CN102155984A

CN102155984A - 一种风机通用振动信号测量系统

Info

Publication number: CN102155984A
Application number: CN201010623217XA
Authority: CN
Inventors: 徐万方; 杨咏林; 奚志江
Original assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102155984B

Abstract

本发明公开了一种风机通用振动信号测量系统，该系统基于键相信号实现自动跟踪转速的变频率多通道同步采样功能。对键相信号采用双向峰值检波叠加技术，可以有效识别和调理现场键相信号，提高了产品现场应用的适应能力。通用信号接入电路采用兼容电路设计，可以兼容多种类型振动传感器信号输入，实现信号同步、高速、高精度采样，适用于各类工业现场大型旋转机械的状态监测系统设计。通过CPLD逻辑控制电路可以根据转速自动调节A/D采样频率，实现单板多通道同步采样，也可以实现多板卡多通道同步采样。该测量系统具有通用性强、性能可靠、精度高、配置简单等特点。

Description

一种风机通用振动信号测量系统

技术领域

本发明属于电气测量技术领域，尤其涉及工业设备的振动信号测量技术，特别是一种风机通用振动信号测量系统，基于键相信号实现自动跟踪转速的变频率多通道同步振动信号测量功能。

背景技术

风力发电机的转速是经常变化的。随着风力变强或减弱，风机可能会频繁的起机和停机，其振动的幅值和频谱也就会随之发生很大的变化。如果不对转速进行实时跟踪，很可能会造成振动测量值错误而导致误报警。目前现有的振动检测技术多是针对恒定转速情况下的分析，难以满足风机的振动监测要求。

作为振动监测的传感器类型很多，如位移传感器、速度传感器以及加速度传感器，有时可能存在几种传感器型号共存的情况。不同的传感器测量回路是不一样的，传统的做法是根据不同的传感器类型选择不同的信号采集板，造成成本浪费、配置复杂。

发明内容

本发明提供一种风机通用振动信号测量系统，基于键相信号实现自动跟踪转速的变频率多通道同步振动信号测量功能，主要解决风机转速变化时采样技术、不同传感器兼容的测量技术、多板卡多通道同步采样技术问题。

本发明具体采用以下的技术方案来实现：

一种风机通用振动信号测量系统，基于键相信号实现自动跟踪转速的变频率多通道同步采样功能，所述系统包括键相电路、信号调理电路、A/D采样电路、CPLD逻辑控制电路、信号隔离电路和数字信号处理器；其特征为：

所述键相电路输入端接收键相信号，所述键相电路输出端连接CPLD逻辑控制电路，通过键相电路将所述风机转速信号和传感器位置信号输入至CPLD逻辑控制电路；

所述信号调理电路的输入端接收多路风机振动信号，信号调理电路的输出端连接A/D采样电路的输入端，所述A/D采样电路的输出端和所述CPLD逻辑控制电路的输出端均通过数字信号隔离电路连接至数字信号处理器的输入端，在所述数字信号处理器中完成振动信号的特征频率提取、振动分量分析及振动趋势分析；

所述的CPLD逻辑控制电路还与信号调理电路以及A/D采样电路相连，实现对键相电路、信号调理电路和A/D采样电路的逻辑控制。

键相信号通过设置在风机的发电机轴上的键相传感器获得，通过所述键相信号获得风机转速和相位信息、

多路风机振动信号通过位移传感器、速度传感器或加速度传感器获得，多路风机振动信号优选为6路振动信号，分别通过安装在风机低速轴1个、齿轮箱3个、高速轴2个传感器测量。

本发明与背景技术中已有的技术相对比，有以下优点：

1、基于键相信号实现自动跟踪转速的变频率采样技术，键相信号对于振动测量及分析有重要的作用。从键相信号中既可以获得风机的转速值，又可以给出各测点振动的相对关系，做平衡时给出和键相槽的关系，确定配重位置等。自动跟踪转速的变频率采样技术对于风机振动监测有重要意义，因为风机转速是一直在变化的，即使是运行在正常发电状态，转速也会在20-30Hz之间变化，采用变频率采样可以控制整周期采样，免去了能量泄露的问题，实时准确反映风机运行中的轴承、低速轴、齿轮箱及发电机高速轴的振动状态，也可以在起机和停机时准确获得风机各个位置的振动信息，避免起机、停机时振动测量不准问题。

