CN109445327A - 基于fpga边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统，属于数据采集技术领域，包括：电源、CPU主板、显示器，所述显示器显示实时采集到的数据信息，电源、CPU主板、显示器设置于系统的前面板上；多个振动采集板卡，每个振动采集板卡支持8路同步振动通道采集；电流采集卡，每个电流采集卡支持8路电路采集；温度采集卡，每个温度采集卡支持8路温度采集；多个振动采集板卡、电流采集卡及温度采集卡的位置及类型能够互换；后面板，所述后面板连接接口卡，通过更换不同接口的接口卡，实现对不同种类的传感器支持。该系统作为新一代企业级工业物联网的边缘计算节点，可大幅降低物联网云平台的数据存储与处理压力。

Description

基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统。

背景技术

机械设备的振动信息常被用于评估机械的运行状态，诊断机械运行故障，或者校正机械的计算机仿真模型。旋转机械是工业领域内应用最为广泛的机械之一。旋转机械的振动监测,对于机械的安全运行和提高设备利用率有重大意义。工程实践中通常采用电涡流位移传感器、速度传感器和压电式加速度传感器测量旋转转子或者机座的振动。传统的振动采集与信号处理技术比较成熟，有便携式的离线振动检测设备和固定安装的在线振动监控系统。代表性系统有美国本特利公司的7200系统，3300系统，3500系统等，西门子公司的D3000系统，艾默生公司的CSI6500系统，北京英华达公司的EN800、900系统，以及陕西鼓风机厂、沈阳鼓风机厂、江阴厚德、江阴厚德等一系列系统。这些系统覆盖高中低档的旋转设备振动采集，可以采集工业生产中的振动、温度、压力等各种信号，满足了振动监测和保护的基本要求。但这些系统的共同特点是采用ASIC定制电路，功能固定，系统升级较为困难。同时，难以与企业的工业物联网平台直接相连，不能满足新一代工业物联网的数据传输要求。随着基于人工智能和复杂统计模型的大数据分析技术不断成熟，这些技术已经逐渐被用于云端远程故障诊断和尤其是故障预测，用于提前安排维护，降低企业运行成本。因此，企业对于满足设备互联需求的振动采集设备需求日益强烈。

FPGA是一种可编程逻辑控制器，可以将软件程序固化为硬件电路，在保证高执行效率和稳定性的同时，维持软件系统的灵活性，非常适合工业大数据采集。采用FPGA的数据采集系统与一般数据采集系统相比，优势非常明显。一般的数据采集系统相当于普通手机，仅有电话短信等简单功能，而采用FPGA的数据采集系统相当于智能机，可以安装APP实现更多非常复杂的功能。这是因为FPGA不仅拥有高稳定性，其附带的处理器还拥有强大的计算能力，可以在数据源头对数据进行预处理(大数据流处理分析部分)，去除海量工业大数据中的无效数据，降低传输带宽的要求，减轻云端海量数据存取的压力。同时，基于FPGA的边缘计算技术，可以对工业现场突发状况做出毫秒级的实时响应，保护核心系统安全。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统，至少部分解决现有技术中存在的问题。

本发明实施例提供的一种基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统，包括：

电源、CPU主板、显示器，所述显示器显示实时采集到的数据信息，电源、CPU主板、显示器设置于系统的前面板上；

多个振动采集板卡，每个振动采集板卡支持8路同步振动通道采集；

电流采集卡，每个电流采集卡支持8路电路采集；

温度采集卡，每个温度采集卡支持8路温度采集；

多个振动采集板卡、电流采集卡及温度采集卡的位置及类型能够互换；

后面板，所述后面板连接接口卡，通过更换不同接口的接口卡，实现对不同种类的传感器支持。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述系统支持两路标准以太网接口，两个USB2.0接口，一个RS232接口，一个RS485接口，一个重置开关，4个工作状态LED指示灯，一个标准WIFI，一个标准4G板卡，以及两路电源接口。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，两路以太网接口IP地址相互独立，一路可用于接入控制网络(如SCADA，PLC)，一路用于接入办公网络，向云端传输数据；

两路以太网接口之间相互独立，无法互相访问，以满足控制网络的互联网安全要求；

采用两路电源接口，防止一路电源损坏后，另外一路电源可以自动接入，方式系统因电源故障掉电停机。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，系统支持48路振动通道，16路4-20mA电流通道，16路温度通道；

