CN102508456A - 振动监视保护装置的背板总线式结构及其通信控制方法 - Google Patents
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Abstract
振动监视保护装置的背板总线式结构及其通信控制方法，包括监视保护装置背板和监视保护装置功能模块，监视保护装置背板由背板总线和多个总线插槽组成，背板总线同时连接至各总线插槽，监视保护装置功能模块中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽，进而通过背板总线实现通信。发明提供了一种背板总线式振动监视保护装置及其内部功能模块间的通信控制方法，实现机械振动信号的实时大容量全波形数据整周期同步采集、振动故障特征提取、监视保护和在线分析诊断，并实现模块热插拔和即插即用，克服现有装置或产品难以实现大容量全波形数据实时处理的不足。
Description
技术领域
本发明属于机械振动信号监视保护和设备故障分析与诊断领域，特别涉及一种背板总线式振动监视保护装置内部模块通信及控制方法。
背景技术
旋转机械监视保护与故障分析诊断装置是保障设备安全、稳定、高效运行的重要工具，随着现代企业设备管理智能化、信息化水平的不断提高，对设备进行监视保护与故障诊断，并在此基础上实现设备的视情维修与预知维护已成为企业的迫切需求。传统的以监测仪表为主体的状态监测与报警装置，可以在线监测设备的振动以及温度、压力、流量等信息，并根据人工设定的报警门限对异常的监测参数作出报警提示直至联锁停车，但其缺点是报警参数及报警方式单一，缺乏对故障的分析诊断能力，而以便携式仪器或便携式计算机为主的故障分析仪器，主要提供常见的信号处理与故障分析方法，如频谱分析、波形分析、轴心轨迹分析等，此类装置主要用于设备状态的巡检，其缺点是不能完整记录设备运行的状态信息，缺乏在线监视保护和预防突发故障的能力；以工业控制计算机或嵌入式计算机为主体的在线状态监测与故障诊断装置是故障分析仪器的进一步发展，可以实现面向企业内部网甚至面向因特网的远程状态监测与故障分析、诊断，但主要作为监视保护装置的后级系统，缺乏实时联锁保护能力。开发智能化监视保护装置，实现基于多种故障特征的监视报警与分析诊断，为旋转机械提供更为全面的实时监控与联锁保护，已成为本领域技术发展的方向之一。
提高旋转机械振动监视保护与分析诊断精度的关键是同一转子振动信号根据其旋转速度实现整周期同步波形数据采集，整周期波形数据可以消除频谱分析时能量泄露，获得准确的故障特征频率及其幅值，而基于键相/转速信号触发的同步振动波形采集则可以保证获得准确的、可比较的相位信息，上述信息不仅为故障识别提供依据还可以用于进行转子现场动平衡。
已授权的中国发明专利《嵌入式旋转机械运行监控保护装置与设置方法》(专利号：200710132811.7)由嵌入式管理模块和多个功能模块、显示器和触摸屏控制电路组成，每个功能模块对旋转机械的各通路传感器信号进行采集处理，管理模块通过高速异步串口(UART)电路连接各功能模块进行数据传递和控制，通过网络接口、RS232或RS485接口连接上位机，接收上位机的组态、数据巡检和采集命令，嵌入式管理模块同时直接连接触摸屏液晶显示器，显示图表数据。该发明主要针对振动峰峰值、烈度等特征量进行监测，无波形数据同步采集和分析功能，也未实现功能模块的即插即用，管理模块工作负荷较小。若需要对全波形数据进行监测、处理以及分析诊断，则由于模块间通信数据量庞大，采用异步串口方式难以满足实时性要求，同时管理模块的工作负荷也将大大提高，难以满足应用要求。
已授权的中国发明专利《大型旋转机械设备智能采集监测装置及采集监测方法》(专利号：200410026179.4)采用基于CPCI总线和DSP处理器，八通道同步高速数据采集的硬件设备，依据被监测设备自身动态运行数据所构建的设备运行状态，实现该发明监测参数的动态自适应设置和调整，以及监测数据的智能存储，形成一套针对大型旋转机械设备的智能状态监测装置。但该发明监测参数相对单一，监测通道固定为8通道，对多于8通道的转子振动信号未提供同步采集控制功能，系统配置的灵活性、可扩展性不够，同时CPCI总线实现复杂，成本相对较高，限制了其应用范围。
中国实用新型专利《小型旋转机械安全监视装置》(专利号：200820223476.1)采用总线式结构，各监视模块用螺钉固定在铝制机箱的面板上，模块以高性能CPU为核心，配套LED作为人机接口，外部系统及监视、组态软件通过电源模块上的通讯单元访问各监视模块，各模块通过系统总线组成RS485网络，通过总线板设定各监视模块的通讯地址，各种输入信号经不同的功能子板送至主板的数据处理单元，数据处理单元的数模转换器和模数转换器与CPU采用SPI总线通讯，系统功能软件固化在芯片内，自动实现数据的采集、故障判断、信号偏置/增益、线性度校正及信号传输。该发明同样仅针对振动峰峰值、烈度等特征量进行监测，无波形数据同步采集和分析功能，同样由于RS485通信速率的限制，难以实现大容量全波形数据实时监测、处理及分析诊断。
