CN102455212A

CN102455212A - 基于dsp的旋转机械振动检测及保护系统

Info

Publication number: CN102455212A
Application number: CN2010105145278A
Authority: CN
Inventors: 周瑞泉; 韩羽; 周一丁; 张研; 冯震烁
Original assignee: SHANGHAI XINSHENGYUAN MEASUREMENT CONTROL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Han Song
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: CN102455212B

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统。该系统主要包括电源模块、传感器供电模块，传感器信号采集调理模块、微处理器MCU模块，在所述传感器信号采集调理模块和微处理器MCU模块之间还设有一个DSP模块，该DSP模块对采样后的信号进行处理；根据不同的传感器及控制方式等情况，由微处理器MCU模块决定DSP模块采用相应的数值信号处理算法；DSP模块将处理后的数据由HPI接口传给微处理器MCU模块。该系统采用DSP处理器作为振动信号运算CPU，可以完成振动信号的高速采集，并且由于DSP处理器具有强大的信号处理能力，不但提高了解算精度，而且能够快速地完成状态监测保护功能，减轻上位机的运算负荷。

Description

基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统

技术领域

本发明涉及测量振动的测量器具，特别涉及一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统。

背景技术

随着电力行业发电机组的容量不断增大及各种旋转机械的体积和容量不断增大，为了防止事故的发生，做到防范于未然，旋转机械振动检测及保护系统应用将越来越广泛。

在旋转机械状态监测和故障诊断中，振动信号能最迅速最直接地反映旋转机械设备的运行状态，70％以上的运行故障都以振动形式表现出来。由于振动信号在工频(或基频)及其各倍频处的能量分布直接反映了设备运行状态，因此需要在数倍于工频的范围内能够对其振动频谱进行分析，即要求作为振动信号的状态监测系统具有采样频率高以及信号处理量大等特性。

现有大部分旋转机械振动检测及保护系统一般采用单片机来进行数据采集及处理，然而由于单片机运算能力有限，通常只能解决快速采样的问题，对于高速、大量的信号处理无能为力。因此，状态监测功能只能由计算机完成，这就增加了系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，该系统采用DSP处理器作为振动信号运算CPU，可以完成振动信号的高速采集，并且采用精度更高的FFT算法、积分算法及滤波算法等，由于具有强大的信号处理能力，不但提高了解算精度，而且能够快速地完成状态监测保护功能，减轻上位机的运算负荷。

为解决上述技术问题，所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源模块、传感器供电模块，传感器信号采集调理模块、微处理器MCU模块；

电源模块，用于提供+3.3V、+5V、—5V、+15V、—15V电压等级的系统电源分别给传感器、MCU等供电；

传感器供电模块，用于给不同种类的传感器提供不同的供电模式；其特征在于：

传感器信号采集调理模块，包括通道1传感器接口、通道1模拟电路、通道1模数转换电路、通道2传感器接口、通道2模拟电路、通道2模数转换电路；传感器信号采集调理模块分别通过通道1传感器接口、通道2传感器接口采集来自相应传感器的信号，并分别经通道1模拟电路、通道2模拟电路放大、滤波、积分及通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后进入后续信号处理阶段；

微处理器MCU模块，用于监控整个系统，给予报警、跳机、通道正常判断、模块故障判断、传感器状态判断、过载判断；

在所述传感器信号采集调理模块和微处理器MCU模块之间还设有一个DSP模块，该DSP模块包括通道1 DSP模块和通道2 DSP模块，分别通过SPI口接收通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后的信号并进行处理；根据不同的传感器及控制方式等情况，由微处理器MCU模块决定DSP模块采用相应的数值信号处理算法，如决定DSP模块采样数据同步或异步方式，决定采样后的数据积分、滤波与否以及所采用的滤波器种类；DSP模块将处理后的数据由HPI接口传给微处理器MCU模块。

