基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 紅，郎 朗

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404155）

0 引言

作為重要的電力生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)電機(jī)的構(gòu)造十分復(fù)雜，并且運(yùn)行環(huán)境較為特殊，很容易發(fā)生振動(dòng)故障，從而產(chǎn)生位移現(xiàn)象，這種故障會(huì)帶來很大的危害，因此發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量一直是重要的故障預(yù)防與診斷步驟。振動(dòng)是一項(xiàng)與發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)息息相關(guān)的重要指標(biāo)，振動(dòng)位移測(cè)量這一概念是隨著發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)而提出的[1]。

近些年來，伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展腳步越來越快，發(fā)電機(jī)機(jī)組越來越自動(dòng)化和復(fù)雜化，且當(dāng)前社會(huì)對(duì)電力生產(chǎn)設(shè)備也提出了更高的可靠性要求[2]。一旦發(fā)電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)故障將會(huì)造成發(fā)電機(jī)組的突然停機(jī)從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這對(duì)振動(dòng)位移測(cè)量的精確度提出了更高的要求，其測(cè)量精確度必須匹配當(dāng)前的電力生產(chǎn)現(xiàn)狀。振動(dòng)位移測(cè)量除了需要一定的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)以外，還必須掌握一定的分析能力與科學(xué)的基礎(chǔ)理論，只有這樣才能獲得更加精確的測(cè)量數(shù)據(jù)[3]。

當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)還有很多企業(yè)主要依靠人工進(jìn)行發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量，利用比、摸、查、看等方式對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)備實(shí)施振動(dòng)位移測(cè)量，通過相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，利用人工可以對(duì)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，然而這種手段具備不完備性與局限性，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前電力生產(chǎn)的設(shè)備可靠性需求，雖然有些企業(yè)也引進(jìn)了很多發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)需要測(cè)試者具備一定的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，很多時(shí)候都難以獲得較為精確的測(cè)量結(jié)果。為此，本研究提出一種基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，無需測(cè)試者即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，并且測(cè)量結(jié)果較為精確。

1 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括CPU、激光傳感器與振動(dòng)速度傳感器、顯示器。

1.1 CPU設(shè)計(jì)

CPU是發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，它的選擇會(huì)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)整體性能與結(jié)構(gòu)造成影響，因此選擇時(shí)必須對(duì)價(jià)格、開發(fā)方便性、工作穩(wěn)定性以及系統(tǒng)功能等因素進(jìn)行綜合考量[4]。為了滿足系統(tǒng)的測(cè)量精度要求，選擇TMS235系列單片機(jī)中的LF2327系列DSP作為發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的 CPU。LF2327系列DSP的具體特點(diǎn)如表1所示。

表1 LF2327系列DSP具體特點(diǎn)

LF2327系列DSP是Texas儀器公司生產(chǎn)的一種數(shù)字信號(hào)專業(yè)處理器芯片，信號(hào)處理能力較強(qiáng)，并且處理速度較快，其具體配置如表2所示。

表2 LF2327系列DSP具體配置

表2 （續(xù)）

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的傳感器包括激光傳感器與振動(dòng)速度傳感器。其中激光傳感器是基于激光傳感進(jìn)行設(shè)計(jì)的傳感器，主要利用激光進(jìn)行傳感，采用HAA系列的光電霍爾開關(guān)，能夠提升發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，其工作溫度在未結(jié)冰狀態(tài)下能夠達(dá)到零下三十?dāng)z氏度至零上八十?dāng)z氏度，能夠適應(yīng)較為嚴(yán)酷的環(huán)境，方便各種環(huán)境下的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量；其復(fù)振幅為1mm、各個(gè)方向可以達(dá)到兩個(gè)小時(shí)，抗振動(dòng)性能能夠達(dá)到10Hz～55Hz周期每分鐘；其響應(yīng)頻率可以達(dá)到4OOOHz；其輸出電流可以達(dá)到100mA。

振動(dòng)速度傳感器則采用MLV-5系列的速度傳感器，其安裝方式為利用連接磁器座來安裝與固定振動(dòng)速度傳感器，采用這種方式便于測(cè)量完成后的拆除[5]。其輸出電阻為500Ω以下；工作方向?yàn)椤?0°；可以使用的溫度范圍在-30℃～＋120℃；其靈敏度在200mv/cm/s±5%范圍內(nèi)；其頻率響應(yīng)約為10Hz～1000Hz。激光傳感器與振動(dòng)速度傳感器的連接電路圖如圖1所示。

圖1 傳感器連接電路圖

而激光傳感器和振動(dòng)速度傳感器與LF2327系列DSP芯片的16路通道所對(duì)應(yīng)的相應(yīng)真值表如表3所示。

表3 相應(yīng)真值表

表3 （續(xù)）

1.3 顯示器設(shè)計(jì)