发明内容
本发明的目的是提供一种背板总线式振动监视保护装置内部功能模块间的通信及控制方法，实现机械振动信号的实时大容量全波形数据整周期同步采集、振动故障特征提取、监视保护和在线分析诊断，并实现模块热插拔和即插即用，克服现有装置或产品难以实现大容量全波形数据实时处理的不足。
本发明的技术方案为：振动监视保护装置的背板总线式结构，包括监视保护装置背板和监视保护装置功能模块，监视保护装置背板由背板总线和多个总线插槽组成，背板总线包括电源线、时钟/复位信号线、并行接口信号线、采样控制信号线以及CAN接口信号线，背板总线中的信号同时连接至各总线插槽，监视保护装置功能模块中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽，进而通过背板总线实现通信，总线插槽为96针欧式连接器，背板总线和总线插槽之间采用多点低压差分信号M-LVDS传输数据，总线插槽上各自连接有4位插槽地址信号SLOT[3:0]，根据总线插槽在背板总线上的位置不同，SLOT[3:0]中相应序号的信号采用开路或电阻下拉至地，监视保护装置功能模块各功能模块给所连接的总线插槽上的4位插槽地址信号SLOT[3:0]提供弱上拉电阻，将其转换为逻辑电平信号，供所述功能模块进行地址译码和识别。
监视保护装置功能模块为可扩展模块，包括管理模块、键相/转速模块和至少一个振动模块，所述背板总线中的电源线连接+24V电源，监视保护装置功能模块的各功能模块通过电源线供电并由其内部的板载电源模块将+24V电源转换为其工作所需的电源。
上述振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法为，所述监视保护装置功能模块的各功能模块均分别存储有振动监视保护装置的全部组态信息，振动监视保护装置上电运行时，各功能模块相互交换各自存储的组态信息，并对存储的组态信息进行一致性检查，采用投票表决原则，确定最终的系统组态状态，以提高系统组态信息存储的安全性和可靠性；监视保护装置功能模块各功能模块功能相对独立，某一功能模块故障不影响其他模块的正常运行，当系统通过热插拔新增新的功能模块时，若该功能模块已经过用户组态，则其受电后自动向系统其他功能模块报告其组态信息，并请求其他已运行模块的组态信息，实现组态分布存储并投入运行，若该功能模块未经过用户组态，则该功能模块暂停运行并报警，提醒用户组态；当某一功能模块故障进行热插拔替换时，替换后的模块受电后，自动获取存储于其他功能模块的原有组态信息并投入运行，实现功能模块的即插即用。
监视保护装置功能模块包括管理模块、键相/转速模块和振动模块，各功能模块上电初始化进入正常工作状态后，其管理模块通过背板总线采用中断方式与振动监视保护装置的其他功能模块进行数据交换，实现振动监测数据的存储、管理，并可通过管理模块的外部通信接口与外部设备之间进行数据通信，实现振动信号在线监测、分析与故障诊断；键相/转速模块根据组态设定的监视周期，触发同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#控制振动模块进行振动波形采集，并完成机组转速测量以及机组启停状态识别和超速保护；振动模块根据同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#通过中断方式采集振动位移、速度或加速度信号波形，振动模块完成当前采集波形数据分析、特征提取以及报警保护处理后，触发DATARDY信号通知管理模块开始数据通信，将采集的原始波形数据和特征数据传送至管理模块进行存储、管理。
所述背板总线中的时钟/复位信号线包括时钟信号CLK和复位信号RESET，时钟信号CLK由管理模块驱动，用于监视保护装置功能模块各功能模块的定时和同步控制，复位信号RESET由外部按钮输入或管理模块驱动，用于监视保护装置各功能模块的复位控制。
所述背板总线中的并行接口信号线用于实现管理模块与其它各功能模块之间的大容量波形和分析数据高速并行传输，并行接口信号线为16位并行接口，采用M-LVDS驱动，每秒传输速度达100MB，并行接口信号线包括8位地址信号A[7:0]、16位双向数据信号D[15:0]、并行接口读写控制信号IORD#和IOWR#以及中断请求信号IRQ，其中地址信号A[7:0]由管理模块驱动，用于其他功能模块地址译码，双向数据信号D[15:0]由各功能模块分时驱动，用于管理模块与其他功能模块之间的双向数据传输，IORD#和IOWR#信号由管理模块驱动，用于数据传输方向控制，IRQ信号用于向管理模块请求中断数据传输。
