專利名稱：大型旋轉機械設備智能采集監(jiān)測裝置及采集監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械設備狀態(tài)的監(jiān)測診斷領域，尤其涉及一種應用于大型旋轉機械的智能采集監(jiān)測裝置及采集監(jiān)測方法。
背景技術：
在當前大型旋轉機械設備狀態(tài)監(jiān)測領域和市場上，有多種監(jiān)測裝置。比如常用的基于PCI(Peripheral Controller Interface，外圍控制器接口)總線的普通監(jiān)測裝置等，它們只能滿足民用使用條件。此外有些新型監(jiān)測系統(tǒng)也采用了DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)處理器。但是目前針對大型旋轉機械，國內缺少面向這類關鍵設備的專業(yè)采集監(jiān)測裝置。我國現(xiàn)階段大型旋轉機械的實時狀態(tài)監(jiān)測大多采用基于PCI總線的普通監(jiān)測裝置，該裝置不但對應用現(xiàn)場要求高，而且由于沒有實時信號處理能力，不能滿足系統(tǒng)的實時監(jiān)測要求。目前由于缺乏對設備運行狀態(tài)的準確劃分，因此對監(jiān)測設備突發(fā)事件的全過程有效的監(jiān)測以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲很難以實現(xiàn)，不能為故障診斷提供完整、有效地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種應用于大型旋轉機械的智能采集監(jiān)測裝置及采集監(jiān)測方法，該裝置基于CPCI(Compact Peripheral Controller Interface，緊湊型外圍控制器接口)總線，適用于大型旋轉機械的正常運行狀態(tài)或特殊狀態(tài)的全過程實時監(jiān)測，可為大型旋轉機械故障的診斷提供完整、有效地監(jiān)測數(shù)據(jù)。
實現(xiàn)上述發(fā)明所說的的智能采集監(jiān)測裝置的技術解決方案包括信號增益調節(jié)及濾波模塊1、信號零漂調節(jié)模塊2、參考電壓模塊3、電壓模塊4、模擬/數(shù)字A/D轉換模塊5、數(shù)字信號DSP處理器6、外圍控制器CPCI接口電路7、控制電路9、DSP處理器擴展存儲器10，信號輸入11，其中信號增益調節(jié)及濾波模塊1與信號零漂調節(jié)模塊2的輸入端相連；參考電壓模塊3與信號零漂調節(jié)模塊2的輸入端相連，A/D轉換模塊5的輸入端分別與參考電壓模塊3、信號零漂調節(jié)模塊2、控制電路9的輸出端相連；控制電路9的輸出端分別與信號增益調節(jié)及濾波模塊1、信號零漂模塊2、A/D轉換模塊5、DSP處理器6的輸入端相連，DSP處理器擴展存儲器10的輸出端與DSP處理器6的輸入端相連，CPCI接口電路7的輸入端與CPCI總線相連，其輸出端與DSP處理器6相連；信號輸入11可以進行8通道同步輸入，每通道相對于11個量程的差分輸入信號滿量程范圍為±0.02V-±20.0V，其量程可獨立設置；、輸入信號頻率范圍為0HZ～50KHz。本裝置由CPCI總線單一供電，并通過電壓模塊4進行電壓轉換，提供本裝置各功能模塊所需的各種工作電壓。
本裝置的實現(xiàn)基于CPCI總線和DSP處理器的硬件設備，依據(jù)被監(jiān)測設備自身動態(tài)運行數(shù)據(jù)所構建的設備運行狀態(tài)驅動模型，實現(xiàn)本裝置監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)自適應設置和調整，形成一套針對大型旋轉機械設備的智能狀態(tài)監(jiān)測裝置。
實現(xiàn)本發(fā)明所說的用于大型旋轉機械設備的智能采集監(jiān)測方法，其特點在于該采集監(jiān)測方法的技術解決方案包括a、首先通過以下三種方法采集被監(jiān)測設備的工作轉速1)硬件外部觸發(fā)獲取工作轉速ωh；
2)鑒相信號計算獲取工作轉速ωs；3)從信號接入端任意選許兩個通道，設定他們?yōu)檗D速參考通道，分別從它們的頻譜中提取主頻計算工作轉速ω1和ω2；b、然后對所獲取的工作轉速振動信號、速度、加速度信號和工藝量信號進行數(shù)字濾波去噪，數(shù)據(jù)變換并提取信號時域、頻域特征值1)用濾波器進行濾波；2)采用離散哈特萊變換時頻變換算法；3)特征值提取包括①工作轉速的提取將包含完整周期的數(shù)據(jù)點個數(shù)計算出來，再除以完整的周期個數(shù)得到脈沖周期，最后計算出轉速；②振動峰峰值提取計算表達式如下x~pp=1nΣi=0n-1[max(x(i*l+j))-min(x(i*l+j))]i=1ld]]>其中x(i)為機組振動的時域信號，其長度為nl，n為主周期的個數(shù)，l為每個主周期的點數(shù)，可由轉速和采樣間隔求出l=60*fsrpm,]]>其中fs為采樣間隔，rpm為轉速；③信號有效值提取離散序列x(i)有效值xrms的計算公式為xrms=1NΣi=1n|x(t1)|2]]>其中N為采樣點數(shù)；④頻譜校正及主頻提取采用抗泄露窗函數(shù)為漢寧窗的主瓣中進行頻譜校正，其主瓣中心頻率校正公式
