專利名稱：一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及工業(yè)設(shè)備的振動信號測量技術(shù)，特別是一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率多通道同步振動信號測量功能。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是經(jīng)常變化的。隨著風力變強或減弱，風機可能會頻繁的起機和停機，其振動的幅值和頻譜也就會隨之發(fā)生很大的變化。如果不對轉(zhuǎn)速進行實時跟蹤，很可能會造成振動測量值錯誤而導(dǎo)致誤報警。目前現(xiàn)有的振動檢測技術(shù)多是針對恒定轉(zhuǎn)速情況下的分析，難以滿足風機的振動監(jiān)測要求。作為振動監(jiān)測的傳感器類型很多，如位移傳感器、速度傳感器以及加速度傳感器， 有時可能存在幾種傳感器型號共存的情況。不同的傳感器測量回路是不一樣的，傳統(tǒng)的做法是根據(jù)不同的傳感器類型選擇不同的信號采集板，造成成本浪費、配置復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率多通道同步振動信號測量功能，主要解決風機轉(zhuǎn)速變化時采樣技術(shù)、不同傳感器兼容的測量技術(shù)、多板卡多通道同步采樣技術(shù)問題。本發(fā)明具體采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率多通道同步采樣功能，所述系統(tǒng)包括鍵相電路、信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、CPLD邏輯控制電路、信號隔離電路和數(shù)字信號處理器；其特征為所述鍵相電路輸入端接收鍵相信號，所述鍵相電路輸出端連接CPLD邏輯控制電路，通過鍵相電路將所述風機轉(zhuǎn)速信號和傳感器位置信號輸入至CPLD邏輯控制電路；所述信號調(diào)理電路的輸入端接收多路風機振動信號，信號調(diào)理電路的輸出端連接 A/D采樣電路的輸入端，所述A/D采樣電路的輸出端和所述CPLD邏輯控制電路的輸出端均通過數(shù)字信號隔離電路連接至數(shù)字信號處理器的輸入端，在所述數(shù)字信號處理器中完成振動信號的特征頻率提取、振動分量分析及振動趨勢分析；所述的CPLD邏輯控制電路還與信號調(diào)理電路以及A/D采樣電路相連，實現(xiàn)對鍵相電路、信號調(diào)理電路和A/D采樣電路的邏輯控制。鍵相信號通過設(shè)置在風機的發(fā)電機軸上的鍵相傳感器獲得，通過所述鍵相信號獲得風機轉(zhuǎn)速和相位信息、多路風機振動信號通過位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器獲得，多路風機振動信號優(yōu)選為6路振動信號，分別通過安裝在風機低速軸1個、齒輪箱3個、高速軸2個傳感器測量。本發(fā)明與背景技術(shù)中已有的技術(shù)相對比，有以下優(yōu)點
1、基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率采樣技術(shù)，鍵相信號對于振動測量及分析有重要的作用。從鍵相信號中既可以獲得風機的轉(zhuǎn)速值，又可以給出各測點振動的相對關(guān)系，做平衡時給出和鍵相槽的關(guān)系，確定配重位置等。自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率采樣技術(shù)對于風機振動監(jiān)測有重要意義，因為風機轉(zhuǎn)速是一直在變化的，即使是運行在正常發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)速也會在20-30HZ之間變化，采用變頻率采樣可以控制整周期采樣，免去了能量泄露的問題，實時準確反映風機運行中的軸承、低速軸、齒輪箱及發(fā)電機高速軸的振動狀態(tài)，也可以在起機和停機時準確獲得風機各個位置的振動信息，避免起機、停機時振動測量不準問題。2、通用信號接入技術(shù)，本發(fā)明中采用通用信號接入電路主要是解決現(xiàn)場傳感器類型比較多、接線比較復(fù)雜的情況。鍵相器有采用渦流傳感器的，也有采用接近開關(guān)的，還有可能是光電傳感器。