所述背板总线中的采样控制信号线包括4路采样同步控制信号SYNC#[3:0]、4路采样脉冲信号FSCLK#[3:0]和4路数据准备好信号DATRDY[3:0]，相应序号的采样同步控制信号、采样脉冲信号和数据准备好信号构成一个分组，用于多转子旋转机械系统按转子对振动模块进行分组组态，实现基于各转子转速/键相信号的振动信号整周期同步数据采集，采样同步控制信号SYNC#[3:0]和采样脉冲信号FSCLK#[3:0]为双向信号，由键相/转速模块根据其外部传感器输入的键相/转速信号通过锁相倍频产生并驱动，或在无键相/转速模块或键相/转速模块故障时由选定的振动模块按照组态设定的仿真键相/转速频率产生并驱动，数据准备好信号DATRDY[3:0]为单向信号，高电平有效，采用线或逻辑，由各振动模块同时驱动，用于振动模块向管理模块报告采样数据状态。
所述背板总线中的采样控制信号线的信号由键相/转速模块或振动模块中的采样控制信号产生电路生成，采样控制信号产生电路包括4个D触发器U1～U4、计数器U5和或门U6，触发器U1的CLK输入端为振动监视触发脉冲TRIG信号，其Q端输出采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#的输出使能控制信号，并连接至触发器U2和U3的D输入端，触发器U2和U3的CLK端均连接锁相倍频电路的输出信号PLLVCO，以保证采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#与PLLVCO信号上升沿同步，触发器U4用于产生与PLLVCO信号上升沿同步的复位信号，复位触发器U1和U3的输出，，或门U6用于采样脉冲信号FSCLK#的输出，计数器U5对或门U6输出的采样脉冲信号FSCLK#计数，当计数值达到组态设定的振动波形采集点数后，复位触发器U2，禁止采样脉冲信号FSCLK#输出。
所述背板总线中的采样控制信号线的同步采样控制由采样同步控制信号SYNC#的下降沿触发，即各振动模块根据SYNC#信号的下降沿，启动一次波形采集，由相应的FSCLK#信号触发其A/D转换，完成组态设置的波形采样点数后，各振动模块对当前采样波形数据进行缓存和分析处理，处理结束后，触发数据准备好信号DATRDY，通知管理模块读取波形及其特征数据，完成一次波形采样监视周期，下一次波形采样的启动采用两种方式，一是等待处于同一分组的振动模块完成当前波形数据处理且数据传输结束后启动，另一方式是在上一次波形数据缓存完成后即开始下一次波形采样，以提高系统监视的实时性，但此种方式的前提是波形数据传输过程在下一次波形采样结束之前完成。
所述背板总线中的CAN接口信号线包括两路CAN接口，其中一路用于系统各功能模块的组态配置、即插即用控制以及功能模块间的冗余控制，实现冗余保护功能，另一路用于旋转机械超速保护及机组状态实时报警控制，以实现机组联锁保护。
本发明针对旋转机械监视保护与故障分析诊断装置，对应提供了一种背板总线结构及其控制方法，通过设计的背板电路及其信号控制方法，实现大容量全波形数据的传输，并保证了数据采集的同步处理，以保证精确的实时监测、处理及分析诊断，与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)背板总线信号均采用M-LVDS多点低压差分信号传输，其传输时钟频率可达125MHz，传输速率可达250Mbps，具有高速、无源、热插拔等特点，现场使用和维护方便。
(2)背板总线集成有16位并行数据接口和两路高速CAN总线接口，实现了基于并行接口的大容量振动波形数据的高速传输和基于CAN总线的旋转机械超速保护和振动报警数据等的实时传输。
(3)背板总线提供了4组用于采样控制的同步信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#，对多转子机组，可通过软件组态对振动模块按转子进行分组，由键相/转速功能模块依据相应转子的键相/转速信号通过锁相倍频产生其同步采样控制信号，输入处于相应分组的振动模块实现多转子机组按转子进行整周期同步采集。同步信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#也可在无键相/转速模块或键相/转速模块故障时通过选定的振动模块根据设定的键相频率仿真产生并驱动，以实现振动信号同步采集。
(4)背板总线上各功能模块的组态信息分散存储于所有功能模块中，系统上电运行时，各功能模块相互交换各自的组态信息，并对所有存储的组态信息进行一致性检查，基于投票表决原则，确定最终的系统组态状态，提高了系统组态信息存储的安全性和可靠性，各功能模块功能相对独立，某一功能模块故障不影响其他模块正常运行。当系统通过热插拔新增新的功能模块时，若该功能模块已由用户组态，则其受电后自动向系统其他功能模块报告其组态信息并请求其他已运行模块的组态信息，实现组态分布存储并投入运行，否则，暂停运行并提醒用户组态；当某一功能模块故障进行热插拔替换时，替换后的模块受电后，也可自动获取系统上存储于其他模块的原有组态信息并投入运行，实现了功能模块的即插即用。
(5)背板总线所有插槽的物理结构及其引脚电气信号完全相同，各功能模块可安装于任意选定的插槽中。
附图说明
图1为本发明背板总线式振动监视保护装置结构框图。
图2为本发明背板总线信号定义及其连接图。