2、通用信号接入技术，本发明中采用通用信号接入电路主要是解决现场传感器类型比较多、接线比较复杂的情况。键相器有采用涡流传感器的，也有采用接近开关的，还有可能是光电传感器。加速度传感器也有可能是压电式传感器、ICP式传感器，所有这些传感器的信号都可以通过通用信号接入电路测量，除此之外，还可以接风速计、温度传感器、湿度传感器及压力传感器信号等，实现真正的通用信号接入。

3、基于键相信号实现多板卡多通道同步采样技术，CPLD逻辑控制电路根据键相信号测量电路的转速分频出A/D同步采样的启动信号，实现单个板卡的6路信号同步采样，同时还可以通过整形电路输出2路信号控制另外两个板卡的A/D采样，如果没有键相信号的时候，CPLD可以根据转速输出A/D采样启动信号，同时也输出2路信号控制另外板卡A/D采样，实现多板卡多通道的同步采样功能。同步采样功能可以分析在同一个时刻，风机轴承、主轴、齿轮箱和发电机的振动情况，分析振动谐波内在关系，对于故障定位和装置维护非常重要。

附图说明

图1为风机通用振动信号测量系统的电路示意图；

图2为转速恒定时A/D采样信号图；

图3为转速变化时A/D采样信号随之变化图；

图4为风机传感器安装示意图；

图5为采用风机通用振动信号测量系统测得的现场运行风机振动波形图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种风机通用振动信号测量系统，单个板卡上可以测量1路键相信号和6路振动信号，键相信号用来获取风机运行转速和相位信息，振动信号可以是来自任何传感器的信号，数字信号处理器最后完成振动信号采集及运算处理，得到所需要的振动分量、频率及特征图表。

如图1所示为本发明风机通用振动信号测量系统的电路示意图。所述系统包括键相电路、信号调理电路、A/D采样电路、CPLD逻辑控制电路、信号隔离电路和数字信号处理器。所述键相电路输入端接收键相信号，所述键相电路输出端与CPLD逻辑控制电路，通过键相电路将所述风机转速信号和传感器位置信号输入至CPLD逻辑控制电路；所述信号调理电路的输入端接收多路风机振动信号，信号调理电路的输出端连接A/D采样电路的输入端，所述A/D采样电路的输出端和所述CPLD逻辑控制电路的输出端均通过数字信号隔离电路连接至数字信号处理器的输入端，在所述数字信号处理器中完成振动信号的特征频率提取、振动分量分析及振动趋势分析；所述的CPLD逻辑控制电路还与信号调理电路以及A/D采样电路相连，实现对键相电路、信号调理电路和A/D采样电路的逻辑控制。

所述的键相电路由第一通用信号接入电路、双向峰值检波电路、滞环比较器电路、硬件锁相电路构成。所述的第一通用信号接入电路针对键相传感器是涡流传感器、霍尔传感器或是光码盘方式可以采用同一个电路测量，输入信号范围-24V-24V，频率1-10kHz，采用JFET-INPUT型运算放大器，保证信号不失真。所述的双向峰值检波电路可以检出输入信号的峰峰值，通过比例加法器得到滞环比较器的门限电压。采用峰值检波电路可以避免高频信号的对比较器的干扰，特别是在现场电磁干扰比较严重的情况下，特别有效。所述的硬件锁相电路采用单稳态触发器整形，然后通过锁相环来实现相位和频率跟踪。锁相环的信号频率可以通过程控方式实现0.5-200Hz、200-1kHz、1kHz-10kHz、10kHz-50kHz的自动调节，根据锁相环输入信号频率通过CPLD的数字分频器控制A/D采样时刻，这样不管风机转速如何变化，每个周期采样点数保持恒定，实现了变转速采样技术，即自动变频采样。对于接近开关输出的单周期多脉冲信号的情况，改变CPLD芯片的A/D采样信号控制逻辑同样可以实现自动变频采样功能。