加速度傳感器也有可能是壓電式傳感器、ICP式傳感器，所有這些傳感器的信號都可以通過通用信號接入電路測量，除此之外，還可以接風速計、溫度傳感器、濕度傳感器及壓力傳感器信號等，實現(xiàn)真正的通用信號接入。3、基于鍵相信號實現(xiàn)多板卡多通道同步采樣技術(shù)，CPLD邏輯控制電路根據(jù)鍵相信號測量電路的轉(zhuǎn)速分頻出A/D同步采樣的啟動信號，實現(xiàn)單個板卡的6路信號同步采樣，同時還可以通過整形電路輸出2路信號控制另外兩個板卡的A/D采樣，如果沒有鍵相信號的時候，CPLD可以根據(jù)轉(zhuǎn)速輸出A/D采樣啟動信號，同時也輸出2路信號控制另外板卡A/D采樣，實現(xiàn)多板卡多通道的同步采樣功能。同步采樣功能可以分析在同一個時刻，風機軸承、 主軸、齒輪箱和發(fā)電機的振動情況，分析振動諧波內(nèi)在關(guān)系，對于故障定位和裝置維護非常重要。


圖1為風機通用振動信號測量系統(tǒng)的電路示意圖；圖2為轉(zhuǎn)速恒定時A/D采樣信號圖；圖3為轉(zhuǎn)速變化時A/D采樣信號隨之變化圖；圖4為風機傳感器安裝示意圖；圖5為采用風機通用振動信號測量系統(tǒng)測得的現(xiàn)場運行風機振動波形圖。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明提供一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，單個板卡上可以測量1路鍵相信號和6路振動信號，鍵相信號用來獲取風機運行轉(zhuǎn)速和相位信息，振動信號可以是來自任何傳感器的信號，數(shù)字信號處理器最后完成振動信號采集及運算處理，得到所需要的振動分量、頻率及特征圖表。如圖1所示為本發(fā)明風機通用振動信號測量系統(tǒng)的電路示意圖。所述系統(tǒng)包括鍵相電路、信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、CPLD邏輯控制電路、信號隔離電路和數(shù)字信號處理器。所述鍵相電路輸入端接收鍵相信號，所述鍵相電路輸出端與CPLD邏輯控制電路，通過鍵相電路將所述風機轉(zhuǎn)速信號和傳感器位置信號輸入至CPLD邏輯控制電路；所述信號調(diào)理電路的輸入端接收多路風機振動信號，信號調(diào)理電路的輸出端連接A/D采樣電路的輸入端，所述A/D采樣電路的輸出端和所述CPLD邏輯控制電路的輸出端均通過數(shù)字信號隔離電路連接至數(shù)字信號處理器的輸入端，在所述數(shù)字信號處理器中完成振動信號的特征頻率提取、振動分量分析及振動趨勢分析；所述的CPLD邏輯控制電路還與信號調(diào)理電路以及A/D 采樣電路相連，實現(xiàn)對鍵相電路、信號調(diào)理電路和A/D采樣電路的邏輯控制。所述的鍵相電路由第一通用信號接入電路、雙向峰值檢波電路、滯環(huán)比較器電路、 硬件鎖相電路構(gòu)成。所述的第一通用信號接入電路針對鍵相傳感器是渦流傳感器、霍爾傳感器或是光碼盤方式可以采用同一個電路測量，輸入信號范圍-MV-MV，頻率Ι-lOkHz，采用JFET-INPUT型運算放大器，保證信號不失真。所述的雙向峰值檢波電路可以檢出輸入信號的峰峰值，通過比例加法器得到滯環(huán)比較器的門限電壓。采用峰值檢波電路可以避免高頻信號的對比較器的干擾，特別是在現(xiàn)場電磁干擾比較嚴重的情況下，特別有效。所述的硬件鎖相電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形，然后通過鎖相環(huán)來實現(xiàn)相位和頻率跟蹤。鎖相環(huán)的信號頻率可以通過程控方式實現(xiàn)0. 5-200Hz、200-lkHz、IkHz-IOkHz、10kHz-50kHz的自動調(diào)節(jié)，根據(jù)鎖相環(huán)輸入信號頻率通過CPLD的數(shù)字分頻器控制A/D采樣時刻，這樣不管風機轉(zhuǎn)速如何變化，每個周期采樣點數(shù)保持恒定，實現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速采樣技術(shù)，即自動變頻采樣。對于接近開關(guān)輸出的單周期多脈沖信號的情況，改變CPLD芯片的A/D采樣信號控制邏輯同樣可以實現(xiàn)自動變頻采樣功能。