图3为本发明背板总线采样控制信号产生电路及其时序图。
图4为本发明背板总线采样控制及数据传输时序图。
图5为本发明背板并行总线电路原理图。
图6为本发明管理模块总线接口电路原理图。
图7为本发明管理模块CPU核心板接口电路原理图。
图8为本发明键相/转速和振动等功能模块总线接口电路原理图。
图9为本发明键相/转速模块锁相倍频及转速测量电路原理图。
图10为本发明振动模块A/D及CPU等电路原理图。
图11为本发明各功能模块上电初始化及即插即用流程图。
图12为本发明各功能模块工作流程图。
具体实施方式
本实施例是背板式旋转机械监视保护装置内部模块通信及控制方法实现示例，包括14个背板总线插槽，插槽上安装有1块管理模块、1块4通道键相/转速模块、12块4通道振动模块，可实现48通道振动位移/速度/加速度信号的整周期同步采集。下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步阐述。
如附图1所示，本实施例包括由背板总线11和总线插槽12构成的监视保护装置背板1，以及监视保护装置功能模块2组成，监视保护装置功能模块2包括诸如管理模块21、键相/转速模块22、振动模块23等，并可扩展其他类型功能模块，如温度采集模块等，各功能模块安装于总线背板插槽上，各功能模块通过背板总线11实现相互通信，背板总线信号采用M-LVDS多点低压差分信号传输，具有无源、热插拔、组态化、即插即用等特点，使用、维护和扩展方便。
如附图2所示，本实施例背板总线信号连接至96针欧式连接器构成的总线插槽上，包括+24V电源、插槽地址信号SLOT[3:0]、CAN0和CAN1接口信号、复位信号RESET、时钟信号CLK、并行接口读信号IORD#、并行接口写信号IOWR#、并行接口地址信号A[7:0]、并行接口数据信号D[15:0]、中断请求信号IRQ、4组同步控制信号SYNC#[3:0]、4组采样脉冲信号FSCLK#[3:0]、4组数据准备信号DATRDY[3:0]。其中插槽地址信号SLOT[3:0]为局部信号，每个插槽均独立连接有4位插槽地址信号SLOT[3:0]，根据背板插槽位置不同，SLOT[3:0]中相应序号的信号采用开路或电阻下拉至地，各功能模块则提供弱上拉电阻将其转换为逻辑电平信号供安装于其上的功能模块进行地址译码和识别；时钟信号CLK由管理模块21驱动，用于监视保护装置各功能模块的定时和同步控制；复位信号RESET可由外部按钮输入或管理模块21驱动，用于监视保护装置各功能模块的复位控制；并行接口信号A[7:0]、D[15:0]、IORD#、IOWR#及IRQ用于实现管理模块与各功能模块之间诸如振动原始数据、频谱分析数据等，但又不限于此类数据的大容量数据高速并行传输；采样控制信号SYNC#[3:0]、FSCLK#[3:0]、DATRDY[3:0]用于实现多块振动模块整周期同步数据采集；CAN0接口用于系统各功能模块的组态配置、即插即用控制以及诸如多块键相/转速模块等功能模块间的冗余控制以实现三取二等冗余保护功能，CAN1接口用于旋转机械超速保护及机组状态实时报警控制，以实现机组联锁保护。
如附图3所示，本实施例采样控制信号线114的信号由键相/转速模块22或振动模块23中的采样控制信号产生电路生成，采样控制信号产生电路包括D触发器U1～U4、计数器U5和或门U6，U1用于将其CLK输入端上来自CPU的振动监视触发脉冲TRIG信号转变为其Q输出端上的采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#的输出使能控制信号并接至U2和U3的D输入端，U2和U3的CLK端均接至锁相倍频电路的输出信号PLLVCO，以保证采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#与PLLVCO信号上升沿同步，U4用于产生与PLLVCO信号上升沿同步的复位信号，复位U1和U3的输出，计数器U5对U6输出的采样脉冲信号FSCLK#计数，当计数值达到组态设定的振动波形采集点数后，复位U2，禁止采样脉冲信号FSCLK#输出，U6用于采样脉冲信号FSCLK#的输出控制。本实施例支持4路采样同步控制信号SYNC#[3:0]、4路采样脉冲信号FSCLK#[3:0]和4路数据准备好信号DATRDY[3:0]，相应序号的采样同步控制信号、采样脉冲信号和数据准备好信号构成一个分组，用于多转子旋转机械系统按转子对振动模块23进行分组组态，实现基于各转子转速/键相信号的振动信号整周期同步数据采集，采样同步控制信号SYNC#[3:0]和采样脉冲信号FSCLK#[3:0]为双向信号，可由系统组态选定的键相/转速模块22根据其外部传感器输入的键相/转速信号通过锁相倍频产生并驱动，也可在无键相/转速模块22或键相/转速模块22故障时由选定的一块振动模块23按照组态设定的仿真键相/转速频率产生并驱动，数据准备好信号DATRDY[3:0]为单向信号，高电平有效，采用线或逻辑，可由各振动模块23同时驱动，用于振动模块23向管理模块21报告采样数据状态。