其中，所述DSP模块实现振动信号数据采集时，所采用的信号采样时钟为外部信号，启动数据采集的触发方式有外部触发和软件触发两种；DSP模块采用的数字信号处理算法为4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器。

其中，所述DSP模块包括中断程序模块、中断管理模块及工作方式及算法确定模块。

其中，所述中断程序模块包括3个中断服务程序：第一个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的采样时钟，用于与DSP模块之间的数据传输；第二个中断服务程序是由转速卡提供的键相信号，用于数据采集的外部触发；第三个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的同步脉冲，保证双DSP模块的同步采集。

其中，所述微处理器MCU模块设有USB通讯接口、CAN通讯接口、485通讯接口、4—20mA输出接口和继电器输出接口。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、由于实时状态监测大容量数据高速传输的需要，系统采用数字信号处理器（DSP）芯片作为振动信号采集卡的运算单元，DSP采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器、多级流水线操作和专用的DSP指令等方法使其获得了高速并行处理能力。不仅可以完成振动信号的高速采集，采用精度更高的FFT算法，提高解算精度，而且能够发挥其强大的信号处理能力，完成状态监测功能，减轻上位机的运算负荷。

2、由于采用了DSP来对信号进行滤波处理，使得在振动信号在小于5Hz的情况下，可以做到40db每频程的衰减；可对信号作512个点的FFT运算，即可对输入信号作256分之1的精确频率定位；同时在保证精度和稳定的前提下，对信号的处理响应速度可以达到4桢每秒。

3、USB总线技术具有速度快(USB协议2.0支持最高传输速度可达480Mbps)、支持热插拔和扩展方便(USB上最多可以连接127个外部设备)即插即用等优点。将USB接口技术应用于机械设备的状态参数采集和故障诊断中，支持高速数据采集系统。

附图说明

图1为本发明基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统的结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源模块、传感器供电模块，传感器信号采集调理模块、微处理器MCU模块；电源模块，用于提供+3.3V、+5V、—5V、+15V、—15V电压等级的系统电源分别给传感器、MCU等供电；传感器供电模块，用于给不同种类的传感器提供不同的供电模式。

传感器信号采集调理模块，包括通道1传感器接口、通道1模拟电路、通道1模数转换电路、通道2传感器接口、通道2模拟电路、通道2模数转换电路；传感器信号采集调理模块分别通过通道1传感器接口、通道2传感器接口采集来自相应传感器的信号，并分别经通道1模拟电路、通道2模拟电路放大、滤波、积分及通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后进入后续信号处理阶段。

微处理器MCU模块，用于监控整个系统，给予报警、跳机、通道正常判断、模块故障判断、传感器状态判断、过载判断。

本系统采用了一款数字信号处理器DSP实现振动信号数据采集、数字信号处理、通用数值算法等功能；并以一款微处理器MCU实现信号的管理与控制功能。MCU与DSP之间采用接口HPI来交换数据。

DSP实现振动信号数据采集时，所采用的信号采样时钟为外部信号，启动数据采集的触发方式有外部触发和软件触发两种；DSP采用的数字信号处理算法为4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器；DSP所实现的通用数值算法包括积分、P_P/0_P、平均值、均方根、最大/最小值等。

MCU的主要任务是: 1)控制信号调理电路的参数；2)若测量的信号是动态信号，MCU设定DSP工作方式，获取振动特征值和振动波形数据；3)若测量的信号是动态信号，MCU提供双通道同步时钟和采样时钟；4)采集直流信号、转速信号数据；5）根据当前工作状况执行逻辑控制和模拟量输出控制。

DSP软件设计共分为3个部分：中断程序、中断管理模块、工作方式及算法确定模块。

DSP共设计3个中断服务程序:INT0是由MCU提供的采样时钟，用于与DSP之间的数据传输；INT1是由转速卡提供的键相信号，用于数据采集的外部触发；INT2是由MCU提供的同步脉冲，保证双DSP的同步采集。