鍵相信號可以是正脈沖信號、負脈沖信號、正弦波信號、帶直流分量的脈沖信號或是帶諧波的正弦波信號，鍵相傳感器一般放在風機的發(fā)電機軸上，一臺風機只接1路鍵相信號就可以了。鍵相傳感器信號經(jīng)過通用信號接入電路轉(zhuǎn)換成交流信號，經(jīng)過雙向峰值檢波電路，得到正負30mV左右的交流脈沖，用于滯環(huán)比較器門限比較電壓，滯環(huán)比較器輸出交流方波信號，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路整形成固定脈沖寬度的矩形波信號，經(jīng)過鎖相環(huán)電路得到風機轉(zhuǎn)速信號，并可通過CPLD邏輯控制電路獲得A/D采樣信號和相位信號，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，A/D采樣信號會自動變化，實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速變頻率采樣功能。圖2為轉(zhuǎn)速恒定時A/D采樣信號圖，當轉(zhuǎn)速為IOHz每周期采樣點數(shù)為16時，A/D 采樣信號嚴格和轉(zhuǎn)速信號保持同步，16個采樣點等間隔分布。圖3為轉(zhuǎn)速變化時A/D采樣信號隨之變化圖，從圖上可以看出當轉(zhuǎn)速從IOHz變?yōu)?0Hz的時候，A/D采樣信號可以迅速跟蹤這個變化，在極短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定，對于A/D采樣數(shù)據(jù)幾乎沒有什么影響，可以保證在風速劇烈變化時，準確地測量振動信號。所述的信號調(diào)理電路由第二通用信號接入電路、自動增益放大電路、多路通道選擇電路、抗混濾波電路構(gòu)成。所述的第二通用信號接入電路可以接入位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，輸入信號范圍-10V-10V，頻率O-lOkHz，采用JFET-INPUT型運算放大器，對于無源的壓電式傳感器可以直接接入，對于有源的渦流傳感器或霍爾傳感器可以提高電源輸出從而實現(xiàn)接入，對于需要恒流源供電的ICP加速度傳感器也可以提高恒流源輸出從而實現(xiàn)接入。所述的自動增益放大電路可以實現(xiàn)1、2、5、10、50、100倍增益放大，對于從IOmV-IOV的傳感器信號都可以實現(xiàn)高精度采樣。所述的多路通道選擇電路是選擇采樣傳感器直流分量和交流分量，對于渦流傳感器來說，其直流分量表示傳感器與軸之間安裝位置間隙，距離太大會影響測量精度，同時距離的變化也會反映主軸的振動情況，所以直流分量在每個采樣樣本之中也要體現(xiàn)。所述的抗混濾波電路可以實現(xiàn)10階根余弦濾波器 (Root-raised cosine filter)，濾波器截止頻率根據(jù)采樣頻率自動調(diào)整，可以很方便的實現(xiàn)抗混疊濾波功能。所述的A/D采樣電路是振動信號通過信號調(diào)理電路后通過16位精度A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D芯片采用SPI接口和數(shù)字處理器通信，啟動采樣信號由CPLD控制，可以實現(xiàn)6路信號同步采樣，最高采樣頻率可以到250kSPS，每個周期采樣點數(shù)可以是16、32、 64、1觀、256，這樣方便做FFT頻譜分析。16位精度的A/D芯片可以保證測量的振動信號精度大于0. 1 %，250kSPS采樣頻率也是為了滿足分析風機軸承振動時頻率在IOKHz左右的諧波要求。使用SPI接口可以比較容易實現(xiàn)信號隔離，模擬信號和數(shù)字信號之間隔離可以防止現(xiàn)場干擾進入到數(shù)字處理電路中，對板卡運行穩(wěn)定及安全可靠性提供重要保證。磁性隔離器件有兩個的隔離效果，實際測試通過對電源和信號的隔離板卡EMC性能可到4級。所述的CPLD邏輯控制電路完成自動增益控制、多路通道選擇控制、抗混濾波器頻率設(shè)定及A/D采樣控制功能，根據(jù)鍵相信號頻率大小設(shè)定鎖相環(huán)的跟蹤頻率，用邏輯電路實現(xiàn)分頻器，用鎖相環(huán)分頻器控制A/D采樣啟動時刻和頻率，根據(jù)振動信號大小控制自動增益放大器系數(shù)，根據(jù)所要測量的是間隙電壓還是振動信號來選擇多路選擇器參數(shù)，根據(jù) A/D采樣頻率的大小設(shè)定抗混濾波器截止頻率，數(shù)字信號處理器通過并行通信方式和CPLD 連接，用來設(shè)定A/D采樣長度、多路通道選擇，獲取轉(zhuǎn)速信息和電路運行狀態(tài)，采用CPLD芯片可以方便實現(xiàn)復(fù)雜邏輯控制功能。