如附图4所示，本实施例同步采样控制及数据传输分为两种模式，即采样控制及数据传输时序A和采样控制及数据传输时序B，对采样控制及数据传输时序A，各振动模块根据SYNC#信号的下降沿，启动一次振动波形采集，由相应的FSCLK#信号触发其A/D转换，完成组态设置的波形采样点数后，各振动模块对当前采样波形数据进行缓存和分析处理，处理结束后，触发其数据准备好信号DATRDY，通知管理模块读取波形及其特征数据，完成一次波形采样监视周期，下一次波形采样在处于同一分组的全部振动模块完成当前波形数据处理且波形数据传输结束后启动；对采样控制及数据传输时序B，在上一次波形数据缓存和分析处理完成后即开始下一次波形采样，以提高系统监视的实时性，但此时需保证波形数据传输过程在下一次波形采样结束之前完成。图中，t1为采样同步启动信号触发后到第一个波形采样脉冲有效时的时间延迟，t2为波形采样完成所需时间，t3为功能模块波形数据处理所需时间，t4为波形数据传输所需时间，t5为波形输出完成至下一次波形采样的时间间隔，t6为波形数据缓冲分析完成至下一次波形采样的时间间隔，对采样控制及数据传输时序A，系统监视保护周期T＝t1+t2+t3+t4+t5，对采样控制及数据传输时序B，系统监视保护周期T＝t1+t2+t3+t6。
如附图5所示，本实施例背板并行总线电路原理图由背板总线插槽电路51、M-LVDS多点低压差分信号终端匹配电阻电路52、CAN总线终端匹配电路53和背板电源输入端子电路54组成，背板总线插槽电路51仅画出了前3个插槽的电路图，图中插槽信号标识为SLOTx0～SLOTx3，其中x＝1～12，后续的12个插槽除插槽信号下拉电阻位置不同外，其他均相同，各功能模块上的插槽信号输入电路需配接上拉电阻，上拉电阻的取值以保证背板插槽信号存在下拉电阻时，相应的插槽输入信号为地电平，插槽信号SLOTx[3:0]组合而成的二进制值即为其所连接插槽的物理地址。M-LVDS多点低压差分信号终端匹配电阻电路52以及CAN总线终端匹配电路53中的匹配电阻或电路布线时需分别安放于背板最外端的两个总线插槽处，以保证各路差分信号的完整性。本发明背板总线11中的并行接口信号线113用于实现管理模块21与其它各功能模块之间的大容量波形和分析数据高速并行传输，容量取决于用户组态配置的波形采集长度，最高长度每通道可达8192点，及16KB，每个振动模块可采集四个通道信号，这样每个振动模块数据量将达64KB，对后面的具体实施方式，如果一个系统有12个振动模块，48通道，则总数据量可达3072KB，并行接口信号线113为16位并行接口，采用M-LVDS驱动，每秒传输速度理论上最高可达200MB，但实际传输速度还与CPU速度有关，要稍低一些，实施例传输速度大约可达100MB/s。并行接口信号线113包括8位地址信号A[7:0]、16位双向数据信号D[15:0]、并行接口读写控制信号IORD#和IOWR#以及中断请求信号IRQ，其中地址信号A[7:0]由管理模块21驱动，用于其他功能模块地址译码，双向数据信号D[15:0]由各功能模块分时驱动，用于管理模块21与其他功能模块之间的双向数据传输，IORD#和IOWR#信号由管理模块21驱动，用于数据传输方向控制，IRQ信号用于向管理模块21请求中断数据传输。
如附图6所示，本实施例管理模块总线接口电路原理图由总线插槽端子电路61、电源热插拔控制电路62、并行接口地址总线及数据总线驱动电路63、系统信号/并行接口读写信号/采样数据准备好信号接口电路64、中断请求信号接口电路65、两路CAN接口电路66以及可逻辑逻辑电路67组成。电源热插拔控制电路62采用TPS2491热插槽控制器，避免模块插拔对总线电源造成的冲击，并行接口地址总线及数据总线驱动电路63、系统信号/并行接口读写信号/采样数据准备好信号接口电路64以及中断请求信号接口电路65均采用专用M-LVDS收发芯片，其接收器为标准的Type-2型电路，具有故障保护及线与操作能力，CAN接口电路66采用双路CAN收发器TJA1048，可逻辑逻辑电路67用于产生总线接口所需的各种控制信号，包括并行接口地址总线驱动使能ENADRV信号、数据总线驱动使能ENDDRV信号、接收使能ENDRCV#等。
如附图7所示，本实施例管理模块CPU核心板接口电路原理图包括核心板接口电路71、外部RJ45网络接口端子电路72、RS485接口电路73，CPU核心板采用带SD存储卡、网络接口、串行接口以及两路CAN接口的商业化ARM核心板EM9170以简化系统硬件设计。
如附图8所示，本实施例键相/转速和振动等功能模块总线接口电路原理图包括并行接口地址总线及数据总线驱动电路81、系统信号/并行接口读写信号/采样数据准备好信号接口电路82、采样同步信号/采样脉冲信号驱动电路83、中断请求驱动电路84以及两路CAN接口电路85等组成，总线接口电路所需的总线插槽端子电路与管理模块中的电路61相同，电源热插拔控制电路与管理模块中的电路62相同，各电路单元除信号收发方向有区别外，其驱动芯片与管理模块相同。