键相信号可以是正脉冲信号、负脉冲信号、正弦波信号、带直流分量的脉冲信号或是带谐波的正弦波信号，键相传感器一般放在风机的发电机轴上，一台风机只接1路键相信号就可以了。键相传感器信号经过通用信号接入电路转换成交流信号，经过双向峰值检波电路，得到正负30mV左右的交流脉冲，用于滞环比较器门限比较电压，滞环比较器输出交流方波信号，经过单稳态触发电路整形成固定脉冲宽度的矩形波信号，经过锁相环电路得到风机转速信号，并可通过CPLD逻辑控制电路获得A/D采样信号和相位信号，转速发生变化时，A/D采样信号会自动变化，实现自动跟踪转速变频率采样功能。

图2为转速恒定时A/D采样信号图，当转速为10Hz每周期采样点数为16时，A/D采样信号严格和转速信号保持同步，16个采样点等间隔分布。图3为转速变化时A/D采样信号随之变化图，从图上可以看出当转速从10Hz变为20Hz的时候，A/D采样信号可以迅速跟踪这个变化，在极短的时间内达到稳定，对于A/D采样数据几乎没有什么影响，可以保证在风速剧烈变化时，准确地测量振动信号。

所述的信号调理电路由第二通用信号接入电路、自动增益放大电路、多路通道选择电路、抗混滤波电路构成。所述的第二通用信号接入电路可以接入位移传感器、速度传感器和加速度传感器，输入信号范围-10V-10V，频率0-10kHz，采用JFET-INPUT型运算放大器，对于无源的压电式传感器可以直接接入，对于有源的涡流传感器或霍尔传感器可以提高电源输出从而实现接入，对于需要恒流源供电的ICP加速度传感器也可以提高恒流源输出从而实现接入。所述的自动增益放大电路可以实现1、2、5、10、50、100倍增益放大，对于从10mV-10V的传感器信号都可以实现高精度采样。所述的多路通道选择电路是选择采样传感器直流分量和交流分量，对于涡流传感器来说，其直流分量表示传感器与轴之间安装位置间隙，距离太大会影响测量精度，同时距离的变化也会反映主轴的振动情况，所以直流分量在每个采样样本之中也要体现。所述的抗混滤波电路可以实现10阶根余弦滤波器(Root-raised cosine filter)，滤波器截止频率根据采样频率自动调整，可以很方便的实现抗混叠滤波功能。

所述的A/D采样电路是振动信号通过信号调理电路后通过16位精度A/D芯片转换为数字信号。A/D芯片采用SPI接口和数字处理器通信，启动采样信号由CPLD控制，可以实现6路信号同步采样，最高采样频率可以到250kSPS，每个周期采样点数可以是16、32、64、128、256，这样方便做FFT频谱分析。16位精度的A/D芯片可以保证测量的振动信号精度大于0.1％，250kSPS采样频率也是为了满足分析风机轴承振动时频率在10KHz左右的谐波要求。使用SPI接口可以比较容易实现信号隔离，模拟信号和数字信号之间隔离可以防止现场干扰进入到数字处理电路中，对板卡运行稳定及安全可靠性提供重要保证。磁性隔离器件有两个的隔离效果，实际测试通过对电源和信号的隔离板卡EMC性能可到4级。

所述的CPLD逻辑控制电路完成自动增益控制、多路通道选择控制、抗混滤波器频率设定及A/D采样控制功能，根据键相信号频率大小设定锁相环的跟踪频率，用逻辑电路实现分频器，用锁相环分频器控制A/D采样启动时刻和频率，根据振动信号大小控制自动增益放大器系数，根据所要测量的是间隙电压还是振动信号来选择多路选择器参数，根据A/D采样频率的大小设定抗混滤波器截止频率，数字信号处理器通过并行通信方式和CPLD连接，用来设定A/D采样长度、多路通道选择，获取转速信息和电路运行状态，采用CPLD芯片可以方便实现复杂逻辑控制功能。

所述的数字信号处理器获取风机的转速、A/D采样后的振动信号值，完成振动信号的特征频率提取、振动分量分析及振动趋势分析等。该处理器可以用于计算风机轴承阻尼特性，采用扩展普罗尼(Prony)方法，用一组减幅衰减信号来逼近原始信号，得到减幅信号中的衰减系数即可得到轴承阻尼因子，从而反映出风机轴承阻尼特性。