所述的數(shù)字信號處理器獲取風機的轉(zhuǎn)速、A/D采樣后的振動信號值，完成振動信號的特征頻率提取、振動分量分析及振動趨勢分析等。該處理器可以用于計算風機軸承阻尼特性，采用擴展普羅尼(ftxmy)方法，用一組減幅衰減信號來逼近原始信號，得到減幅信號中的衰減系數(shù)即可得到軸承阻尼因子，從而反映出風機軸承阻尼特性。圖4為風機傳感器安裝示意圖，振動信號可以是位移傳感器、速度傳感器或是加速度傳感器信號，單個板卡可以接6路振動信號，風機低速軸1個、齒輪箱3個、高速軸2 個，一臺風機接6路振動傳感器基本就能滿足要求，能夠監(jiān)視絕大部分振動故障。振動傳感器信號經(jīng)過通用信號接入電路轉(zhuǎn)換成直流信號和交流信號，直流信號直接通過多路通道選擇器送給A/D采集，交流信號通過增益放大器調(diào)整信號幅值，經(jīng)過多路通道選擇器輸出給抗混濾波器，抗混濾波器把混疊頻率成分濾掉，再經(jīng)過低通濾波器送給A/D采樣，A/D采樣把模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過SPI通信方式經(jīng)隔離器件送給數(shù)字信號處理器， 數(shù)字信號處理器對采集的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、特征頻率信號提取、振動量分析、振動趨勢分析等。CPLD邏輯控制電路對鍵相電路和信號調(diào)理電路進行總體控制，使得振動信號測量自動進行。由于采用信號隔離電路，單板抗干擾性能大大增加，尤其適用把振動信號測量板安裝在發(fā)電機較近的場合、傳感器線纜比較長的場合和環(huán)境比較惡劣的場合。圖5為采用風機通用振動信號測量系統(tǒng)測得的現(xiàn)場運行風機振動波形圖，從波形上來看，風機振動諧波分量比較復(fù)雜，從幾赫茲到幾千赫茲信號都有，隨著轉(zhuǎn)速不同，各次諧波幅值也不同，可能有些諧波分量是干擾信號，測量系統(tǒng)中信號采用隔離電路的A/D采樣電路可以保證測量電路可靠性強、精度高，并且能夠在轉(zhuǎn)速連續(xù)變化的情況下獲得準確的振動測量值。上面提到的風機通用振動信號測量系統(tǒng)是采用單個板卡的情況，如果需要測量故障點比較多，比如增加軸向傳感器、增加低速軸水平方向傳感器，增加高速軸傳感器數(shù)量等，這種情況下可以把幾個單板通過背板連在一起使用，最大3個單板18路信號就可以了。鍵相信號可以使用多個，也可以使用單個，接到其中的一個板卡上，經(jīng)過CPLD邏輯控制電路發(fā)出3個單板同時采樣的控制信號，實現(xiàn)多板卡多通道同步采樣功能。3個板卡采集到的信號通過高速DP總線送給專用通信處理器，通信處理器可以根據(jù)風機各部件的特征頻率結(jié)合風機故障專家經(jīng)驗對采集的振動數(shù)據(jù)作進一步處理，獲取更深層次的振動故障信息， 給出詳細的風機運行狀態(tài)報告，這種狀態(tài)報告應(yīng)該一段時間出一次，目的一是對風場維護人員提供檢修參考和風機壽命推斷，二是積累風機故障經(jīng)驗，作為一個經(jīng)驗庫為其他風機狀態(tài)分析提供依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤風機轉(zhuǎn)速的變頻率多通道同步采樣功能，所述系統(tǒng)包括鍵相電路、信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、CPLD邏輯控制電路、信號隔離電路和數(shù)字信號處理器；其特征為所述鍵相電路輸入端接收鍵相信號，所述鍵相電路輸出端連接CPLD邏輯控制電路，通過鍵相電路將所述風機轉(zhuǎn)速信號和傳感器位置信號輸入至CPLD邏輯控制電路；所述信號調(diào)理電路的輸入端接收多路風機振動信號，信號調(diào)理電路的輸出端連接A/D 