如附图9所示，本实施例键相/转速模块锁相倍频及转速测量电路原理图包括键相/转速信号调理电路91、锁相倍频电路92、可编程逻辑电路93、DSP芯片电路94，其中键相/转速信号调理电路91对来自电涡流传感器或光电式、磁阻式传感器输入的键相/转速信号SPIN0进行滤波及整形并输入至可编程逻辑电路93，锁相倍频电路92对来自可编程逻辑电路93的键相/转速信号KPLL1进行倍频处理以产生整周期同步采样脉冲，可编程逻辑电路93内置有锁相倍频电路92所需的分频器以及图3所示的同步采样控制信号产生逻辑等电路，DSP芯片电路94通过其4路脉冲捕捉通道测量机组转速，并由其内置软件完成超速报警、机组启停状态识别、同步采样控制信号触发等功能。
如图10所示，本实施例振动模块A/D及CPU等电路原理图包括DSP及其外扩RAM电路101、振动信号调理电路102、4通道同步采样A/D电路103以及可编程逻辑电路104，其中DSP及其外扩RAM电路101结合DSP芯片内置软件完成振动信号同步采集、数据缓存及特征分析提取以及与管理模块之间的数据传输控制等功能，振动信号调理电路102包括由U6B和U6C构成的振动信号交流/直流信号分离电路、U10构成的交流信号程控放大电路、U11B构成的交流信号一次积分电路、U11C构成的交流信号二次积分电路、U9构成的A/D转换信号选择电路以及U5、U7A和U8A构成的ICP压电式振动传感器恒流供电电路，振动信号调理电路102可接收来自电涡流式振动位移传感器、磁电式振动速度传感器、压电式振动速度或振动加速度传感器的振动信号，并通过软件组态选择合适信号调理方式，如程控放大倍数、积分次数、是否供电等，4通道同步采样A/D电路103完成4路振动信号的同步采样，可编程逻辑电路104完成模块译码逻辑、A/D控制逻辑、信号调理配置逻辑以及同步采样控制仿真信号产生逻辑等功能。
如附图11所示，本实施例各功能模块上电初始化及即插即用流程图描述了系统模块上电启动或故障热插拔修复时的工作过程，如前所述，装置管理模块及各功能模块均分散存储有系统的全部组态信息，系统运行时根据各模块内部固化的软件协同运行实现模块的初始化和即插即用，其具体过程如下：安装于背板总线上的模块上电后，首先对其自身状态进行初始化，读取本模块存储的系统组态信息，然后向背板上的CAN0接口发送模块信息索取帧，所有安装于背板上的模块，包括主动发出模块信息索取帧的模块均需响应模块信息索取帧，发送各自的模块信息至CAN0接口，模块信息帧包括模块所处插槽地址、模块类型、模块序列号、组态是否有效、模块是否已进入正常工作状态等状态信息，总线上的各模块接收到所有模块的模块信息帧后，在其内部生成系统已安装的模块列表及其状态，若无模块已进入正常工作状态，则表明系统处于上电初始化状态，若存在已进入正常工作状态的模块，则表明系统处于热插拔状态，当系统处于上电初始化状态时，若所有模块均无有效系统组态信息，则系统停止运行，提醒用户组态，此时相当于监视保护装置未初始化，例如刚刚购买的监视保护装置，其内部无组态信息，需要根据最终用户设备监视保护需要进行配置组态才能运行，故此状态下，装置暂停运行，等待用户配置其工作参数，否则，由该模块列表中地址最小的模块根据模块列表依次向保存有有效系统组态信息的模块发出系统组态信息请求帧，相应的模块将其存储的有效系统组态信息发送至CAN0接口，各模块接收到分散存储于系统管理模块和功能模块中的有效系统组态信息后，对本模块的组态信息进行校验，若组态信息一致，则采用现有组态进入正常工作模式，否则，依据投票表决模式，即少数服从多数的原则，选择相应的组态信息恢复组态，进入正常工作模式，若投票表决失败，无法恢复组态，则本模块停止运行，报警并提醒用户装置组态信息存储出现严重错误，需要进行维护处理；当系统处于热插拔状态时，由热插拔模块根据模块列表依次向其他已运行模块发出系统组态信息请求帧，相应的模块将其存储的有效系统组态信息通过CAN0接口发送至热插拔模块，热插拔模块接收到已运行模块中的有效系统组态信息后，对本模块系统组态进行校验，若组态信息一致，则采用现有组态进入正常工作模式，否则，依据投票表决模式，选择相应的组态信息恢复系统组态，进入正常工作模式，此时，相当于用该模块替换掉出现故障的模块，若投票表决失败，无法恢复系统组态，则热插拔模块停止运行，等待用户组态，此时该模块相当于原装置新增的扩展模块，装置内部无该模块插入插槽对应功能模块的组态信息，该模块也未经过外部初始化，需要根据最终用户设备监视保护需要进行配置组态才能运行，故此状态下，该模块暂停运行，等待用户配置其工作参数。