系统包含3种采样板卡，一个主板/核心板，以及外围电源、电源电路。。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述系统包括模拟电路，传感器信号首先经电压调理，降低到ADC可以接受的电压，若传感器为加速度传感器，信号进入交直流耦合电路，为传感器提供2mA恒流源供电，且直流分量将被过滤，之后信号再进入单端/差分选择电路,信号统一转成单端信号后，再经过低通滤波器进行抗混叠滤波，接入高精度数字转换模块。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，每块板卡上的8路数据通过一个CPLD，传入FPGA，通过IV转换后，数据传入CPLD，再传入FPGA，温度通道通过惠恩斯电桥，经过ADS1278后传入FPGA传入CPLD，传入FPGA。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，系统包括数字电路部分，采用FPGA+ARM集成主板，用于安装板卡，主板含内存，存储eMMC，USB，HDMI，网口，WIFI，RS232，RS485，LED，主板通过HDMI连接自带显示器。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，高速振动同步采集卡，共6个板卡，每块板卡8个通道，支持位移、速度传感器、加速度传感器，每块板卡采用一个CPLD，控制8个AD的采样频率以及与FPGA通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息

根据本发明实施例的一种具体实现方式，板卡前面板带3个LED灯，分别用于电源指示，信号状态指示，bypass指示，通过CPLD控制，CPLD可以在板卡上对振动信号进行计算，支持板卡热插拔，每块板卡前面板对应8个未经滤波的缓存电压输出(BNC)，用于连接其他设备。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，系统还包括：

低速电流采集卡，采集系统中的4-20mA电流信号，每个板卡8个通道，共2个板卡，每个板卡共用一个AD，通道不同步，通过CPLD与FPGA进行通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。

本发明的基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统，FPGA既具有硬件的可靠性和运算速度，又具有软件的灵活性。因此，非常适合用于高速、多通道的同步振动信号处理。在FPGA中可以用软件实现多种信号滤波，如果抗混叠滤波，工频滤波，这些原先大都依靠硬件电路来实现。采用FPGA作为主控芯片用于振动信号采集，可以大幅降低对硬件电路的要求。功能升级只需要远程更新FPGA软件即可实现，无需更新硬件电路。本发明涉及的系统的技术特点包括：

采用FPGA软件，模拟了不同容量的电容器，即峰值检测电路，计算了两种振动峰峰值，一种峰峰值较为保守，可以滤掉信号中的高频噪声。这种峰峰值被用于旋转设备的振动保护，在振动值大于设定阀值时，由PLC控制，关停对应旋转设备。一种峰峰值非常灵敏，用于诊断传感器、接线和旋转设备的振动异常，这种峰峰值被用于记录异常情况下的振动数据，做后期离线分析

该系统采用两路相互隔离的标准以太网接口，一路接入控制网络，用于向控制网络里的PLC、Control Logics等设备发送设备运行数据，另外一路接入办公网络，通过Restful API向云端大数据平台单向发送数据。这种配置目的是满足控制网络的网络安全要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为基于FPGA的机械设备监控与保护系统结构图；

图2为基于FPGA的机械设备监控与保护系统硬件架构；

图3为基于FPGA的数据采集系统架构示例；

图4a-4d为同步高速振动采集卡电路原理图；

图5为电流采集卡电路原理图；

图6为温度采集卡电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明结合旋转设备的振动监控、保护、故障诊断以及新一代企业级工业物联网需求，开发一套基于FPGA的数据采集与分析系统。该系统采集旋转设备启停及运行过程中的主轴转速、振动位移、振动加速度、压力、阀门位置、温度等参数，并对这些参数进行实时计算分析，为设备故障诊断和异常排查提供依据。该系统的框架如下图所示，包含FPGA数据采集、数据处理和上位机分析系统软件三个模块。该设备也是物联网的边缘计算节点，可以通过API方式将采集到的工业数据，在边缘进行处理，之后将处理后的数据传入物联网大数据平台。

图1公开了基于FPGA的机械设备监控与保护系统结构图。该系统(不包含显示屏)可在复杂工业环境下工作，工作环境温度范围是-35℃～65℃，最大湿度为95％。显示屏工作环境温度范围是0℃～60℃。下图为该系统硬件架构图。采用7英寸LED显示器，显示实时采集到的数据信息，前面板分别为LED显示器，两个电源，一个CPU主板，六个振动采集板卡(BNC接口为缓存信号输出接口)，每个板卡支持8路同步振动通道采集。两个4-20mA电流采集卡，每个支持8路电路采集，以及两个温度采集卡，每个支持8路温度采集。各采集卡位置可以互换，采集卡类型也可以互换。比如，可以支持共十块振动采集卡。板卡与主板间采用欧式连接器连接。后面板连接接口卡，通过更换不同接口的接口卡，实现对不同种类的传感器支持。比如加速度传感器多采用SMA接口，电涡流传感器采用双线接口,一些温度传感器采用三线接口。