图4为风机传感器安装示意图，振动信号可以是位移传感器、速度传感器或是加速度传感器信号，单个板卡可以接6路振动信号，风机低速轴1个、齿轮箱3个、高速轴2个，一台风机接6路振动传感器基本就能满足要求，能够监视绝大部分振动故障。振动传感器信号经过通用信号接入电路转换成直流信号和交流信号，直流信号直接通过多路通道选择器送给A/D采集，交流信号通过增益放大器调整信号幅值，经过多路通道选择器输出给抗混滤波器，抗混滤波器把混叠频率成分滤掉，再经过低通滤波器送给A/D采样，A/D采样把模拟量信号转换成数字量信号，通过SPI通信方式经隔离器件送给数字信号处理器，数字信号处理器对采集的数据做数据转换、特征频率信号提取、振动量分析、振动趋势分析等。CPLD逻辑控制电路对键相电路和信号调理电路进行总体控制，使得振动信号测量自动进行。由于采用信号隔离电路，单板抗干扰性能大大增加，尤其适用把振动信号测量板安装在发电机较近的场合、传感器线缆比较长的场合和环境比较恶劣的场合。

图5为采用风机通用振动信号测量系统测得的现场运行风机振动波形图，从波形上来看，风机振动谐波分量比较复杂，从几赫兹到几千赫兹信号都有，随着转速不同，各次谐波幅值也不同，可能有些谐波分量是干扰信号，测量系统中信号采用隔离电路的A/D采样电路可以保证测量电路可靠性强、精度高，并且能够在转速连续变化的情况下获得准确的振动测量值。

上面提到的风机通用振动信号测量系统是采用单个板卡的情况，如果需要测量故障点比较多，比如增加轴向传感器、增加低速轴水平方向传感器，增加高速轴传感器数量等，这种情况下可以把几个单板通过背板连在一起使用，最大3个单板18路信号就可以了。键相信号可以使用多个，也可以使用单个，接到其中的一个板卡上，经过CPLD逻辑控制电路发出3个单板同时采样的控制信号，实现多板卡多通道同步采样功能。3个板卡采集到的信号通过高速DP总线送给专用通信处理器，通信处理器可以根据风机各部件的特征频率结合风机故障专家经验对采集的振动数据作进一步处理，获取更深层次的振动故障信息，给出详细的风机运行状态报告，这种状态报告应该一段时间出一次，目的一是对风场维护人员提供检修参考和风机寿命推断，二是积累风机故障经验，作为一个经验库为其他风机状态分析提供依据。

Claims

1.一种风机通用振动信号测量系统，基于键相信号实现自动跟踪风机转速的变频率多通道同步采样功能，所述系统包括键相电路、信号调理电路、A/D采样电路、CPLD逻辑控制电路、信号隔离电路和数字信号处理器；其特征为：

2.根据权利要求1所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述键相信号通过设置在风机的发电机轴上的键相传感器获得，通过所述键相信号获得风机转速和相位信息。

3.根据权利要求1或2所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述键相电路进一步包括依次连接第一通用信号接入电路、双向峰值检波电路、滞环比较器电路、硬件锁相电路，采用双向峰值检波电路获得滞环比较器的门限电压，键相信号与门限电压经滞环比较器处理后送给硬件锁相电路。

4.根据权利要求3所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：硬件锁相电路频率通过CPLD逻辑控制电路设定。

5.根据权利要求1所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述多路风机振动信号通过位移传感器、速度传感器或加速度传感器获得。

6.根据权利要求5所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述多路风机振动信号优选为6路振动信号，分别通过安装在风机低速轴1个、齿轮箱3个、高速轴2个传感器测量。

7.根据权利要求1或5所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述信号调理电路进一步包括依次连接的第二通用信号接入电路、自动增益放大电路、多路通道选择电路、抗混滤波电路。

8.根据权利要求7所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述CPLD逻辑控制电路设定A/D采样时刻和频率，设定信号调理电路的自动增益系数、多路通道选择器参数、抗混滤波器的截止频率。

9.根据权利要求8所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述CPLD逻辑控制电路优选根据键相电路测量的风机转速脉冲分频作为A/D采样启动信号，当风机转速变化时采样频率也就随之变化，对变频率信号实现整周期采样.

10.根据权利要求8所述的风机通用振动信号测量系统，其特征在于：所述CPLD逻辑控制电路优选根据键相电路测量的风机转速脉冲分频同时启动多路A/D采集通道，实现多通道同步采样。