如附图12所示，本实施例各功能模块上电初始化成功并进入正常工作状态后，其管理模块21通过背板总线11采用中断方式与振动模块23进行数据交换，实现振动监测数据的存储、管理，并可通过其外部通信接口如网络、RS485接口等与外部设备如监测数据显示装置、监控计算机、组态软件等之间进行数据通信，实现振动信号在线监测、分析与故障诊断，键相/转速模块22根据组态设定的监视周期，触发同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#控制振动模块23进行振动波形采集并完成机组转速测量以及机组启停状态识别和超速保护，振动模块23根据同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#通过中断方式采集振动位移、速度或加速度信号波形，完成当前采集波形数据分析、特征提取以及报警保护处理后，触发DATARDY信号通知管理模块21开始数据通信，将采集的原始波形数据和特征数据传送至管理模块21进行存储、管理。
Claims (10)
1.振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是包括监视保护装置背板(1)和监视保护装置功能模块(2)，监视保护装置背板(1)由背板总线(11)和多个总线插槽(12)组成，背板总线(11)包括电源线(111)、时钟/复位信号线(112)、并行接口信号线(113)、采样控制信号线(114)以及CAN接口信号线(115)，背板总线(11)中的信号同时连接至各总线插槽(12)，监视保护装置功能模块(2)中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽(12)，进而通过背板总线(11)实现通信，总线插槽(12)为96针欧式连接器，背板总线(11)和总线插槽(12)之间采用多点低压差分信号M-LVDS传输数据，总线插槽(12)上各自连接有4位插槽地址信号SLOT[3:0]，根据总线插槽(12)在背板总线(11)上的位置不同，SLOT[3:0]中相应序号的信号采用开路或电阻下拉至地，监视保护装置功能模块(2)各功能模块给所连接的总线插槽(12)上的4位插槽地址信号SLOT[3:0]提供弱上拉电阻，将其转换为逻辑电平信号，供所述功能模块进行地址译码和识别。
2.根据权利要求1所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是监视保护装置功能模块(2)为可扩展模块，包括管理模块(21)、键相/转速模块(22)和至少一个振动模块(23)，所述背板总线(11)中的电源线(111)连接+24V电源，监视保护装置功能模块(2)的各功能模块通过电源线(111)供电并由其内部的板载电源模块将+24V电源转换为其工作所需的电源。
3.权利要求1或2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述监视保护装置功能模块(2)的各功能模块均分别存储有振动监视保护装置的全部组态信息，振动监视保护装置上电运行时，各功能模块相互交换各自存储的组态信息，并对存储的组态信息进行一致性检查，采用投票表决原则，确定最终的系统组态状态，以提高系统组态信息存储的安全性和可靠性；监视保护装置功能模块(2)各功能模块功能相对独立，某一功能模块故障不影响其他模块的正常运行，当系统通过热插拔新增新的功能模块时，若该功能模块已经过用户组态，则其受电后自动向系统其他功能模块报告其组态信息，并请求其他已运行模块的组态信息，实现组态分布存储并投入运行，若该功能模块未经过用户组态，则该功能模块暂停运行并报警，提醒用户组态；当某一功能模块故障进行热插拔替换时，替换后的模块受电后，自动获取存储于其他功能模块的原有组态信息并投入运行，实现功能模块的即插即用。
4.根据权利要求3所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是监视保护装置功能模块(2)包括管理模块(21)、键相/转速模块(22)和振动模块(23)，各功能模块上电初始化进入正常工作状态后，其管理模块(21)通过背板总线(11)采用中断方式与振动监视保护装置的其他功能模块进行数据交换，实现振动监测数据的存储、管理，并可通过管理模块(21)的外部通信接口与外部设备之间进行数据通信，实现振动信号在线监测、分析与故障诊断；键相/转速模块(22)根据组态设定的监视周期，触发同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#控制振动模块(23)进行振动波形采集，并完成机组转速测量以及机组启停状态识别和超速保护；振动模块(23)根据同步控制信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#通过中断方式采集振动位移、速度或加速度信号波形，振动模块(23)完成当前采集波形数据分析、特征提取以及报警保护处理后，触发DATARDY信号通知管理模块(21)开始数据通信，将采集的原始波形数据和特征数据传送至管理模块(21)进行存储、管理。