采樣電路的輸入端，所述A/D采樣電路的輸出端和所述CPLD邏輯控制電路的輸出端均通過數(shù)字信號隔離電路連接至數(shù)字信號處理器的輸入端，在所述數(shù)字信號處理器中完成振動信號的特征頻率提取、振動分量分析及振動趨勢分析；所述的CPLD邏輯控制電路還與信號調(diào)理電路以及A/D采樣電路相連，實現(xiàn)對鍵相電路、信號調(diào)理電路和A/D采樣電路的邏輯控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述鍵相信號通過設(shè)置在風機的發(fā)電機軸上的鍵相傳感器獲得，通過所述鍵相信號獲得風機轉(zhuǎn)速和相位信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述鍵相電路進一步包括依次連接第一通用信號接入電路、雙向峰值檢波電路、滯環(huán)比較器電路、硬件鎖相電路，采用雙向峰值檢波電路獲得滯環(huán)比較器的門限電壓，鍵相信號與門限電壓經(jīng)滯環(huán)比較器處理后送給硬件鎖相電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于硬件鎖相電路頻率通過CPLD邏輯控制電路設(shè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述多路風機振動信號通過位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述多路風機振動信號優(yōu)選為6路振動信號，分別通過安裝在風機低速軸1個、齒輪箱3個、高速軸2個傳感器測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號調(diào)理電路進一步包括依次連接的第二通用信號接入電路、自動增益放大電路、多路通道選擇電路、抗混濾波電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述CPLD邏輯控制電路設(shè)定A/D采樣時刻和頻率，設(shè)定信號調(diào)理電路的自動增益系數(shù)、多路通道選擇器參數(shù)、抗混濾波器的截止頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述CPLD邏輯控制電路優(yōu)選根據(jù)鍵相電路測量的風機轉(zhuǎn)速脈沖分頻作為A/D采樣啟動信號，當風機轉(zhuǎn)速變化時采樣頻率也就隨之變化，對變頻率信號實現(xiàn)整周期采樣.
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風機通用振動信號測量系統(tǒng)，其特征在于所述CPLD邏輯控制電路優(yōu)選根據(jù)鍵相電路測量的風機轉(zhuǎn)速脈沖分頻同時啟動多路A/D采集通道，實現(xiàn)多通道同步采樣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風機通用振動信號測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于鍵相信號實現(xiàn)自動跟蹤轉(zhuǎn)速的變頻率多通道同步采樣功能。對鍵相信號采用雙向峰值檢波疊加技術(shù)，可以有效識別和調(diào)理現(xiàn)場鍵相信號，提高了產(chǎn)品現(xiàn)場應(yīng)用的適應(yīng)能力。通用信號接入電路采用兼容電路設(shè)計，可以兼容多種類型振動傳感器信號輸入，實現(xiàn)信號同步、高速、高精度采樣，適用于各類工業(yè)現(xiàn)場大型旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。通過CPLD邏輯控制電路可以根據(jù)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)A/D采樣頻率，實現(xiàn)單板多通道同步采樣，也可以實現(xiàn)多板卡多通道同步采樣。該測量系統(tǒng)具有通用性強、性能可靠、精度高、配置簡單等特點。
文檔編號G01H1/00GK102155984SQ20101062321
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者奚志江, 徐萬方, 楊詠林 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司