為發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)配備一塊液晶顯示器，采用LCD顯示屏作為系統(tǒng)儀表儀器的輸出顯示屏，選擇的液晶顯示器為T6942C驅(qū)動(dòng)控制器，利用間接控制與直接訪問相結(jié)合的方式連接LF2327系列DSP芯片與T6942C液晶模塊，也就是利用LF2327系列DSP芯片的I/O腳接口IOPA0-IOPA7與IOPB4-IOPB7作為T6942C液晶模塊的讀信號(hào)、寫信號(hào)、指令數(shù)據(jù)寄存器的片選信號(hào)、選擇信號(hào)以及數(shù)據(jù)總線。T6942C液晶模塊的顯示電路如圖2所示。通過CPU、激光傳感器與振動(dòng)速度傳感器、顯示器的設(shè)計(jì)完成了基于激光傳感的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

圖2 T6942C液晶模塊顯示電路

2 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分包括振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量模塊、波形顯示模塊。

2.1 振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量模塊

振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量模塊主要是利用激光傳感來進(jìn)行發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移的測(cè)量，首先在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圓周上隨機(jī)選定一個(gè)位置，并在該位置處貼一個(gè)白紙片，接著在離發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子距離適當(dāng)處設(shè)置激光傳感系統(tǒng)，用激光傳感系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)圓周，開啟發(fā)電機(jī)使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一次白紙片經(jīng)過激光傳感系統(tǒng)，激光傳感系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)過激光電阻后信號(hào)將會(huì)形成激光脈沖，利用位置計(jì)量系統(tǒng)對(duì)激光脈沖每次出現(xiàn)的位置偏差進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)量，最后對(duì)連續(xù)出現(xiàn)的位置偏差進(jìn)行計(jì)算就能獲取發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移數(shù)值。其中振動(dòng)位移數(shù)值的計(jì)算公式如下：

其中，n代表振動(dòng)位移數(shù)值；T代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期；T1CNT代表激光脈沖每次出現(xiàn)的位置偏差；Ni代表激光脈沖的系統(tǒng)標(biāo)定，即計(jì)算振動(dòng)位移數(shù)值的影響系數(shù)，標(biāo)定激光脈沖的前提是在加試重和不加試重的狀況下分別對(duì)發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移相位與幅值分別進(jìn)行計(jì)算，激光脈沖的系統(tǒng)標(biāo)定Ni的計(jì)算公式如下：

其中，X01代表不加試重時(shí)發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移幅值；01代表不加試重時(shí)發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移相位；X11代表加試重時(shí)發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移幅值；01代表加試重時(shí)發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移相位；RB代表所加試重的距離；GB代表所加試重的重量；t代表發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量的不平衡量幅值；g代表發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量的不平衡量相位。

2.2 波形顯示模塊

波形顯示模塊包括時(shí)域波形顯示子模塊與頻域波形顯示子模塊。時(shí)域波形顯示子模塊能夠采集發(fā)電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)，利用采集到的時(shí)域信號(hào)可以形象而直觀的掌握電機(jī)支撐處的振動(dòng)狀況，利用時(shí)域信號(hào)還可以判斷電機(jī)支撐處是否存在一些不平衡故障；頻域波形顯示子模塊能夠繪制表現(xiàn)時(shí)域波形特征的樅樹形頻譜圖，方便、直觀的顯示電機(jī)支撐處的振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)幅值譜圖，以振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)幅值譜圖為依據(jù)可以判斷電機(jī)支撐處是否存在一些嚴(yán)重不平衡故障并掌握嚴(yán)重不平衡故障的具體狀況。

3 實(shí)驗(yàn)分析與研究

為了檢測(cè)本文提出的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

利用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)并基于MATLAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加載基于激光傳感的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)，隨機(jī)選取一臺(tái)發(fā)電機(jī)并對(duì)其分別加載100kHz、250kHz的振動(dòng)頻率，實(shí)際測(cè)量該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移，確定該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移曲線，并再次利用基于激光傳感的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，與實(shí)際結(jié)果相比較，得出發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的精確度。為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，使用基于虛擬儀器的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)、基于激光多普勒干涉的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)、基于高度動(dòng)態(tài)視覺的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)與本文提出的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行比較，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較各個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果精確度。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別利用基于虛擬儀器的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)、基于激光多普勒干涉的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)、基于高度動(dòng)態(tài)視覺的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)、基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果精確度對(duì)比如圖3、圖4所示。

圖3 100kHz振動(dòng)頻率的測(cè)量結(jié)果精確度對(duì)比

通過圖3、圖4可知，基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的平均測(cè)量結(jié)果精確度約為86.4%；基于虛擬儀器的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的平均測(cè)量結(jié)果精確度約為72.3%；基于激光多普勒干涉的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的平均測(cè)量結(jié)果精確度約為66.8%；基于高度動(dòng)態(tài)視覺的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)的平均測(cè)量結(jié)果精確度約為54.3%。通過比較可知，本文設(shè)計(jì)的基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果精確度更高。

圖4 250kHz振動(dòng)頻率的測(cè)量結(jié)果精確度對(duì)比

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了基于多傳感技術(shù)的發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，通過LF2327系列DSP芯片的引入提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，并且該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果精確度高于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)，展現(xiàn)了該系統(tǒng)的優(yōu)越性。