基于PXI總線和計算階比跟蹤的遠程振動監測技術研究

劉曉鋒 裴翔

摘要：汽輪發電機組單機容量和運行參數的增加，機組振動安全日益重要，同時設備管理信息化水平的提高，旋轉機械振動遠程監測診斷系統在近年得到較為廣泛的應用。目前遠程診斷系統在使用過程中，其系統的穩定性、數據的準確性，振動分析功能的完備均存在缺陷，遠沒有實現其功效。本文從技術層面提出了基于PXI總線和技術階比跟蹤技術的監測系統，在動態信號數據采集和分析方面基于先進的測控儀表PXI總線和計算階比振動信號分析技術，對現有監測系統進行了全面的技術提升，代表了未來監測系統的技術發展方向。

Abstract： With the increase of single-machine capacity and operating parameters of steam turbine generator sets， the vibration safety of the unit is becoming more and more important， and as the level of equipment management informatization is improved， the remote monitoring and diagnosis system for rotating machinery vibration has been widely used in recent years. At present， in the course of using the remote diagnosis system， the stability of the system， the accuracy of the data and the completeness of the vibration analysis function are all flawed， and the efficacy is far from being realized. This paper proposes a monitoring system based on PXI bus and technology order tracking technology from the technical level. Based on the advanced measurement and control instrument PXI bus and calculation order vibration signal analysis technology in dynamic signal data acquisition and analysis， the comprehensive technical improvement of the existing monitoring system is carried out， which represents the technical development direction of the future monitoring system.

關鍵詞：振動;遠程監測;PXI總線;階比分析

Key words： vibration;remote monitoring;PXI bus;order ratio analysis

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0050-03

1 ?系統總體設計

典型的遠程振動監測與故障診斷系統整體結構主要由三個部分組成：①數據采集站;②中心服務器（專職工程師室）;③機組遠程監測診斷中心（RMD系統），如圖1所示。數據采集站和中心服務器組成汽輪機振動監測診斷系統（TDM系統），機組遠程監測診斷中心即RMD系統。TDM系統+RMD系統即為所指遠程振動監測與故障診斷系統。

本文系統總體架構：TDM系統現場數據采集站采用PXI總線，振動信號分析處理采用軟件計算階比跟蹤技術開發。下面詳細論述實現本發明的關鍵技術和方法。

2 ?基于PXI總線的動態振動信號采集系統硬件

功能概述：

研制的PXI5410卡是一種基于PXI標準的同步采集功能卡，可直接插在PXI機箱插槽中，用于4通道旋轉機械動態振動信號采集。板卡尺寸為3U高度100mm×160mm，主要元器件布局及簡要說明如圖1，輸入端子采用BNC連接器，模擬信號調理電路可以實現渦流探頭和速度傳感器切換，電壓調理范圍為-24V～+24V。AD采用AD7606，PXI接口電路，PXI總線電路。

PXI5410采集卡可分為模擬信號調理，AD同步采集和PXI接口驅動轉換3個部分。采集卡基本框圖如圖2所示。PXI5410輸入信號來自現場的振動信號。信號經過濾波和電壓調整等調理后進入模數轉換芯片，本方案中AD選用是16位8通道同步采集AD7606，最高單通道可達采樣頻率200K。PXI接口直接通過專用的PCI接口芯片來實現接口設計，采用美國PLX公司生產的PCI9054。為了實現多板卡的同步采樣，采用統一的采樣觸發信號。觸發信號由星型槽位給每個板卡（所以每個PXI板卡都要有主從模式，主模式為星型槽位，提供觸發信號，從模式為外圍槽位，接收觸發信號）。

3 ?基于階比跟蹤技術的動態振動信號處理方法

3.1 階比分析的方法

傳統的旋轉機械振動階比跟蹤方法采用硬件方式來實現，需要有鎖相環、倍頻分頻電路，并且還需要有截止頻率實時可調的抗混疊跟蹤濾波器等，電路復雜，成本高。公告號為CN102175439的中國專利，公開了一種“針對旋轉機械的階次分析實現方法”其對等角度重新采樣是“根據更新頻率的低速脈沖以及當前高速軸上的轉速脈沖分別對采集卡輸出信號進行等角度重采樣”。此種方法在轉動機械轉速不變或變化小時相當有效，但當轉速隨時變化大時，此時的更新頻率是由第一次采樣時的頻率計算得來;因此，當用此更新頻率與當前高速軸上的轉速脈沖進行等角度重采樣，將帶來更新頻率與當前高速軸上的轉速脈沖不同步，采樣數據不準確。所以，傳統的階比跟蹤方法用在變轉速機械，特別是升、降速速率較高時，由于瞬時頻率無法跟蹤只能采用預設，又由于等角度重采樣是通過硬件的再次采樣，因此，階比跟蹤會出現大的誤差，甚至是錯誤的分析結果。

為解決現有技術的問題，提出一種由固定的采樣頻率實現旋轉機械振動信號同步階比跟蹤分析方法，通過由固定的采樣頻率實現精確的等角度采樣，不存在頻率混亂現象，也就是轉軸每轉動一次，采樣點對應于轉軸上的角度差是一致的，在轉軸上位置是固定的，從而實現準確的整周期同步采樣。

