丁 鈺，楊旭輝，楊超杰

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基于LabVIEW的水電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 鈺1，楊旭輝2，楊超杰1

（1. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000；2. 國網(wǎng)新源陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西 西安 710061）

相對智能化較低的傳統(tǒng)儀器，采用基于LabVIEW軟件為開發(fā)平臺的高技術(shù)虛擬儀器，研制水輪發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水輪發(fā)電機(jī)組振動信號的數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)處理與顯示及結(jié)果控制與儲存。對機(jī)組振動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷，及時(shí)采取措施將振動故障限制在允許范圍內(nèi)，這項(xiàng)工作對水輪發(fā)電機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有工程實(shí)際指導(dǎo)意義。

水電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測；虛擬儀器

0 前言

水電機(jī)組作為水力發(fā)電中的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對實(shí)際工程的生產(chǎn)發(fā)電、經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備安全等影響巨大，在水電機(jī)組工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動是一種廣泛存在且不可避免的現(xiàn)象。因此，對機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的振動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且對要發(fā)生的故障及時(shí)控制，對水電機(jī)組的安全運(yùn)行乃至對整個(gè)水電廠安全生產(chǎn)都具有重要的意義。而目前對水電機(jī)組的振動監(jiān)測多數(shù)情況仍采用以硬件為主的傳統(tǒng)儀器，它是由生產(chǎn)廠家提前先定義設(shè)計(jì)且不可更改的固定測量系統(tǒng)構(gòu)成[1]。由于傳統(tǒng)儀器缺乏靈活性，其功能的擴(kuò)展性及整體性較差、開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高，有時(shí)盡管資金投入很大，仍很難滿足實(shí)際生產(chǎn)中的各種需求。而計(jì)算機(jī)技術(shù)和測試技術(shù)的不斷更新快速發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器的弊端，使得用戶本身可以靈活設(shè)計(jì)并使用，也可根據(jù)實(shí)際需求使用者自己定義儀器的功能。從新型觀念與技術(shù)變化來看，虛擬監(jiān)測系統(tǒng)用顯示器取代了傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備面板、將信號處理變成系統(tǒng)軟件的核心并采用面向總線接口的控制技術(shù)，這樣用戶可以通過軟件工具設(shè)計(jì)組建各種智能化監(jiān)測系統(tǒng)[2]。運(yùn)用這種新型虛擬儀器監(jiān)測技術(shù)，在實(shí)際工程監(jiān)測方面更具有靈活性、適用性以及更高性價(jià)比等優(yōu)勢。

目前來講，國內(nèi)在機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方面研究取得一定的成果，也有個(gè)別公司嘗試把虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用在水力機(jī)組振動監(jiān)測上，并取得一些進(jìn)展。但實(shí)際證明，系統(tǒng)理論研究與工程應(yīng)用之間仍存在一定的差異。水電機(jī)組振動監(jiān)測技術(shù)與當(dāng)前領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合是其發(fā)展趨勢，其發(fā)展方向是系統(tǒng)中選擇傳感器的精確化、敏感化，LabVIEW軟件模型的多元化，監(jiān)測技術(shù)的智能化，對機(jī)組進(jìn)行全方位多角度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在水電廠的水力發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)方面，運(yùn)用高性能虛擬儀器技術(shù)必定會促進(jìn)將來的振動監(jiān)測和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展[3]。

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不同部件及部位都有可能發(fā)生振動，根據(jù)機(jī)組振動原因及類型，機(jī)組振動檢測對象的測點(diǎn)位置布置反應(yīng)了測試系統(tǒng)的功能范圍。水輪發(fā)電機(jī)組可能產(chǎn)生振動的主要部件有轉(zhuǎn)動部件、上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋、尾水管等。本文以某水電站為例，其電站額定水頭97m，選用立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號為HLD33B-LJ-218，額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，發(fā)電機(jī)型號為SF34-18/5100，額定轉(zhuǎn)速333.3r/min。下文將對該水電站進(jìn)行基于LabVIEW技術(shù)的機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 LabVIEW和虛擬儀器技術(shù)介紹

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是由美國國家儀器公司(National InstrumentCorporation，簡稱NI)創(chuàng)立的一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具。LabVIEW是一種圖形化編程語言(又稱為G語言)，它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何采用文本編程的高級語言，同時(shí)還具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫，這些擴(kuò)展函數(shù)庫主要面向數(shù)據(jù)采集、GPIB和串行儀器控制，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等[4]。用這種語言編程時(shí)，不同于C++、Visual Basic等編程語言，它基本不用寫程序代碼，取而代之的是用圖標(biāo)、連線和框圖構(gòu)成的圖形化編程語言，但編程和思維過程還很相似，卻使得操作簡單直觀易懂。大多類型平臺的操作系統(tǒng)都支持LabVIEW軟件，借助任意平臺研發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序都可直接轉(zhuǎn)移到其它操作系統(tǒng)上。通過LabVIEW軟件來創(chuàng)造與真實(shí)物理面板相似的虛擬面板，該軟件已成為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、測試結(jié)果的顯示等方面的領(lǐng)先開發(fā)平臺[5]。