中断管理模块控制中断的开启与关闭，若选择信号同步采集，必须要有转速卡提供的键相信号，在打开中断口INT2后，判断同步脉冲是否出现，若出现，打开INT1,关闭INT2，然后判断键相脉冲是否出现，若出现打开INT2,关闭INT1；若选择非同步信号采集，则可以不采集键相信号，打开中断口INT2,关闭INT1。

工作方式及算法确定模块中工作方式控制码由MCU根据工作状况产生，主要包括：

同步/异步采样方式的选择。

同步方式下获取各次谐波特征值：相位和幅值。

异步方式下获取主特征值：基波的相位和幅值，作为跳机的主要判据。

是否选择软件或硬件积分：选择轴振动测量，不选择积分；瓦振振动测量，选择积分；绝对振动测量，轴位移通道不选择积分。

是否滤波及滤波器系数的选择：高低通滤波器系数由组态软件产生，分别是：4阶低通椭圆数字滤波器，纹波 <3dB,阻带衰减 80dB；2阶高通椭圆数字滤波器，纹波 <1.1dB,阻带衰减 40dB。

MCU软件设计包括运算与处理模块设计、控制方式设计两部分内容：

运算与处理模块包括：

1、物理量、电压量与二进码转换；2、报警、跳机、通道正常判断、模块故障判断、传感器状态判断、过载判断；3、绝对振动计算、最大值计算；4、单/双锥面计算。

控制方式设计包括：

1）ADC0控制

定时器Timer3产生采样时钟，控制多路扫描：

Timebase=系统时钟/12；

采用6路扫描方式；

数据传送采用中断方式；

采用平均的方法滤波，去随机噪声。

2）串口（485）通讯/UART0

采用Binary通讯协议，以提高通讯效率，增加Timer0作为timeout计时；实现组态写入/读出、特征值/波形读出功能；增加了modbus通讯协议，可输出特征值；波特率可设置为38400/57600/115200。

3）Timer 4

16-bit 自动重置模式；

采样率>340：系统时钟；

采样率<340：系统时钟/12；

16-bit Timer,产生DSP/ADC（动态信号）的采样时钟。

4）Timer 2

计时器捕捉模块,打开溢出中断。

16-bit定时器，系统时钟，用于脉冲周期测量/RPM；

最长脉冲周期测量范围：32 bits+16 bits。

5）通道信号增益与电流输出

通过SPI接口，控制增益放大器LTC6910放大比例；

通过SPI接口，控制4-20mA输出AD420。

6）HPI

HPI初始化、HPI读写、通过HPI实现与DSP的数据交换。

7）CAN

通过CAN接口，实现与通讯卡的数据交换。同时也可以实现无硬接线的继电器输出的逻辑组合。

8）软件定时

采用PCA，作为软件定时器,提供模块工作所需的各个计时功能。

9）USB接口

通过USB串口，实现MCU与上位机的数据交换,进行组态交互。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点。本行业的技术人士应该了解，本发明不受上述实施条例的限制，上述实施条例和说明书中描述的只是用于说明本发明的原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内。

本发明要求保护范围同所附的权利要求书及其它等效物界定。

Claims

1.一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源模块、传感器供电模块，传感器信号采集调理模块、微处理器MCU模块；

2.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于：所述DSP模块实现振动信号数据采集时，所采用的信号采样时钟为外部信号，启动数据采集的触发方式有外部触发和软件触发两种；DSP模块采用的数字信号处理算法为4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于：所述DSP模块包括中断程序模块、中断管理模块及工作方式及算法确定模块。

4.根据权利要求3所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于：所述中断程序模块包括3个中断服务程序：第一个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的采样时钟，用于与DSP模块之间的数据传输；第二个中断服务程序是由转速卡提供的键相信号，用于数据采集的外部触发；第三个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的同步脉冲，保证双DSP模块的同步采集。

5.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于：所述微处理器MCU模块设有USB通讯接口、CAN通讯接口、485通讯接口、4—20mA输出接口和继电器输出接口。