3.2 計算階比分析的具體實施方式

基于重采樣原理的計算階比跟蹤分析實現振動信號整周期同步采樣，它主要能解決因轉速變化而產生的振動頻率模糊現象。算法可以在振動信號采樣頻率不變的情況下，將等時間間隔振動信號轉化為等角度間隔振動信號，計算流程參見圖3。計算階比跟蹤的數據輸入包括等時間采樣間隔的振動信號和轉速脈沖信號（由鍵相信號提供每轉1個），根據設備工作轉速確定振動分析頻率范圍，確定分析階比數M。對采集到的轉速脈沖信號進行2×M倍插值，獲得等角度信號樣本的時間序列。對等時間間隔采集的振動信號進行抗混濾波并依據等角度樣本時間序列插值重采樣，將時域等間隔振動信號轉化為角域等角度振動信號。對角域振動采樣信號進行快速傅立葉變化（FFT），得到振動信號階比譜與各階振動波形。其具體步驟是：

①信號采集。信號采集裝置的采樣頻率固定，采樣頻率最低應大于2×M倍工作轉速，連續采集振動信號和轉速脈沖信號。

②轉速估計。算法設定轉速脈沖電壓的觸發閾值，標定轉速脈沖信號的上升沿或下降沿的時間，計算兩個連續轉速脈沖的時間間隔。這樣就可以確定設備旋轉一周的轉速和對應的瞬時頻率。

③等角度振動信號時間序列。對每周期的轉速脈沖間隔進行2×M倍插值。確定時域等時間隔振動信號轉化為角域等角度信號所對應的時間序列。插值算法采用級聯積分梳狀濾波器[1]。

④根據轉速估計和等角度振動信號時間序列。首先根據轉速估計對采集的等時間隔振動信號進行數字抗頻率混疊濾波。然后依據角域等角度時間序列插值技算得到對應的均角振動信號。

⑤對角域等角度振動信號進行FFT頻譜分析，得到振動頻譜和階比譜，各階振動波形可通過恒帶寬濾波[2]或者Gabor變換[3]得到。

本實施例實時跟蹤的實現：每采集0.25秒就進行一次信號分析，信號重采樣頻率是根據實際轉動頻率（因為信號已經完成采集，根據信號進行精確計算的）進行調整的，而非硬件方式下，由上一次轉動頻率值，對下一次轉動頻率進行預測，再對采樣頻率進行調整。

實施例中，所述的插值重采樣算法是線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或者sinc插值算法中的一種。在精度運行范圍內，最佳方案是采用線性插值，速度快，準確精度高。

實施例中，所述階比數M是2的n次方，n是4或4以上的正整數。最佳n是6，速度快，精度已基本滿足要求。

實施例中，所述數字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器。

本實施例中：

①如圖3所示，按照某一固定的采樣頻率;如圖3所示，同步采集旋轉機械的一路轉速鍵相脈沖信號，N路振動信號，如圖4所示。

②對鍵相脈沖信號，根據上升（或下降）沿電壓值大小人為指定閾值，或按照某一算法，由統計學規律，自動計算閾值大小。根據這一閾值，由檢波算法，如圖5所示，準確識別和記錄鍵相脈沖信號上升沿（或下降沿）的到達時間t0、t1、t2…tN。

③如圖6所示，由兩個脈沖間的時間差，dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtN-1=tN-tN-1，計算轉速rpm和瞬時頻率f。

④如圖7所示，根據轉速估計對采集的等時間隔振動信號進行數字抗頻率混疊濾波。然后依據角域等角度時間序列插值技算得到對應的均角振動信號。

⑤圖8所示為對等角度振動信號FFT分析得到的旋轉機械振動階比譜。

采用本實施例方法，使用美國NI公司的24位數據采集USB4432，無需添加任何其他硬件（如鎖相環、倍頻電路等），由1個光電傳感器和4個振動傳感器分別采集1路轉速鍵相信號和4路振動信號，即構成了一個高精度振動信號采集分析系統，實現變轉速振動信號階比跟蹤采集和階比分析功能。

本實施例方法目的是實現精確的等角度采樣，也就是轉軸每轉動一次，采樣點對應于轉軸上的角度差是一致的，在轉軸上位置是固定的，從而實現準確的整周期同步采樣。

4 ?結束語

汽輪發電機組遠程監測技術經過十余年的發展，目前進入了滯脹期，究其原因，一是：技術陳舊落后，導致采集的振動數據無法達到故障診斷的要求;二是，故障振動系統的人工智能化停滯不前。本文在基于PXI總線和技術階比跟蹤技術的監測系統，在動態信號數據采集和分析方面基于先進的測控儀表PXI總線和計算階比振動信號分析技術對現有監測系統進行了全面的技術提升。下一步將在遠程系統的智能診斷方面進行研究和突破。

參考文獻：

[1]陳路俊，趙軍.積分梳狀濾波器（CIC）的分析與設計[J].信息通信，2015（1）：80-82.

[2]賈建蕊，馬延爽，張英.一種恒定帶寬可調濾波器的設計[J].無線電工程，2015（9）：45-48.

[3]非平穩旋轉機械故障診斷中的時—頻階比分析研究[D].北京交通大學，2012.