則主瓣中心頻率為2πN(k+Δk),]]>其中Yk-1，Yk和Yk+1為主瓣內的3條譜線，其中Yk最大，N為采樣點數(shù)；⑤頻率特征值的提取設主頻為f1，主頻最大誤差為Δf/2，搜索n倍頻的范圍為當主頻在[f1，f1+Δf/2]以內時，搜索[fn,fn+n2Δf]]]>當主頻在[f1-Δf/2，f1]以內時，搜索[fn-n2Δf,fn]]]>其中fn為根據(jù)譜線計算的n倍頻頻率值，fn＝nf1；c、根據(jù)以上信號時域、頻域特征值，進行門限警報當特征值超出預設報警值，監(jiān)測裝置發(fā)出警報，并標注警報等級；d、進行監(jiān)測設備狀態(tài)即非運行狀態(tài)、啟機狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、停機狀態(tài)和異常狀態(tài)的識別，通過設備狀態(tài)識別決定當前監(jiān)測數(shù)據(jù)是否進行數(shù)據(jù)上傳、備份等操作1)非運行狀態(tài)是指當轉速小于ωmin時認為監(jiān)測設備停止；2)啟停機和穩(wěn)定狀態(tài)是當機組轉速超越ωmin時，啟機狀態(tài)開始，直到轉速降低返回未運行狀態(tài)，當機組轉速低于穩(wěn)停轉速時，進入停機狀態(tài)，直到轉速低于ωmin時轉化為未運行狀態(tài)；3)每間隔固定的時間，存儲并發(fā)送一組數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)在時間意義上的連續(xù)性和完整性；4)存儲并發(fā)送監(jiān)測設備啟停機的所有數(shù)據(jù)；5)丟棄監(jiān)測設備非運行狀態(tài)的所有數(shù)據(jù)；6)存儲監(jiān)測設備異常狀態(tài)下的所有數(shù)據(jù)，若機組轉入異常狀態(tài)，則發(fā)送該組數(shù)據(jù)；若機組持續(xù)處于異常狀態(tài)，通過監(jiān)測其特征值變化速率是否超過趨勢報警門限，如果超過則發(fā)送該組數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送；
e、采用前一次采集獲取的轉速，并將它記為ω0，將這些轉速值記為W，以完成監(jiān)測任務，得到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)ωnewW＝[ωh，ωs，ω1，ω2，ω0]每一個轉速值都有可信度，記為HH＝[hh，hs，h1，h2，h0]T則ωnew＝W×H。
大型旋轉機械主要具有轉速，振動，工藝類型等信號。本發(fā)明通過對旋轉機械信號進行分類調理、放大及抗混濾波，保證了采集信號的靜態(tài)量和動態(tài)量精度。


圖1是本發(fā)明的結構組成方框圖；圖2是本發(fā)明的組成原理圖；圖3是本發(fā)明的信號零漂補償組成原理圖；圖4是本發(fā)明的參考電壓模塊組成原理圖；圖5是本發(fā)明的外形機構前面板示意圖；圖6是本發(fā)明的智能監(jiān)測程序方框圖；具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
參見圖1的結構組成方框圖，本裝置的組成為，由信號輸入11提供信號輸入，信號增益調節(jié)及濾波模塊1與信號零漂調節(jié)模塊2的輸入端相連；A/D轉換模塊5的輸入端分別與參考電壓模塊3、信號零漂調節(jié)模塊2、控制電路9的輸出端相連；控制電路9的輸出端分別與信號增益調節(jié)及濾波模塊1、信號零漂調節(jié)模塊2、A/D轉換模塊5、DSP處理器6的輸入端相連；DSP處理器擴展存儲器10的輸出端與DSP處理器6的輸入端相連；外圍控制器CPCI接口電路7的輸入端與CPCI總線相連，其輸出端與DSP處理器6相連；電壓模塊4由CPCI總線單一供電(電壓為+12V)，選用線性電源L1085、L7805、L7905、L7809、L7909經(jīng)過電壓轉換，其輸出端與各功能模塊的相應電源輸入端相連。
圖2是與圖1所對應的電路原理示意圖。
信號增益調節(jié)及濾波模塊1由信號增益調節(jié)和信號低通濾波構成，其輸入端與輸入信號Signal相連，本實施例選用可編程增益放大器PGA205和可編程增益放大器PGA103進行信號增益調節(jié)，由PGA205和PGA103級連構成；PGA205的增益(×1，2，4，8)由其引腳A0，A1決定，PGA103的增益(×1，10，100)由其引腳A2，A3決定，信號增益調節(jié)及濾波模塊1的引腳A0，A1，A2，A3與由控制電路9中的TPIC6B895的對應輸出端連接；信號低通濾波由4階低通濾波器TLC14構成，它的截止頻率等于與輸入時鐘信號頻率，其輸入時鐘信號端與由控制電路9中的TPIC6B895的對應輸出端連接；TLC14的輸入端與PGA205的輸出端連接，其輸出端與信號零漂調節(jié)模塊2的輸入端連接。
參見圖3，信號零漂調節(jié)模塊2主要用于對輸入信號的零漂進行修正，它主要由運算放大器OP07C構成的跟隨器電路14和加法器電路15級連而成。跟隨器的輸入端與信號增益調節(jié)、濾波1的輸出端相連，加法器的輸入端分別與跟隨起的輸出端、控制電路9中的TLC5628C的輸出端相連，控制電路9中的TLC5628C的輸出端通過加法電路為信號的零漂提供誤差補償，信號零漂補償2的輸出端與A/D轉換5的ADS8322的信號輸入端相連。
參照圖4的參考電壓模塊組成原理圖，參考電壓模塊3的輸入端與A/D轉換芯片參考電壓(+2.5V)的輸出端相連，將其轉為參考電壓(+2.5V、-2.5V)輸出，并提供足夠的輸出功率。參考電壓模塊3由運算放大器OP07C構成的跟隨器電路12提供參考電壓電路(+2.5V)，再通過級連的運算器電路13提供參考電壓(-2.5V)，參考電壓3的輸入端與A/D轉換5的參考電壓輸出端相連，其輸出端分別與信號增益及濾波模塊1、A/D轉換模塊5、控制電路9的參考電壓輸入端Ref相連。(其具體實施電路如圖3所示)。
根據(jù)圖2所示，A/D轉換模塊5由A/D轉換芯片ADS8322構成，它的信號正輸入端與信號零漂補償2的輸出端相連，信號負輸入端與地相連，其控制信號CLK(時鐘信號)、CVT(Convert Start，轉換開始)、BYTE(數(shù)據(jù)總線寬度)、CS(Chip Select，片選)輸入端分別與控制電路9中CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)芯片EP20K100EQC240-3對應的輸出端相連，其數(shù)據(jù)線D0..7與控制電路9中的數(shù)據(jù)緩沖器74AHC574的數(shù)據(jù)線相連。
圖2所示的DSP處理器6為TMS329C6711BGFN，它是這個系統(tǒng)的信號分析、處理中心。DSP處理器擴展存儲器10為其提供存儲空間，擴展存儲器10由FLAS存儲器MX29LV040QC提供程序存儲空間，由DRAM存儲器HY57V28820HCT提供數(shù)據(jù)存儲空間?？刂齐娐?的FPGA芯片EP20K100EQC240-3也提供數(shù)據(jù)存儲空間，用于存儲A/D轉換數(shù)據(jù)。DSP處理器6的數(shù)據(jù)線D0..15和地址線A0..20分別與控制電路9、DSP處理器擴展存儲器10、CPCI接口電路7的數(shù)據(jù)線和地址線對應連接，它的控制信號C/BE0..3(Byte Enable，字節(jié)使能)、CS(ChipSelect，片選)、RD(Read，讀)、WR(Write，寫)、OE(Output Enabled，輸出使能)、RDY(Ready，準備就緒)輸出端分別與控制電路9、DSP處理器擴展存儲器10、CPCI接口電路7的輸入端相連接。DSP處理器6的IN4(Interrupt，中斷)、IN5、IN6信號輸入端與控制電路9的輸出端相連接，為DSP處理器提供中斷信號，DSP處理器6的RST(Reset，復位)信號輸入端與控制電路9的輸出端相連接，為DSP處理器提供硬件復位信號。
根據(jù)圖2所示，CPCI接口電路7為芯片PCI2040PGE，在CPCI總線與數(shù)據(jù)采集處理模塊之間提供一個CPCI接口。它的32位數(shù)據(jù)線與CPCI總線相連，其控制信號C/BE0..3(Byte Enable，字節(jié)使能)、PCLK(時鐘信號)、PRST(復位信號)輸入端與CPCI的控制信號輸出端相連，其數(shù)據(jù)輸出端GPI00..5與控制電路9的數(shù)據(jù)輸入端相連。CPCI接口電路7的16為數(shù)據(jù)線與DSP處理器6的數(shù)據(jù)線相連?？刂齐娐?由FPGA芯片EP20K100EQC240-3，串行D/A(Digital/Analog)芯片TPIC6B595、TLC5628C，以及數(shù)據(jù)緩存器74AHC574組成。EP20K100EQC240-3芯片的控制信號0E、CLK輸出端以及數(shù)據(jù)線，與74AHC574的對應輸入端相連接，用于巡回接收8通道A/D轉換數(shù)據(jù)。它的串口輸出端，與串行D/A芯片TPIC6B595、TLC5628C的串口輸入端相連。TPIC6B595用于信號增益放大器的控制，它的輸出端與信號增益調節(jié)及濾波模塊1的輸入端相連；TLC5628C用于信號零漂調節(jié)的控制，它與信號零漂調節(jié)模塊2中的輸入端相連?？刂齐娐?的輸入端與外部觸發(fā)信號ExtTrg和外部時鐘信號ExtClk相連。同時其輸出端與電源指示燈Lamp1，采集運行指示燈Lamp2相連，用于控制和顯示本裝置的工作狀態(tài)。其GPIO0..5(General-purposeInput/Output，通用輸入/輸出口)輸入端與CPCI接口電路7的GPIO0..5輸出端相連接。
參照圖5所示，本裝置的前面板上有電源指示燈、運行指示、信號接入端，以及外觸發(fā)、外時鐘接入端。各符號表示如下CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8為各通道信號輸入端，均以Q9信號線加入信號
EXT TRG外觸發(fā)輸入端；EXT CLK外時鐘輸入端。
本發(fā)明智能監(jiān)測裝置采集硬件的任務在于，利用CPCI總線的高可靠性和DSP處理器的高速運行，通過對被監(jiān)測信號進行分類、調理、放大、抗混濾波、同步高速A/D轉換、數(shù)據(jù)的實時高效緩存和傳，為智能監(jiān)測裝置提供高速、可靠的硬件支持。
大型旋轉機械主要具有轉速，振動，工藝類型信號，本發(fā)明中通過對信號進行分類調理、放大、抗混濾波保證采集信號的靜態(tài)量和動態(tài)量精度。監(jiān)測裝置采用8片TI(美國德州儀器)公司的ADS8322芯片，各通道獨立并行采集，將8通道模擬信號同步轉換成8通道數(shù)字信號，送入DSP處理器進行實時數(shù)據(jù)分析和處理，每通道最高轉換頻率為100KHz，保證了各個通道信號的同步高速采集。每通道相對于11個量程的差分輸入信號滿量程范圍為±0.02V-±20.0V，其量程可獨立設置；每通道信號輸入均可疊加一個12Bit(位)的DAC(Digital/Analog Current，數(shù)字/模擬電流)輸出，相對于11個量程DAC輸出范圍為±0.02V-±20.0V，而且各地通道DAC可獨立設置；每通道的零漂和增益分別由兩個8位D/A轉換芯片進行粗調和細調、細調的精度好于量程范圍的0.01％，各通道每個量程檔DAC信息存儲于1M bit(位)的FLASH Memory(閃存)，故不再需要傳統(tǒng)的電位器手動調節(jié)，而是通過軟件調節(jié)；采樣動作可由外輸入、通道電平、軟件、外觸發(fā)的AND(與)或OR(或)組合邏輯啟動。
DSP處理器選用了TI(Texas Instruments，美國德州儀器)公司的DSP芯片TMS320C6711B。它是一種高速浮點型DSP，速度快適用于數(shù)據(jù)運算，功耗極低，性價比較高，開發(fā)方便，有工業(yè)級產(chǎn)品。工作主頻150MHz，指令周期900M Mps/S。TMS320C6711內部有64Kbyte高速SRAM，外部擴展64Mbyte高速SDRAM。
發(fā)明中信號輸入(11)可以進行8通道同步輸入，每通道相對于11個量程的差分輸入信號滿量程范圍為±0.02V-±20.0V，其量程可獨立設置；頻率范圍為0HZ～50KHz，因此本發(fā)明可以對轉速、振動、速度、工藝等信號進行8通道同步采集、監(jiān)測。
參照圖6智能監(jiān)測程序方框圖，本發(fā)明的硬件設計采用高速DSP處理器和CPCI總線，對監(jiān)測信號完成實時采集和處理，滿足了工業(yè)實時環(huán)境應用所必須的堅固、可靠、模塊化、智能化、易使用和易維護。本發(fā)明的軟件立足于設備運行的實時數(shù)據(jù)，通過構建監(jiān)測對象的事件(設備運行狀態(tài))驅動模型，實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)自適應設置和調整，同時針對不同的設備運行狀態(tài)，篩選和保存有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)包方式，接收事件驅動模型的構建參數(shù)，和發(fā)送有效的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，面向大型旋轉機械設備的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)、故障狀態(tài)、啟機狀態(tài)、停機狀態(tài)，提出了基于監(jiān)測事件的事件辨識策略、數(shù)據(jù)采集策略、數(shù)據(jù)存儲策略、事件驅動模塊。并通過數(shù)據(jù)包方式接收事件驅動模型的構建參數(shù)，為監(jiān)測單元進行遠程組態(tài)和維護提供可能；發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，為設備的實時、有效的監(jiān)測，提供完整、充分的監(jiān)測信息及其相關信息。
本發(fā)明以ERTOS(Embedded Real-time Operating System，嵌入式實時操作系統(tǒng))為軟件平臺，構建本發(fā)明的智能監(jiān)測程序，并按功能將程序劃分為4個模塊中斷處理模塊，采集控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和指令解析模塊。它們分別由不同的線程實現(xiàn)。線程按照優(yōu)先級來搶奪CPU資源，高優(yōu)先級線程可以隨時搶奪低優(yōu)先級線程的運行權。中斷服務程序的優(yōu)先級最高，其次是任務型線程，最低的是系統(tǒng)空閑線程。具有相同優(yōu)先級的線程不能相互搶奪資源，需要等占用CPU資源的線程在恰當?shù)臅r刻向同優(yōu)先級線程主動讓出CPU資源，以實現(xiàn)同優(yōu)先級線程的并行。
根據(jù)以上設計原理，本發(fā)明作為一個自主監(jiān)測系統(tǒng)，具有獨立完備的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲能力。本發(fā)明的軟件在硬件啟動工作以后，立即使用試探性策略捕捉現(xiàn)場信號，分析監(jiān)測設備狀態(tài)，然后根據(jù)得到的設備當前狀態(tài)，運用智能化的配置策略調整監(jiān)測參數(shù)，執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)測任務。實時地識別機組啟停車過程和運行異常狀態(tài)，并及時做出反應，調整監(jiān)測參數(shù)，保證對設備運行狀態(tài)的全過程監(jiān)測，為遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)提供可靠完整的設備狀態(tài)信息。
中斷處理模塊是系統(tǒng)硬件中斷的服務程序，它將監(jiān)測數(shù)據(jù)從FIFO和寄存器搬移到數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)。當數(shù)據(jù)樣本達到采樣長度的要求時，停止數(shù)據(jù)采集，并向采集控制線程發(fā)送“采集結束”信號，并通過線程通訊結構將數(shù)據(jù)傳遞給采集控制線程。
采集控制模塊為一個獨立的任務型DSP/BIOS線程，主要任務是控制數(shù)據(jù)采集硬件并協(xié)調系統(tǒng)采集動作。當采集控制線程啟動以后，首先構造系統(tǒng)采集控制結構，并使用默認參數(shù)進行配置，然后開始循環(huán)的采集過程。本發(fā)明可以對4種類型的設備信號(鑒相信號、振動信號、速度加速度信號和工藝量信號)進行采集，它們的采集參數(shù)都可以獨立配置。在一個數(shù)據(jù)采集周期內，采集控制模塊對4種類型的機組信號依次配置采集參數(shù)，并監(jiān)控其采集過程，當所有類型的數(shù)據(jù)全部采集結束以后，向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送“開始處理”信號并傳送樣本數(shù)據(jù)，然后等待下一個采集周期的觸發(fā)信號。
數(shù)據(jù)處理模塊是本軟件的重點，它包含了本發(fā)明所有數(shù)據(jù)處理功能對監(jiān)測樣本進行實時處理，提取特征值，識別監(jiān)測設備狀態(tài)，檢測警報門限和趨勢，應用智能化數(shù)據(jù)存儲策略和調整監(jiān)測參數(shù)等。當系統(tǒng)初始化完成，啟動數(shù)據(jù)處理線程的時候，首先建立相關的數(shù)據(jù)結構并配置默認的系統(tǒng)參數(shù)，然后等待“開始處理”信號的到來。如果等待超時，則進行出錯處理，否則進行數(shù)據(jù)處理，當處理結束的時候，發(fā)送信號“處理結束”，并向上位機提供中斷信號，通知其讀取新的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
如圖6流程圖所示，本發(fā)明用于大型旋轉機械設備的智能采集監(jiān)測方法如下a、首先獲取被監(jiān)測設備的工作轉速；本發(fā)明有三個工作轉速獲取渠道，分別是1)硬件外部觸發(fā)獲取工作轉速ωh；2)鑒相信號計算獲取工作轉速ωs；3)從信號接入端任意選許兩個通道，設定他們?yōu)檗D速參考通道，分別從它們的頻譜中提取主頻計算轉速ω1和ω2；b、然后對所獲取被監(jiān)測設備的工作轉速振動信號、速度、加速度信號和工藝量信號通過數(shù)字濾波器進行濾波去噪，數(shù)據(jù)變換并提取信號時域、頻域特征值。
本發(fā)明中使用的濾波器有經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代自適應濾波器兩種，可以通過組態(tài)配置接口進行選擇。本發(fā)明經(jīng)典濾波器采用可以實現(xiàn)嚴格線性相位的有限沖擊響應FIR(Finite Impulse Response)濾波器；本發(fā)明采用的時頻變換算法是離散哈特萊變換(DHT)，它沒有復數(shù)參與運算，占用空間小，速度很快?，F(xiàn)場中，經(jīng)常使用加速度傳感器獲取信號，若需要分析速度信號，對加速度信號采用變步長梯形數(shù)值積分法進行數(shù)值積分。
1)特征值提取包括
①工作轉速的提取本發(fā)明采用的方法有以下兩種將包含完整周期的數(shù)據(jù)點個數(shù)計算出來，再除以完整的周期個數(shù)得到脈沖周期，最后計算出轉速；主要針對時域波形不是很規(guī)整的信號，主要思想是進行時頻變換，在信號頻域中尋找主頻，乘以60就可以計算出機組轉速。它可以通過組態(tài)配置接口進行選擇。
②振動峰峰值提取計算表達式如下x~pp=1nΣi=0n-1[max(x(i*l+j))-min(x(i*l+j))]i=1ld]]>其中x(i)為機組振動的時域信號，其長度為nl，n為主周期的個數(shù)，l為每個主周期的點數(shù)，可由轉速和采樣間隔求出l=60*fsrpm,]]>其中fs為采樣間隔，轉速為rpm。
③信號有效值提取離散序列x(i)有效值xrms的計算公式為xrms=1NΣi=1n|x(t1)|2,]]>其中N為采樣點數(shù)④頻譜校正及主頻提取本系統(tǒng)采用的抗泄露窗函數(shù)為漢寧窗，所以頻譜校正將針對漢寧窗進行。漢寧窗的主瓣中進行頻譜校正，用幅值譜主瓣內的兩條譜線Yk，Yk+1平移以后計算主瓣中心位置x0及其峰值，其主瓣中心頻率校正公式 則主瓣中心頻率為2πN(k+Δk).]]>其中Yk-1，Yk和Yk+1為主瓣內的3條譜線，其中Yk最大，N為采樣點數(shù)。
⑤頻率特征值的提取本方法提取的頻譜特征值有倍頻值和頻段值。倍頻值就是在該倍頻率點上信號頻域的幅值，可以是小數(shù)倍頻；頻段值是指在某個頻段內信號頻域的最大幅值。頻段值Hm(f1，f2)的提取方法主要是在倍頻值搜索算法的基礎上，用區(qū)間搜索代替點搜索，將搜索范圍擴大至[f1，f2]。
設主頻為f1，不考慮頻譜修正的因素，主頻最大誤差為Δf/2。搜索n倍頻的范圍為當主頻在[f1，f1+Δf/2]以內時，搜索[fn,fn+n2Δf];]]>當主頻在[f1-Δf/2，f1]以內時，搜索[fn-n2Δf,fn].]]>其中fn為根據(jù)譜線計算的n倍頻頻率值，fn＝nf1；c、根據(jù)信號時域、頻域特征值，進行門限警報檢查，包括超限和低限報警以及趨勢報警在設備監(jiān)測過程中，如果其特征值超出預設報警值，本發(fā)明會及時地發(fā)出警報，并標注警報等級。監(jiān)測設備的每一個特征值有3項報警內容，分別是上門限警報、下門限警報和趨勢警報，趨勢報警是在特征值變化速率超過預設報警值時的警報狀態(tài)；每項報警內容設3個等級，1級警報等級最低，3級警報等級最高。
d、進行監(jiān)測設備的啟機狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、停機狀態(tài)、異常狀態(tài)和非運行狀態(tài)的識別，通過設備狀態(tài)評估、判斷當前監(jiān)測數(shù)據(jù)是否進行數(shù)據(jù)上傳、備份等操作機組狀態(tài)識別屬于模式識別的范疇，就是指將實時待檢模式與已知樣本模式對比。設機組狀態(tài)共有5個狀態(tài)非運行狀態(tài)、啟機狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、停機狀態(tài)和異常狀態(tài)。異常狀態(tài)是監(jiān)測設備在運行狀態(tài)下，某些運行特征值超過警報門限的非正常狀態(tài)，該狀態(tài)以超限警報檢測的結論為主要判斷依據(jù)。其它4種機組狀態(tài)之間的相互轉換主要由轉速相關事件來驅動非運行狀態(tài)是指監(jiān)測設備處于停止或者轉速很低的狀態(tài)(轉速小于ωmin時認為監(jiān)測設備停止)；啟停機和穩(wěn)定狀態(tài)的識別主要依據(jù)機組轉速來判斷。當機組轉速超越ωmin時，啟機狀態(tài)開始，直到轉速超過啟穩(wěn)轉速時轉化為穩(wěn)定狀態(tài)，或者轉速降低返回未運行狀態(tài)。當機組轉速低于穩(wěn)停轉速時，進入停機狀態(tài)，直到轉速低于ωmin時轉化為未運行狀態(tài)，或者轉速回升返回穩(wěn)定狀態(tài)。
本發(fā)明以盡可能小的代價存儲監(jiān)測設備在各種運行狀態(tài)下的完備信息，并將有必要的數(shù)據(jù)傳送到上位機。其策略是1)每間隔固定的時間，存儲并發(fā)送一組數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)在時間意義上的連續(xù)性和完整性；2)存儲并發(fā)送監(jiān)測設備啟停機的所有數(shù)據(jù)；3)丟棄監(jiān)測設備非運行狀態(tài)的所有數(shù)據(jù)；4)存儲監(jiān)測設備異常狀態(tài)下的所有數(shù)據(jù)；若機組剛剛轉入異常狀態(tài)，則發(fā)送該組數(shù)據(jù)；若機組持續(xù)處于異常狀態(tài)，通過監(jiān)測其特征值變化速率是否超過趨勢報警門限，如果超過則發(fā)送該組數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送。
e、最后根據(jù)以上分析結論自動調整監(jiān)測策略，以適應設備當前的運行狀態(tài)，完成智能監(jiān)測任務因為在監(jiān)測過程中兩次采集間隔(≤0.1秒)很小，監(jiān)測設備的轉速變化不大，所以可以利用歷史數(shù)據(jù)來對當前轉速進行估計。本發(fā)明采用前一次采集獲取的轉速，并將它記為ω0。將這些轉速值記為W，以完成監(jiān)測任務，得到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)ωnew。
監(jiān)測策略的調整包括1)根據(jù)本發(fā)明所擁有三個轉速獲取渠道，獲取當前監(jiān)測設備的轉速值，并和歷史轉速數(shù)據(jù)以前估計監(jiān)測設備當前的轉速值ωnew。歷史轉速數(shù)據(jù)用來對當前轉速進行估計，對歷史數(shù)據(jù)進行三次樣條插值，得到當前轉速的估計值ω0。將這些轉速值記為WW＝[ωh，ωs，ω1，ω2，ω0]每一個轉速值都有可信度，記為HH＝[hh，hs，h1，h2，h0]T則當前的轉速值為ωnew＝W×H。
2)在設備監(jiān)測過程中，如果其特征值超出預設報警值，本發(fā)明在監(jiān)測數(shù)據(jù)包中標注警報標志及警報等級。
3)對監(jiān)測設備運行狀態(tài)的正確識別。
4)按照數(shù)據(jù)存儲策略對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和發(fā)布。
f、通過軟件接收上位機發(fā)送的組態(tài)配置信息，對設備的采集監(jiān)測方法提供組態(tài)和維護。
本發(fā)明的實現(xiàn)基于CPCI總線和DSP處理器，八通道同步高速數(shù)據(jù)采集的硬件設備，滿足了工業(yè)實時環(huán)境應用所必須的堅固、可靠、模塊化、智能化、易使用和易維護。本發(fā)明的采集監(jiān)測方法依據(jù)被監(jiān)測設備自身動態(tài)運行數(shù)據(jù)所構建的設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)本裝置監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)自適應設置和調整，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能存儲，形成一套針對大型旋轉機械設備的智能狀態(tài)監(jiān)測裝置，適用于大型旋轉機械的正常運行狀態(tài)或特殊狀態(tài)的全過程實時監(jiān)測，可為大型旋轉機械故障的診斷提供完整、有效地監(jiān)測數(shù)據(jù)。
權利要求
1.一種大型旋轉機械設備智能采集監(jiān)測裝置，包括信號增益調節(jié)及濾波模塊(1)，其特征在于信號增益調節(jié)及濾波模塊(1)與信號零漂調節(jié)模塊(2)的輸入端相連；參考電壓模塊(3)與信號零漂調節(jié)模塊(2)的輸入端相連，A/D轉換模塊(5)的輸入端分別與參考電壓模塊(3)、信號零漂調節(jié)模塊(2)、控制電路(9)的輸出端相連；控制電路(9)的輸出端分別與信號增益調節(jié)及濾波模塊(1)、信號零漂模塊(2)、A/D轉換模塊(5)、DSP處理器(6)的輸入端相連，DSP處理器擴展存儲器(10)的輸出端與DSP處理器(6)的輸入端相連，CPCI接口電路(7)的輸入端與CPCI總線相連，其輸出端與DSP處理器(6)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的大型旋轉機械設備智能采集監(jiān)測裝置，其特征在于信號輸入(11)可進行8通道同步輸入，每通道相對于11個量程的差分輸入信號滿量程范圍為±0.02V-+20.0V，其量程可獨立設置，輸入信號頻率范圍為0HZ～50KHz。
3.根據(jù)權利要求1所述的大型旋轉機械設備智能采集監(jiān)測裝置，其特征在于本裝置由CPCI總線單一供電，并通過電壓模塊(4)進行電壓轉換，提供本裝置各功能模塊所需的各種工作電壓。
4.一種用于大型旋轉機械設備的智能采集監(jiān)測方法，其特征在于該方法包括以下步驟a、首先通過以下三種方法采集被監(jiān)測設備的工作轉速1)硬件外部觸發(fā)獲取工作轉速ωh；2)鑒相信號計算獲取工作轉速ωs；3)從信號接入端任意選許兩個通道，設定他們?yōu)檗D速參考通道，分別從它們的頻譜中提取主頻計算工作轉速ω1和ω2；b、然后對所獲取的工作轉速振動信號、速度、加速度信號和工藝量信號進行數(shù)字濾波去噪，數(shù)據(jù)變換并提取信號時域、頻域特征值1)用濾波器進行濾波；2)采用離散哈特萊變換時頻變換算法；3)特征值提取包括①工作轉速的提取將包含完整周期的數(shù)據(jù)點個數(shù)計算出來，再除以完整的周期個數(shù)得到脈沖周期，最后計算出轉速；②振動峰峰值提取計算表達式如下x~pp=1nΣi=0n-1[max(x(i*l+j))-min(x(i*l+j))]i=1ld]]>其中x(i)為機組振動的時域信號，其長度為nl，n為主周期的個數(shù)，l為每個主周期的點數(shù)，可由轉速和采樣間隔求出l=60*fsrpm,]]>其中fs為采樣間隔，rpm為轉速；③信號有效值提取離散序列x(i)有效值Xrms的計算公式為xrms=1NΣi=1n|x(t1)|2]]>其中N為采樣點數(shù)；④頻譜校正及主頻提取采用抗泄露窗函數(shù)為漢寧窗的主瓣中進行頻譜校正，其主瓣中心頻率校正公式 則主瓣中心頻率為2πN(k+Δk),]]>其中Yk-1，Yk和Yk+1為主瓣內的3條譜線，其中Yk最大，N為采樣點數(shù)；⑤頻率特征值的提取設主頻為f1，主頻最大誤差為Δf/2，搜索n倍頻的范圍為當主頻在[f1，f1+Δf/2]以內時，搜索[fn,fn+n2Δf]]]>當主頻在[f1-Δf/2，f1]以內時，搜索[fn-n2Δf,fn]]]>其中fn為根據(jù)譜線計算的n倍頻頻率值，fn＝nf1；c、根據(jù)以上信號時域、頻域特征值，進行門限警報當特征值超出預設報警值，監(jiān)測裝置發(fā)出警報，并標注警報等級；d、進行監(jiān)測設備狀態(tài)即非運行狀態(tài)、啟機狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、停機狀態(tài)和異常狀態(tài)的識別，通過設備狀態(tài)識別決定當前監(jiān)測數(shù)據(jù)是否進行數(shù)據(jù)上傳、備份等操作1)非運行狀態(tài)是指當轉速小于ωmin時認為監(jiān)測設備停止；2)啟停機和穩(wěn)定狀態(tài)是當機組轉速超越ωmin時，啟機狀態(tài)開始，直到轉速降低返回未運行狀態(tài)，當機組轉速低于穩(wěn)停轉速時，進入停機狀態(tài)，直到轉速低于ωmin時轉化為未運行狀態(tài)；3)每間隔固定的時間，存儲并發(fā)送一組數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)在時間意義上的連續(xù)性和完整性；4)存儲并發(fā)送監(jiān)測設備啟停機的所有數(shù)據(jù)；5)丟棄監(jiān)測設備非運行狀態(tài)的所有數(shù)據(jù)；6)存儲監(jiān)測設備異常狀態(tài)下的所有數(shù)據(jù)，若機組轉入異常狀態(tài)，則發(fā)送該組數(shù)據(jù)；若機組持續(xù)處于異常狀態(tài)，通過監(jiān)測其特征值變化速率是否超過趨勢報警門限，如果超過則發(fā)送該組數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送；e、采用前一次采集獲取的轉速，并將它記為ω0，將這些轉速值記為W，以完成監(jiān)測任務，得到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)ωnewW＝[ωh，ωs，ω1，ω2，ω0]每一個轉速值都有可信度，記為HH＝[hh，hs，h1，h2，h0]T則ωnew＝W×H。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于大型旋轉機械設備的智能采集監(jiān)測方法，其特征在于所說的濾波器為經(jīng)典濾波器或現(xiàn)代自適應濾波器。
6.根據(jù)權利要求4所述的用于大型旋轉機械設備的智能采集監(jiān)測方法，其特征在于所說的門限警報為分別是上門限警報、下門限警報和趨勢警報，每項報警內容設3個等級，1級警報等級最低，3級警報等級最高。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型旋轉機械設備智能采集監(jiān)測裝置及采集監(jiān)測方法，本裝置的實現(xiàn)基于CPCI總線和DSP處理器，八通道同步高速數(shù)據(jù)采集的硬件設備，滿足了工業(yè)實時環(huán)境應用所必須的堅固、可靠、模塊化、智能化、易使用和易維護。本發(fā)明的采集監(jiān)測方法依據(jù)被監(jiān)測設備自身動態(tài)運行數(shù)據(jù)所構建的設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)本裝置監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)自適應設置和調整，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能存儲，形成一套針對大型旋轉機械設備的智能狀態(tài)監(jiān)測裝置，適用于大型旋轉機械的正常運行狀態(tài)或特殊狀態(tài)的全過程實時監(jiān)測，可為大型旋轉機械故障的診斷提供完整、有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
文檔編號G06F17/00GK1584511SQ200410026179
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權日2004年5月27日
發(fā)明者景敏卿, 周健, 高峰, 蘇文軍, 席曉鵬, 郭明楊, 侯成剛, 虞烈 申請人:西安交通大學, 四川縱橫儀器有限公司