LabVIEW是虛擬儀器中不可缺少的一部分，為用戶提供簡單易用的程序開發(fā)軟件平臺。利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)功能、高效的處理數(shù)字信號和超強(qiáng)的控制性能，結(jié)合運(yùn)用高精度的A/D、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（DAQ數(shù)據(jù)采集卡），組成了虛擬儀器對振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)專屬儀器系統(tǒng)，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同等甚至更強(qiáng)大的功能，如圖1所示。虛擬儀器可重復(fù)使用，技術(shù)更新和功能擴(kuò)展只需相關(guān)軟件的更新，不需要增加新的設(shè)備，與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器具有以下性能特點(diǎn)[6,7]：（1）智能化程度高，系統(tǒng)處理能力強(qiáng)，技術(shù)更新時(shí)間短，系統(tǒng)組建和集成更方便；（2）可操作性比較強(qiáng)，花銷費(fèi)用比較低；（3）系統(tǒng)開放、靈活，與計(jì)算機(jī)的進(jìn)步同步，未來擴(kuò)展開發(fā)更容易；（4）測量精度和可重復(fù)性更高，用戶定義測量功能更容易；（5）開關(guān)和電纜等連接件較少，極易與其他設(shè)備連接。

圖1 虛擬儀器信號監(jiān)測系統(tǒng)基本框架

2 水電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由基礎(chǔ)硬件平臺和硬件接口模塊組成[8]。其中，基礎(chǔ)硬件平臺是虛擬儀器的心臟，采用是臺式計(jì)算機(jī)，用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)分析功能。硬件接口模式主要用于采集、分析、傳送信號，包括各種傳感器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、信號調(diào)理器等。本系統(tǒng)采用的傳感器為國產(chǎn)的DP型振動傳感器，其下限頻率可達(dá)1Hz。通用接口總線用來把獨(dú)立的儀器連接到計(jì)算機(jī)上，虛擬儀器接口常見總線形式有GP-IB虛擬儀器測試系統(tǒng)、串口總線（RS232）測試系統(tǒng)、PC-DAQ/PCI插卡式、VXI 和PXI 總線測試系統(tǒng)或它們之間的隨意結(jié)合系統(tǒng)。其中，PC-DAQ/PCI插卡式是虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)中最實(shí)用最廉價(jià)最常用的接口總線構(gòu)成方式。由此，本系統(tǒng)也采取PC-DAQ/PCI插卡式。振動監(jiān)測系統(tǒng)虛擬儀器的硬件工作組成，在水電機(jī)組測點(diǎn)處用振動傳感器將其接受到的的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)由信號調(diào)理轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡將離散化后的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示等過程，以代替并完善傳統(tǒng)測試儀的功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，通過設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)不同功能，這樣一個(gè)完整的虛擬儀器系統(tǒng)就構(gòu)造出來了。而軟件是虛擬儀器的靈魂，是直接決定整體監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。用戶通過采用以LabVIEW軟件為虛擬儀器專用開發(fā)平臺修改或編程軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模。采用美國NI公司研發(fā)的LabVIEW圖形化編程軟件作為開發(fā)工具，LabVIEW軟件編程開發(fā)環(huán)境由前面板（Front Panel）和程序框圖（Program Chart）以及圖標(biāo)/連接設(shè)計(jì)（Icon/Connector）三部分組成[9]，提供了豐富的函數(shù)關(guān)系庫式和子程序系統(tǒng)庫，通過這些實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的軟件化，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際技術(shù)要求的振動監(jiān)測系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，系統(tǒng)軟件模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、輔助功能模塊[10]。具體而言，通過軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)后需要實(shí)現(xiàn)簡單的分析工作，包括數(shù)據(jù)分析、快速傅里葉分析、啟停狀態(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)的分析、現(xiàn)實(shí)不同監(jiān)視圖像分析、狀態(tài)報(bào)告打印等[11]。對需要分析診斷的所有狀態(tài)信息進(jìn)行整合與管理，將涉及到的信號分析和函數(shù)分析等綜合起來，并結(jié)合其他模塊對信號進(jìn)行處理，及時(shí)判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對監(jiān)測出的振動故障發(fā)生的部位、原因等給出相應(yīng)的檢修方法，為機(jī)組的振動故障管理提供指導(dǎo)[12]。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

結(jié)合上述設(shè)計(jì)方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對該水電站進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以讓用戶看到各監(jiān)測對象隨時(shí)間的變化，監(jiān)測對象的振動數(shù)據(jù)以棒形圖或者波形圖的形式顯示[13]。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)模塊還可以對比各通道監(jiān)測對象的振動幅度大小，在監(jiān)測過程中，系統(tǒng)可以通過監(jiān)測界面上的數(shù)字來顯示振動幅度大小，并根據(jù)幅度大小來改變棒形圖顏色以提醒用戶，振幅正常時(shí)用綠色顯示，限制范圍內(nèi)用黃色顯示，超過系統(tǒng)設(shè)定值用紅色顯示，并在幅值超過正常范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒監(jiān)測人員及時(shí)處理。棒形圖監(jiān)測子VI流程圖如圖2所示。

