现代测试技术期末大作业题目面向汽轮机组振动的分布式在线监测系统
题目：面向汽轮机组振动的分布式在线监测系统
1.研究的意义及发展现状
汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的一种旋转式原动机，它比其它类型的原动机具有单机功率大、热经济性高、运行安全可靠、单位功率制造成本低等一系列优点，是机械设备的重要组成部分，也是企业生产的核心设备。
随着科学技术的进步和发展，汽轮机组性能的提高和容量的增加，人们对设备安全、稳定、长周期、满负荷运行的要求越来越迫切。虽然运行自动化、制造精度和安装工艺水平的提高，使得汽轮机组的振动故障有所减少，但是由于设备的复杂性、运行环境的特殊性、安装与检修中影响振动因素的不确定性，使得当前振动故障仍然严重影响汽轮机组的正常运行。
只有采用现代化的监测手段，在汽轮机组运行过程中对其振动状态进行实时的监测，及时掌握设备的运行状态，才能有效预防故障，杜绝事故，延长设备运行周期，最大限度的发挥设备的生产潜力，避免“过剩维修"造成的不经济、不合理现象，提高经济效益和社会效益[4][5][7]。
电厂中汽轮机主机以及辅机设备的振动状态监测和故障诊断。由于信号的采集和处理的好坏直接影响到状态监测的效果和故障诊断的准确，因此系统设计一款在线监测系统，其最主要的功能是在保证采样精度和速度的前提下，对多种机组信号进行采集，尤其是对多个测点的振动信号进行多种模式的采集，提供机组的运行状态数据。
早在上个世纪中叶，以美国为主的西方发达国家率先在大型汽轮发电机组在线监测与故障诊断方面的技术展开了研究，到目前为止，在该领域一直处于领先水平。美国的几家专业公司，如Bently，IRD，BEI，从事对大型电站机组的运行和监控的研究，以及对机组可靠性、安全性、维修管理技术方面的研究，已经有了40多年的历史，建立了庞大的数据库管理系统，并开展了专家系统的研究，具有雄厚的数据和软件实力。
我国在设备状态监测与故障诊断技术方面的研究起步较晚，始于八十年代中期。此前，只有在机械的运行出现异常或者拆开设备检查时，才知道某部分发生了故障，并且为了确保设备的正常运行而实行定期维修检查的制度。这样的传统制度既不经济也不合理。后来，国内投运的大机组一般都配置了进口的振动监测保护装置。这些引进的监测装置对设备安全运行起到了积极作用，但也存在价格昂贵、维护不便等问题。目前，国内比较成功的工程应用系统有：哈尔滨工业大学等单位联合研制的3MD-I、3MD．II、3MD．III系列；西安交通大学机械监测与诊断研究室的RMMDS系统；浙江大学的CMD—I型及II型系统：东南大
学的MFD 系统等[8][l0]。
2. 系统设计
2.1. 引起振动的原因及分析方法
汽轮机因设计工艺、负荷和冷热不均等原因造成的机械故障表现大致可以分为两种：1)异常振动，如轴承或者转轴发生剧烈转动；2)系统失稳，如汽缸热膨胀，转轴偏心或发生轴向位移等。这两种故障相互影响，彼此加剧。比如说，转轴偏心必然会使振动加剧，而异常振动会使轴心更加偏离原来的平衡位置。若想全面掌握机械的运行状态，监测系统必须从这两类故障出发，将机械运行的动态特征和静态特征作为监测对象。汽轮机运行的动态特征量主要指振动量，它反映了传感器探头端部与转子表面的快速间隙变化，传感器选择方面，因为MEMS 传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。所以系统可以采用MEMS 微机械压力传感器或MEMS 微加速度传感器。如图1所示；静态量，也称缓变量，包含轴向位移、轴偏心、缸胀和温度等。比较而言，监测静态特征量更简单，监测的对象为一固定的数字量，处理更方便，将采集的数据与安全运行数据标准进行比较，就可以判断汽轮机的工作状态。监测动态量要复杂的多，但是却从频率域和时间域为诊断机器故障提供了重要信息”。
图1 传感器测量轴振动输出波形示意图
如图1所示给出了在理想的平稳状态下，振动波形的一次谐波的输出函数表达式)sin(y ϕ+Ω+=t B A 。其中，A 表示初始间隙，是指安装传感器时其顶部与转轴表面事先调整好的间隙，在高速大型的汽轮发电机设备上，传感器的安装位置常常就是在制造时留下来的；B 表示位移最大值，称为振幅；Q 是振动信号角频率；9是初始相位移。表达式说明，在理想的平稳状态运行下，随着时间t 的
不断变化，振动波形是一个以初始间隙A为基准的周期性变化的正弦波。由上式也可以看出，振幅、相位角和频率就是确定振动的三要素。因而振动测量主要是指幅度、相位和频率的测量[2]。
2.2.硬件电路结构
完整的汽轮机振动在线监测系统的总体结构框图如图2所示。
图2 汽轮机组振动在线监测系统的总体结构框图在硬件结构上数据采集单元由信号调理模块、微处理器、A／D转换、CPLD、存储器等主要模块构成。数据采集单元的基本工作过程是这样的：键相信号经处理，送入CPLD选通后，可以作为采样振动信号的同步触发信号；6路振动信号经调理，送入A／D转换模块中进行采样，每一次模数转换完成后，发结束信号给CPU，响应后，CPU读取采样数据；6路缓变量信号由CPU自带的ADC直接采集；采样完成后，采样数据从微处理器转存到外扩存储器模块中，以备主处理单元的调用[7]。
2.3.数据采集电路
“数据采集”(Data Acquisition)是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换。成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统性能的好坏，主要取决于他的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采样、实时处理和实时控制对速度的要求。
如图3所示，振动信号采集过程包括四个步骤：1)前端信号的调理；2)进入AD后的模数转换；3)每一次模数转换结束，CPU读取采样数据；4)采样过程结束后，将采样数据送入共享内存中进行缓存。其中第一个步骤属于采样前的准备