图2公开了基于FPGA的机械设备监控与保护系统硬件架构。包括接口部分，该系统支持两路标准以太网接口，两个USB2.0接口，一个RS232接口，一个RS485接口，一个重置开关，4个工作状态LED指示灯，一个标准WIFI，一个标准4G板卡，以及两路电源接口。其中，两路以太网接口IP地址相互独立，一路可用于接入控制网络(如SCADA，PLC)，一路用于接入办公网络，向云端传输数据。两路以太网接口之间相互独立，无法互相访问，以满足控制网络的互联网安全要求。采用两路电源接口，防止一路电源损坏后，另外一路电源可以自动接入，方式系统因电源故障掉电停机。电源输出范围为+12V、+3.3V、+5V、-12V。

采集部分，该系统支持48路振动通道，16路4-20mA电流通道，16路温度通道。图3为CIDW的模拟电路与数字电路系统架构。系统包含3种采样板卡(模拟电路，包括8通道振动采集卡，8通道电流采集卡，8通道温度采集卡)，一个主板/核心板(数字电路)，以及外围电源、电源电路。

模拟电路部分，CH01-CH48为同步振动采样通道，共6块板卡，每个板卡8个通道。传感器信号首先经电压调理，降低到ADC可以接受的电压(图示为2.5V)范围。若传感器为加速度传感器(软件设置)，信号进入交直流耦合电路，为传感器提供2mA恒流源供电，且直流分量将被过滤。之后，信号再进入单端/差分选择电路(AD8250)。注意：加速度传感器为单端输入，而电涡流传感器为差分输入。信号统一转成单端信号后，再经过低通滤波器进行抗混叠滤波，接入ADS1271高精度数字转换模块。每块板卡上的8路数据通过一个CPLD，传入FPGA。CH49-CH56为4-20mA电流采样通道，共2块板卡，通过IV转换后，数据通过ADS1278传入CPLD，再传入FPGA。CH49-CH58是温度通道，共2块板卡，通过惠恩斯电桥，经过ADS1278后传入FPGA传入CPLD，传入FPGA。

数字电路部分，采用FPGA+ARM集成主板Xilinx Zynq 7035.用于安装上述10个板卡。主板含内存，存储eMMC，USB，HDMI，网口，WIFI，RS232，RS485，LED等。主板通过HDMI连接自带显示器。

图3公开了基于FPGA的数据采集系统架构示例。高速振动同步采集卡，共6个板卡，每块板卡8个通道。支持位移(如Bentley 3300XL Proximeter)、速度传感器(Bentley9200Seismoprobe)、加速度传感器(如CTC AC 102)。板卡支持加速度传感器供电(2mA恒流源供电，通过软件设置开关)。通道输入电压范围为±30V，采样精度为24位，采样频率最高100Ks/s,可软件设置采样频率(减半),如100kHz，50kHz，25kHz，5kHz，2.5kHz。各通道相互隔离，采用抗混叠滤波(8阶butterworth滤波器，MAX295)。48个振动通道同步采集，当采样频率一致时，同步精度<0.1ms。每个通道采用独立AD，采用TI的ADS1271模块。每块板卡采用一个CPLD，控制8个AD的采样频率以及与FPGA通信。CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。板卡前面板带3个LED灯，分别是电源指示，信号状态指示，bypass指示，通过CPLD控制。CPLD也可以在板卡上对振动信号进行计算，支持板卡热插拔。每块板卡前面板对应8个未经滤波的缓存电压输出(BNC)，用于连接其他设备。

图4a-4d公开了同步高速振动采集卡电路原理图。低速电流采集卡，采集工业系统中的4-20mA电流信号。采样范围为4-20mA，采样精度为24位。采样频率最高500Hz，采样频率可设置，如500Hz，250Hz，100Hz，50Hz等。每个板卡8个通道，共2个板卡，每个板卡共用一个AD(如ADS1278)，通道不同步，通过CPLD与FPGA进行通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。板卡前面板带3个LED灯，分别是电源指示，信号状态指示，bypass指示，通过CPLD控制。无缓存输出，支持热插拔。

