驗模態分角軍)診斷模塊、以及 ICA (Independent component analysis,獨 立分量分析)診斷模塊。
6.如權利要求1所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特 征在于所述電源模塊(2)包括主電源模塊(21)、冗余電源模塊(22)，以及控制轉換開關 (24)在主電源模塊(21)與冗余電源模塊(22)之間切換的電源控制模塊(23)。
7.如權利要求2所述的可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，其特征 在于所述有線通訊包括工業以太網通訊，無線通訊包括GPRS無線通訊和3G無線通訊。
全文摘要
本發明公開了一種可組網便攜式汽輪機組振動數據采集與故障分析系統，包括ARM主控模塊、電源模塊、故障診斷模塊、對傳感器傳遞的快變及鍵相信號進行預處理的信號調理模塊，所述信號調理模塊的輸出端連接可對多路同步快變信號進行鍵相采集的同步快變信號采集模塊，同步快變信號采集模塊的輸出端與ARM主控模塊通過總線通訊連接；所述故障診斷模塊接收ARM主控模塊通過總線傳遞的數據并診斷，診斷結果通過總線反饋給ARM主控模塊；所述電源模塊通過總線為信號調理模塊、同步快變信號采集模塊以及ARM主控模塊提供電源。所述總線為PC/104并行總線。本發明優點結構緊湊小巧、方便攜帶、能夠與其他系統組網以動態分配任務、處理效率高、使用靈活性好。
文檔編號F01D19/00GK101956578SQ20101029058
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月25日 優先權日2010年9月25日
發明者于保華, 楊世錫, 梁文軍, 程健, 魏義敏 申請人:浙江大學