由圖3可以看出，由發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承處采集到的的振動信號波形，經(jīng)過濾波、除燥等一系列處理后，得到類似正弦波的振動信號，且其振動頻率為11.01Hz，振動頻率約為發(fā)電機(jī)大軸轉(zhuǎn)頻的2倍。通過分析可得，造成振動的原因可能為發(fā)電機(jī)定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外圓之間的氣隙不均勻，在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生不平衡磁拉力引起的。造成定、轉(zhuǎn)子之間氣隙不均勻的原因有可能是由于發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子不圓，或定、轉(zhuǎn)子不同心，也可能是轉(zhuǎn)子磁極在運(yùn)行中出現(xiàn)松動、熱變形或其他原因造成的。為了防止由定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均造成的機(jī)組振動，在設(shè)計(jì)制造時(shí)，應(yīng)精心設(shè)計(jì)，提高定、轉(zhuǎn)子的圓度，及安裝時(shí)對同心度的要求，加強(qiáng)安裝要求，避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在運(yùn)行中出現(xiàn)松動現(xiàn)象[14]。

圖2 棒形圖監(jiān)測子VI流程圖

系統(tǒng)從機(jī)組下導(dǎo)軸承處的傳感器接收振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，對此電信號進(jìn)行時(shí)域波形分析，所得分析結(jié)果如圖3所示，從而分析得出機(jī)組產(chǎn)生振動的部位及分析可能產(chǎn)生振動的原因。

圖3 振動信號分析結(jié)果圖

圖4中所示信號為設(shè)置在機(jī)組尾水管處的傳感器感受到的振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過對其電信號進(jìn)行頻域分析后，所得分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 振動信號分析結(jié)果圖

由圖4可以知道，經(jīng)過濾波后的信號是一不規(guī)則的波形，經(jīng)FFT變換處理后可以得到振動中主要信號的頻率約為1Hz，屬于低頻振動，由此可以判斷出引起該振動的原因是尾水管內(nèi)水流產(chǎn)生渦帶而引起壓力脈動造成的。尾水管內(nèi)產(chǎn)生低頻渦帶可能是由于機(jī)組在運(yùn)行時(shí)偏離最優(yōu)工況致使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口處水流具有一定的圓周分量，從而產(chǎn)生渦帶。為了消除由尾水管渦帶造成的壓力脈動，可以采取優(yōu)化水力設(shè)計(jì)，使機(jī)組盡可能在設(shè)計(jì)工況內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)可以加長泄水錐、加長尾水管錐段等改變水流流動及旋轉(zhuǎn)等措施[15]。

4 結(jié)束語

通過對監(jiān)控系統(tǒng)的研究以及對相關(guān)資料的收集和整理，充分了解狀態(tài)監(jiān)測在水電機(jī)組運(yùn)行中的重要作用。以LabVIEW為軟件平臺開發(fā)研制出一套面向水輪發(fā)電機(jī)組振動的具有比較完善的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成振動信號的及實(shí)采集，將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器中，具有高效、簡單的特點(diǎn)。本文對某水電站水電機(jī)組進(jìn)行振動狀態(tài)監(jiān)測，又對機(jī)組下導(dǎo)軸承處測點(diǎn)的振動信號進(jìn)行分析，以棒形圖和波形圖顯示出來，使得監(jiān)測、查詢和分析都及其具體直觀，表明該系統(tǒng)監(jiān)測效果良好。系統(tǒng)通過對設(shè)備的監(jiān)測，能夠?qū)崟r(shí)分析運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題并及時(shí)進(jìn)行處理，可以為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究依據(jù)，有著很高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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Hydro Turbine Vibration Monitoring System Design Based on LabVIEW

DING Yu1, YANG Xuhui2, YANG Chaojie3

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China;2. Shaanxi Zhen’an net Source Pumped Storage Power Co., Ltd., Xi’an 710061, China)

Compared with traditional instruments with lower intelligence and on the basis of theLabVIEW software as an advanced virtual instrument development platform, this study built up a monitoring and diagnosis system of vibration stateof hydroelectric generating set. The systemwill realize the data collection, statistical analysis, data processing and control, data storage and display of the vibration signals of hydroelectric generating set. The system also monitored the vibration state and fault diagnosis in real-time so that measures can be implemented timely to limit the vibration fault in an allowable scope.The work to the safe and stable operation of hydro-generator units has guiding significance to the practical engineering.

hydroelectric generating set; condition monitoring; virtual instrument

TK730.8

A

1000-3983(2017)06-0052-04

2017-04-17

丁鈺（1993-），華北水利水電大學(xué)在校研究生，主要研究熱能與動力工程（水動方向）。