图5为电流采集卡电路原理图。图6为温度采集卡电路原理图。低速温度采集卡，同时支持8路热电偶或8路RTD，如PT100(3wire)、PT1000(2wire)，精度1℃，采集范围-35℃～175℃。共两个板卡，每块板卡共用一个8通道AD，推荐使用ADS1278，通道间不要求同步。通过CPLD与FPGA进行通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。板卡前面板带3个LED灯，分别是电源指示，信号状态指示，bypass指示，通过CPLD控制。无缓存输出。

FPGA既具有硬件的可靠性和运算速度，又具有软件的灵活性。因此，非常适合用于高速、多通道的同步振动信号处理。在FPGA中可以用软件实现多种信号滤波，如果抗混叠滤波，工频滤波，这些原先大都依靠硬件电路来实现。采用FPGA作为主控芯片用于振动信号采集，可以大幅降低对硬件电路的要求。功能升级只需要远程更新FPGA软件即可实现，无需更新硬件电路。本发明涉及的系统的技术特点包括：

1.采用FPGA软件，模拟了不同容量的电容器，即峰值检测电路，计算了两种振动峰峰值，一种峰峰值较为保守，可以滤掉信号中的高频噪声。这种峰峰值被用于旋转设备的振动保护，在振动值大于设定阀值时，由PLC控制，关停对应旋转设备。一种峰峰值非常灵敏，用于诊断传感器、接线和旋转设备的振动异常，这种峰峰值被用于记录异常情况下的振动数据，做后期离线分析

2.该系统采用两路相互隔离的标准以太网接口，一路接入控制网络，用于向控制网络里的PLC、Control Logics等设备发送设备运行数据，另外一路接入办公网络，通过Restful API向云端大数据平台单向发送数据。这种配置目的是满足控制网络的网络安全要求

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于FPGA边缘计算技术的旋转机械振动采集监控与保护系统，其特征在于，包括：

电源、CPU主板、显示器，所述显示器显示实时采集到的数据信息，电源、CPU主板、显示器设置于系统的前面板上；

多个振动采集板卡，每个振动采集板卡支持8路同步振动通道采集；

电流采集卡，每个电流采集卡支持8路电路采集；

温度采集卡，每个温度采集卡支持8路温度采集；

多个振动采集板卡、电流采集卡及温度采集卡的位置及类型能够互换；

后面板，所述后面板连接接口卡，通过更换不同接口的接口卡，实现对不同种类的传感器支持。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述系统支持两路标准以太网接口，两个USB2.0接口，一个RS232接口，一个RS485接口，一个重置开关，4个工作状态LED指示灯，一个标准WIFI，一个标准4G板卡，以及两路电源接口。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：

两路以太网接口IP地址相互独立，一路可用于接入控制网络，一路用于接入办公网络，向云端传输数据；

两路以太网接口之间相互独立，无法互相访问，以满足控制网络的互联网安全要求；

采用两路电源接口，防止一路电源损坏后，另外一路电源可以自动接入，方式系统因电源故障掉电停机。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

系统支持48路振动通道，16路4-20mA电流通道，16路温度通道；

系统包含3种采样板卡，一个主板/核心板，以及外围电源、电源电路。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述系统包括模拟电路，传感器信号首先经电压调理，降低到ADC可以接受的电压，若传感器为加速度传感器，信号进入交直流耦合电路，为传感器提供2mA恒流源供电，且直流分量将被过滤，之后信号再进入单端/差分选择电路,信号统一转成单端信号后，再经过低通滤波器进行抗混叠滤波，接入高精度数字转换模块。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：

每块板卡上的8路数据通过一个CPLD，传入FPGA，通过IV转换后，数据传入CPLD，再传入FPGA，温度通道通过惠恩斯电桥，经过ADS1278后传入FPGA传入CPLD，传入FPGA。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

系统包括数字电路部分，采用FPGA+ARM集成主板，用于安装板卡，主板含内存，存储eMMC，USB，HDMI，网口，WIFI，RS232，RS485，LED，主板通过HDMI连接自带显示器。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，包括：

高速振动同步采集卡，共6个板卡，每块板卡8个通道，支持位移、速度传感器、加速度传感器，每块板卡采用一个CPLD，控制8个AD的采样频率以及与FPGA通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：

板卡前面板带3个LED灯，分别用于电源指示，信号状态指示，bypass指示，通过CPLD控制，CPLD可以在板卡上对振动信号进行计算，支持板卡热插拔，每块板卡前面板对应8个未经滤波的缓存电压输出(BNC)，用于连接其他设备。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括：

低速电流采集卡，采集系统中的4-20mA电流信号，每个板卡8个通道，共2个板卡，每个板卡共用一个AD，通道不同步，通过CPLD与FPGA进行通信，CPLD带存储模块，固化存储板卡信息。