5.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的时钟/复位信号线(112)包括时钟信号CLK和复位信号RESET，时钟信号CLK由管理模块(21)驱动，用于监视保护装置功能模块(2)各功能模块的定时和同步控制，复位信号RESET由外部按钮输入或管理模块(21)驱动，用于监视保护装置各功能模块的复位控制。
6.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的并行接口信号线(113)用于实现管理模块(21)与其它各功能模块之间的大容量波形和分析数据高速并行传输，并行接口信号线(113)为16位并行接口，采用M-LVDS驱动，每秒传输速度达100MB，并行接口信号线(113)包括8位地址信号A[7:0]、16位双向数据信号D[15:0]、并行接口读写控制信号IORD#和IOWR#以及中断请求信号IRQ，其中地址信号A[7:0]由管理模块(21)驱动，用于其他功能模块地址译码，双向数据信号D[15:0]由各功能模块分时驱动，用于管理模块(21)与其他功能模块之间的双向数据传输，IORD#和IOWR#信号由管理模块(21)驱动，用于数据传输方向控制，IRQ信号用于向管理模块(21)请求中断数据传输。
7.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的采样控制信号线(114)包括4路采样同步控制信号SYNC#[3:0]、4路采样脉冲信号FSCLK#[3:0]和4路数据准备好信号DATRDY[3:0]，相应序号的采样同步控制信号、采样脉冲信号和数据准备好信号构成一个分组，用于多转子旋转机械系统按转子对振动模块(23)进行分组组态，实现基于各转子转速/键相信号的振动信号整周期同步数据采集，采样同步控制信号SYNC#[3:0]和采样脉冲信号FSCLK#[3:0]为双向信号，由键相/转速模块(22)根据其外部传感器输入的键相/转速信号通过锁相倍频产生并驱动，或在无键相/转速模块(22)或键相/转速模块(22)故障时由选定的振动模块(23)按照组态设定的仿真键相/转速频率产生并驱动，数据准备好信号DATRDY[3:0]为单向信号，高电平有效，采用线或逻辑，由各振动模块(23)同时驱动，用于振动模块(23)向管理模块(21)报告采样数据状态。
8.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的采样控制信号线(114)的信号由键相/转速模块(22)或振动模块(23)中的采样控制信号产生电路生成，采样控制信号产生电路包括4个D触发器U1～U4、计数器U5和或门U6，触发器U1的CLK输入端为振动监视触发脉冲TRIG信号，其Q端输出采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#的输出使能控制信号，并连接至触发器U2和U3的D输入端，触发器U2和U3的CLK端均连接锁相倍频电路的输出信号PLLVCO，以保证采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#与PLLVCO信号上升沿同步，触发器U4用于产生与PLLVCO信号上升沿同步的复位信号，复位触发器U1和U3的输出，，或门U6用于采样脉冲信号FSCLK#的输出，计数器U5对或门U6输出的采样脉冲信号FSCLK#计数，当计数值达到组态设定的振动波形采集点数后，复位触发器U2，禁止采样脉冲信号FSCLK#输出。
9.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的采样控制信号线(114)的同步采样控制由采样同步控制信号SYNC#的下降沿触发，即各振动模块(23)根据SYNC#信号的下降沿，启动一次波形采集，由相应的FSCLK#信号触发其A/D转换，完成组态设置的波形采样点数后，各振动模块(23)对当前采样波形数据进行缓存和分析处理，处理结束后，触发数据准备好信号DATRDY，通知管理模块(21)读取波形及其特征数据，完成一次波形采样监视周期，下一次波形采样的启动采用两种方式，一是等待处于同一分组的振动模块完成当前波形数据处理且数据传输结束后启动，另一方式是在上一次波形数据缓存完成后即开始下一次波形采样，以提高系统监视的实时性，但此种方式的前提是波形数据传输过程在下一次波形采样结束之前完成。
10.根据权利要求3或4所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的CAN接口信号线(115)包括两路CAN接口，其中一路用于系统各功能模块的组态配置、即插即用控制以及功能模块间的冗余控制，实现冗余保护功能，另一路用于旋转机械超速保护及机组状态实时报警控制，以实现机组联锁保护。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131218 Termination date: 20180929 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |