基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统
摘要：阐述了基于虚拟仪器的在线振动监测系统的基本组成、实现方法和功能，采用PXI总线仪器和Lab-VIEW可视化的虚拟仪器系统开发平台，把传统仪器的所有功能模块集成在一台计算机中，用户可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能与规模。该系统实现了水电机组的振动信号的自动采集，并能通过计算机进行振动信号的处理和分析。
关键词：虚拟仪器 水电机组 振动监测
1 引言
随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量的机组数量不断增多，如何保证水电机组运行稳定，是人们普遍关心的重要问题。而现阶段我国水电机组的检修一般实行计划检修制度，不管设备状态如何，到期必修，由此造成大量的资源浪费，这种传统的预期维修体制已经不能满足现代化维修、运行、管理的要求。水电机组设备庞大、结构复杂、故障的诱因繁多，虽有一些故障不一定以振动形式表现出来，但统计资料表明，水电机组约有80％的故障或事故在振动信号中有所反映，比如说水电机组下机架的振动参数表示着转动部分的平衡情况，其振动的极频分量说明发电机电磁振动情况等。因此，振动监测是目前应用最为普遍和有效的方法，通过对这些振动信号的分析，充分发掘其中所包含的故障信息，对水电机组的安全生产、决策具有重要的实际意义。
水电机组的振动监测可由传统仪器系统来构成，如图1所示。系统功能是由厂家事先定义且固定不可变更功能的传统仪器来完成。由于传统仪器的功能缺乏灵活性，有时尽管资金投入很大，但仍很难满足任务的不断变化所产生的多样化的需求。而虚拟仪器技术改变了这种状况，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器就是通过软件平台构造与真实仪器物理面板相类似的虚拟面板，硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而由功能强大的软件来完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念。虚拟仪器用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，用户可以根据需要定义仪器的功能，虚拟仪器性能的改进和功能扩展也只需进行相关软件的设计更新，而不需要增添新的仪器。因此，虚拟仪器技术具有开发周期短、成本低、维护方便、灵活、功能强大、用户可自行定义等特点。
2 系统硬件结构
本系统的硬件由传感器，SCB-68接线端子盒，PXI-1010组合机箱，SCXI-1125可编程隔离放大模块，SCXI-1141可编程低通滤波模块，SCXI-1140采样／保持模块，PXI-6052E数据采集卡，PXI-PCI833X计算机控制PXI模块，MXI-3光纤通信模块，DFE-530TXI网络适配卡等组成，其硬件结构如图2所示。
本系统的硬件由传感器，SCB-68接线端子盒，PXI-1010组合机箱，SCXI-1125可编程隔离放大模块，SCXI-1141可编程低通滤波模块，SCXI-1140采样／保持模块，PXI-6052E数据采集卡，PXI-PCI833X计算机控制PXI模块，MXI-3光纤通信模块，DFE-530TXI网络适配卡等组成，其硬件结构如图2所示。
2．1 振动传感器的选择及安装
水电机组与火电机组相比，水电机组的额定转速较低，尤其是水力因素引起的振动频率更低，水电机组振动信号属低频信号。由于振动传感器安装现场环境恶劣，电磁干扰大，温度变化大，且传感器支架本身长期颤动会增加测量的误差，因此需选择可靠性高、抗干扰能力强、精度高及性能稳定的振动传感器。为了避免因振动传感器安装造成附加误差使测量值失真，振动传感器应合理安装。本系统在测量轴摆度时，选择电涡流传感器，它利用电涡流效应来测量位置，具有非接触测量、抗干扰能力强的优点。将电涡流传感器安装在轴承壳体上，实行相对测量，测点位置可选在上导、下导、水导和推力等处，并各安装两个互为90°的电涡流传感器。在测量机架和顶盖等处振动时，则选择地震式传感器，它测量的是基座所连接物体的绝对振动，具有抗震和高稳定性的特点。地震式传感器可直接固定在机壳上，安装应尽量靠近转轴，并尽可能避开母线出线等电磁场较强的位置，测点可选取在上、下机架和推力机架等处各安装两个地震式传感器，分别对机架水平方向和垂直方向的振动进行监测。系统中采用光电式接近开关获取键相信号，确定整周期采样的基准点。此外，为便于分析振动与压力、工作水头和上、下游水位的关系，还应安装有功功率、压力、上、下游水位相应的传感器。
2．2 数据采集模块
在数据采集领域中，有基于多种PC机总线的PC-DAQ数据采集卡，也有基于VXI总线的各种数据采集模块。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI3种虚拟仪器体系中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而一次构建VXI系统需要较大的资金投入。PXI是1997年NI公司推出的一种全新的开放性和模块化仪器总线规范，它将Com-pactPCI的集成式触发功能与Windows操作系统结合在一起。在保留PCI总线与CompactPCI模块结构功能基础上，增加了系统参考时钟与触发器总线等，加之熟悉的Windows环境，使得PXI系统更适合构建工业自动化测控系统。基于PXI总线规范构建的系统将PC机的性价比优势和PCI总线面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新型的虚拟仪器系统。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，还具有开发周期短、价格低、易于组建便携式自动测试系统等特点。
本系统中数据采集是通过现场传感器将各个测量点的信号，经过SCB-68接线端子盒将信号送到信号调理模块SCXI-1125（可编程隔离放大器）、SCXI-1141（可编程低通滤波器）、SCXI-1140（采样／保持放大器）进行信号调理，最后将经过信号调理的信号送到数据采集卡PXI-6052E（16路单端／8路差分模拟输入，采样频率333千次／s，2路模拟输出，8条数字I／O线，2路24位计数／定位器）进行数据采集。数据采集卡PXI-6052E上的24位计数／定时器的抗干扰能力不强，为了弥补这一不足，可利用LS7084芯片和电阻、电容组成一个滤波电路，消除由于噪声和振动等造成的干扰。
2．3 计算机控制模块
本系统采用了NI公司的组合式机箱PXI-1010（8个PXI／CompactPCI和4个SCXI插槽），零槽控制模块采用PXI-PCI833X。PXI-PCI833X采用MXI-3技术，MXI-3技术是一种PCI总线之间的连接技术，它采用的是标准PCI-PCI桥技术及1.5Gb／s高速串口连接，为PXI控制引入了更加快速方便的扩展方式。MXI-3技术不仅可以进行PXI／Compact PCI机箱之间的连接，而且可通过主控计算机对PXI系统的直接控制。在本系统中将通过PXI-6052E数据采集卡采集到的数据通过PXI-PCI833X模块和传输速率高达132Mb／s的MXI-3光纤通讯模块传送到现场计算机。MXI-3包含了一块插在现场计算机中的PCIMXI-3板卡和插在PXI-1010机箱控制槽内的PXIMXI-3模块，两板卡通过光缆相连，实现PXI-1010机箱内的各模块与现场计算机的通信。MXI-3技术可实现200m距离内信号传输，解决了现场计算机与数据采集模块之间信号远距离传输的问题。现场计算机通过DFE-530TXI网络适配卡与网络远程监控终端相连，实现远程监测。
3 系统软件结构
本系统选择NI公司的LabVIEW6i作为开发工具，它采用图形化编程方案，也称为G语言。LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库，从基本的数学函数到高级分析库（包括信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等），通过这些函数及子程序库，可以实现硬件系统的软件化，设计出符合技术要求的振动监测系统。因本振动监测系统所用的数据采集卡为NI公司的产品，故可以使用LabVIEW提供的大量数据采集子程序，也无需为数据采集卡编制驱动程序。另外Lab-VIEW的附带网络工具套件，也方便了远程监测的设计。
LabVIEW开发环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象（如开关、按钮、示波器、指示器、定时器等），它相当于实际仪器的操作面板。设计时只需从控件库中选取所需的控件，并为它们设计合理的属性（例如尺寸和量程等）和放置的具体位置，这些属性和位置可通过程序方便地进行调整。前面板的合理设计有助于振动监测系统功能的实现，并方便操作。因此前面板应设置多段开关以实现不同的数据处理方法，前面板主要部分是显示图形和数据，可采用多窗口来完成不同信号的同时输出，前面板还应有控制窗口和开关，以实现对振动监测系统的操作。流程图则是程序的图形化源代码，主要由前面板上控件的图标、函数图标和连线组成。设计时从函数库中选取所需要的函数图标，并按照数据在程序中传递的顺序把它们和控件图标的位置统一编排好，再用连线工具将图标连起来。系统软件采用模块化设计，其系统软件功能模块如图3所示。采用模块化设计有助于软件的设计和日后的改进升级。
水电机组与火电机组相比，水电机组的额定转速较低，尤其是水力因素引起的振动频率更低，水电机组振动信号属低频信号。由于振动传感器安装现场环境恶劣，电磁干扰大，温度变化大，且传感器支架本身长期颤动会增加测量的误差，因此需选择可靠性高、抗干扰能力强、精度高及性能稳定的振动传感器。为了避免因振动传感器安装造成附加误差使测量值失真，振动传感器应合理安装。本系统在测量轴摆度时，选择电涡流传感器，它利用电涡流效应来测量位置，具有非接触测量、抗干扰能力强的优点。将电涡流传感器安装在轴承壳体上，实行相对测量，测点位置可选在上导、下导、水导和推力等处，并各安装两个互为90°的电涡流传感器。在测量机架和顶盖等处振动时，则选择地震式传感器，它测量的是基座所连接物体的绝对振动，具有抗震和高稳定性的特点。地震式传感器可直接固定在机壳上，安装应尽量靠近转轴，并尽可能避开母线出线等电磁场较强的位置，测点可选取在上、下机架和推力机架等处各安装两个地震式传感器，分别对机架水平方向和垂直方向的振动进行监测。系统中采用光电式接近开关获取键相信号，确定整周期采样的基准点。此外，为便于分析振动与压力、工作水头和上、下游水位的关系，还应安装有功功率、压力、上、下游水位相应的传感器。
2．2 数据采集模块
在数据采集领域中，有基于多种PC机总线的PC-DAQ数据采集卡，也有基于VXI总线的各种数据采集模块。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI3种虚拟仪器体系中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而一次构建VXI系统需要较大的资金投入。PXI是1997年NI公司推出的一种全新的开放性和模块化仪器总线规范，它将Com-pactPCI的集成式触发功能与Windows操作系统结合在一起。在保留PCI总线与CompactPCI模块结构功能基础上，增加了系统参考时钟与触发器总线等，加之熟悉的Windows环境，使得PXI系统更适合构建工业自动化测控系统。基于PXI总线规范构建的系统将PC机的性价比优势和PCI总线面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新型的虚拟仪器系统。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，还具有开发周期短、价格低、易于组建便携式自动测试系统等特点。
本系统中数据采集是通过现场传感器将各个测量点的信号，经过SCB-68接线端子盒将信号送到信号调理模块SCXI-1125（可编程隔离放大器）、SCXI-1141（可编程低通滤波器）、SCXI-1140（采样／保持放大器）进行信号调理，最后将经过信号调理的信号送到数据采集卡PXI-6052E（16路单端／8路差分模拟输入，采样频率333千次／s，2路模拟输出，8条数字I／O线，2路24位计数／定位器）进行数据采集。数据采集卡PXI-6052E上的24位计数／定时器的抗干扰能力不强，为了弥补这一不足，可利用LS7084芯片和电阻、电容组成一个滤波电路，消除由于噪声和振动等造成的干扰。
2．3 计算机控制模块
本系统采用了NI公司的组合式机箱PXI-1010（8个PXI／CompactPCI和4个SCXI插槽），零槽控制模块采用PXI-PCI833X。PXI-PCI833X采用MXI-3技术，MXI-3技术是一种PCI总线之间的连接技术，它采用的是标准PCI-PCI桥技术及1.5Gb／s高速串口连接，为PXI控制引入了更加快速方便的扩展方式。MXI-3技术不仅可以进行PXI／Compact PCI机箱之间的连接，而且可通过主控计算机对PXI系统的直接控制。在本系统中将通过PXI-6052E数据采集卡采集到的数据通过PXI-PCI833X模块和传输速率高达132Mb／s的MXI-3光纤通讯模块传送到现场计算机。MXI-3包含了一块插在现场计算机中的PCIMXI-3板卡和插在PXI-1010机箱控制槽内的PXIMXI-3模块，两板卡通过光缆相连，实现PXI-1010机箱内的各模块与现场计算机的通信。MXI-3技术可实现200m距离内信号传输，解决了现场计算机与数据采集模块之间信号远距离传输的问题。现场计算机通过DFE-530TXI网络适配卡与网络远程监控终端相连，实现远程监测。
3 系统软件结构
本系统选择NI公司的LabVIEW6i作为开发工具，它采用图形化编程方案，也称为G语言。LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库，从基本的数学函数到高级分析库（包括信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等），通过这些函数及子程序库，可以实现硬件系统的软件化，设计出符合技术要求的振动监测系统。因本振动监测系统所用的数据采集卡为NI公司的产品，故可以使用LabVIEW提供的大量数据采集子程序，也无需为数据采集卡编制驱动程序。另外Lab-VIEW的附带网络工具套件，也方便了远程监测的设计。
LabVIEW开发环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象（如开关、按钮、示波器、指示器、定时器等），它相当于实际仪器的操作面板。设计时只需从控件库中选取所需的控件，并为它们设计合理的属性（例如尺寸和量程等）和放置的具体位置，这些属性和位置可通过程序方便地进行调整。前面板的合理设计有助于振动监测系统功能的实现，并方便操作。因此前面板应设置多段开关以实现不同的数据处理方法，前面板主要部分是显示图形和数据，可采用多窗口来完成不同信号的同时输出，前面板还应有控制窗口和开关，以实现对振动监测系统的操作。流程图则是程序的图形化源代码，主要由前面板上控件的图标、函数图标和连线组成。设计时从函数库中选取所需要的函数图标，并按照数据在程序中传递的顺序把它们和控件图标的位置统一编排好，再用连线工具将图标连起来。系统软件采用模块化设计，其系统软件功能模块如图3所示。采用模块化设计有助于软件的设计和日后的改进升级。
3．1 “谱泄漏”现象的消除
在运用傅立叶运算对采样信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象，为了消除“谱泄漏”现象，提高谱分析精度，在傅立叶变换时实现整周期截断，对振动信号实行整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，以确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整。实现整周期采样的关键是如何将一个完整的周期信号均匀地分成K等分进行采样，其中K为一个采样周期内的采样点数。信号的周期可以通过键相信号测得，两相邻键相信号的上升沿或下降沿之间即为一个采样周期，本系统中通过软件计算出采样时间间隔来达到均匀采样的目的。此外加窗也是减小“谱泄漏”影响的一种有效办法，对某一个信号选择一个合适的窗函数，窗函数越宽，抑制杂波能力越强，窗函数越窄，分辨率越高。
3．2 信号处理和分析
利用LabVIEW的SignalProcessingSuite专用软件包、函数和子程序库，对采集的水电机组信号进行处理和分析，主要包括非线性变换、数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析、轴心轨迹分析等。
3．2．1 非线性变换
由于传感器结构的特点，它输出的直流电压值不是完全线性的，这就造成了最终距离参数难以直接获得。采用曲线拟合办法可以很好地实现信号的非线性变换。
3．2．2 数字滤波
为了弥补硬件滤波器的不足，提高设备的可靠性，采用谐波去除法作为软件滤波的方法。运用ReFFT（）函数对现场采集的信号进行快速傅立叶变换，在生成的幅值频谱中将事先规定的截止频率以上的频率成分设为0，然后再运用ReIn-vFFT（）函数进行傅立叶反变换，求得滤波后的时域数据。
3．2．3 时域分析
主要是时域波形显示（包括实时数据随时间变化图及局部放大及缩小）、波形特征值的计算（包括计算振动／摆度的峰-峰值的均值、方差等）、相位分析（包括测点信号的相位随时间变化及不同测点之间的相位差）及其相关分析（通过两个量之间相关变化来找出自变量如水头和开度等对振动／摆度的影响）等。
3．2．4 频域分析
将整周期采集的信号进行快速傅立叶变换，得到振动信号的频谱。分析功能主要有幅值谱分析、功率谱分析以及频谱图（包括频谱分量的最大值及该最大值发生的频率）的计算和显示等。
3．2．5 小波分析
傅立叶变换对水电机组振动信号中出现的奇异点有时难以准确识别，而这种奇异点的出现，通常又是和故障的发生紧密相连的，而小波分析在噪声消除，微弱信号的提取和图象处理等方面具有明显的优势，故小波分析也是水电机组振动信号分析的有用工具。应用小波分析技术对振动信号进行“细化和放大”，使振动信号更加清晰，以便于捕捉振动信号变化的特征点，尤其是对突变信号的处理优势明显。
3．2．6 轴心轨迹分析
动态间隙显示、动／静态轴心轨迹曲线、动／静态谐波轴心轨迹曲线。
3．3 数据库的设计
数据库选用SQLServer2000，利用Lab-VIEW6i开发平台内带的SQLToolkit工具包与数据库进行联系，通过SQLToolkit可以访问大多数关系型数据库（如Oracle、Informix、Sybase、MSSQLServer等），用SQL语句可实现对数据库的查询、修改和增删等操作。数据库分为实时数据和历史数据两种，实时数据主要有机组配置及数据采集参数、各振动和摆度原始波形、各振动和摆度频谱数据、各振动和摆度特征数据、状态参数数据。历史数据主要有：机组正常运转的历史数据，按年、月、日等进行分档压缩存储；机组出现异常情况的历史数据，用于事故追忆。
4 结语
通过在LabVIEW平台上开发基于PXI平台的水电机组振动监测系统，系统集振动测试、数据采集、处理和分析为一体，能迅速而有效地把水电机组在各种过程中的振动情况整理成资料和图形，如波特图、极坐标图、波形图、轨迹图、三维谱图、轴中心位置图、振动数据库等，以便对水电机组的振动情况分析和故障诊断。该系统已安装在多台水电机组上，运行结果表明，与传统监控系统相比，虚拟仪器方案不仅系统结构紧凑，构成灵活，且功能丰富，通过修改软件功能易于扩展，具有很高的性价比，监控过程可实现无人值守，通过联网可实现远程监控。因此基于虚拟仪器的水电机组振动监测系统具有十分广阔的应用前景。
在运用傅立叶运算对采样信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象，为了消除“谱泄漏”现象，提高谱分析精度，在傅立叶变换时实现整周期截断，对振动信号实行整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，以确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整。实现整周期采样的关键是如何将一个完整的周期信号均匀地分成K等分进行采样，其中K为一个采样周期内的采样点数。信号的周期可以通过键相信号测得，两相邻键相信号的上升沿或下降沿之间即为一个采样周期，本系统中通过软件计算出采样时间间隔来达到均匀采样的目的。此外加窗也是减小“谱泄漏”影响的一种有效办法，对某一个信号选择一个合适的窗函数，窗函数越宽，抑制杂波能力越强，窗函数越窄，分辨率越高。
3．2 信号处理和分析
利用LabVIEW的SignalProcessingSuite专用软件包、函数和子程序库，对采集的水电机组信号进行处理和分析，主要包括非线性变换、数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析、轴心轨迹分析等。
3．2．1 非线性变换
由于传感器结构的特点，它输出的直流电压值不是完全线性的，这就造成了最终距离参数难以直接获得。采用曲线拟合办法可以很好地实现信号的非线性变换。
3．2．2 数字滤波
为了弥补硬件滤波器的不足，提高设备的可靠性，采用谐波去除法作为软件滤波的方法。运用ReFFT（）函数对现场采集的信号进行快速傅立叶变换，在生成的幅值频谱中将事先规定的截止频率以上的频率成分设为0，然后再运用ReIn-vFFT（）函数进行傅立叶反变换，求得滤波后的时域数据。
3．2．3 时域分析
主要是时域波形显示（包括实时数据随时间变化图及局部放大及缩小）、波形特征值的计算（包括计算振动／摆度的峰-峰值的均值、方差等）、相位分析（包括测点信号的相位随时间变化及不同测点之间的相位差）及其相关分析（通过两个量之间相关变化来找出自变量如水头和开度等对振动／摆度的影响）等。
3．2．4 频域分析
将整周期采集的信号进行快速傅立叶变换，得到振动信号的频谱。分析功能主要有幅值谱分析、功率谱分析以及频谱图（包括频谱分量的最大值及该最大值发生的频率）的计算和显示等。
3．2．5 小波分析
傅立叶变换对水电机组振动信号中出现的奇异点有时难以准确识别，而这种奇异点的出现，通常又是和故障的发生紧密相连的，而小波分析在噪声消除，微弱信号的提取和图象处理等方面具有明显的优势，故小波分析也是水电机组振动信号分析的有用工具。应用小波分析技术对振动信号进行“细化和放大”，使振动信号更加清晰，以便于捕捉振动信号变化的特征点，尤其是对突变信号的处理优势明显。
3．2．6 轴心轨迹分析
动态间隙显示、动／静态轴心轨迹曲线、动／静态谐波轴心轨迹曲线。
3．3 数据库的设计
数据库选用SQLServer2000，利用Lab-VIEW6i开发平台内带的SQLToolkit工具包与数据库进行联系，通过SQLToolkit可以访问大多数关系型数据库（如Oracle、Informix、Sybase、MSSQLServer等），用SQL语句可实现对数据库的查询、修改和增删等操作。数据库分为实时数据和历史数据两种，实时数据主要有机组配置及数据采集参数、各振动和摆度原始波形、各振动和摆度频谱数据、各振动和摆度特征数据、状态参数数据。历史数据主要有：机组正常运转的历史数据，按年、月、日等进行分档压缩存储；机组出现异常情况的历史数据，用于事故追忆。
4 结语
通过在LabVIEW平台上开发基于PXI平台的水电机组振动监测系统，系统集振动测试、数据采集、处理和分析为一体，能迅速而有效地把水电机组在各种过程中的振动情况整理成资料和图形，如波特图、极坐标图、波形图、轨迹图、三维谱图、轴中心位置图、振动数据库等，以便对水电机组的振动情况分析和故障诊断。该系统已安装在多台水电机组上，运行结果表明，与传统监控系统相比，虚拟仪器方案不仅系统结构紧凑，构成灵活，且功能丰富，通过修改软件功能易于扩展，具有很高的性价比，监控过程可实现无人值守，通过联网可实现远程监控。因此基于虚拟仪器的水电机组振动监测系统具有十分广阔的应用前景。
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