基于LabVIEW的汽輪機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)

1、工業(yè)控制計算機(jī)2012年第25卷第11期基于LabVIEW 的汽輪機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)徐良友（北京朗新明環(huán)保科技有限公司南京分公司，江蘇南京211167）Supervisory Instrumentation of Steam Turbine Vibration Based on LabVIEW目前國內(nèi)300MW 和600MW 汽輪發(fā)電機(jī)組使用汽輪機(jī)監(jiān)視儀表TSI （Turbine Supervisory Instrumentation ）對機(jī)組振動進(jìn)行監(jiān)測。本文用LabVIEW 語言，研究開發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、動態(tài)顯示、實(shí)時監(jiān)測、信號分析（經(jīng)過FFT 變換，繪制棒

2、圖、頻譜圖、波德圖、瀑布圖、軸心軌跡等）等功能。1系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要振動信號傳感器、鍵相信號傳感器、信號調(diào)理卡、數(shù)據(jù)采集卡和P 計算機(jī)組成；安裝于汽輪機(jī)軸系的傳感器獲取原始信號，通過信號前端處理機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的穩(wěn)定可靠的標(biāo)準(zhǔn)采集信號輸入計算機(jī)進(jìn)行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序后，和LabVIEW 開發(fā)的應(yīng)用程序進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)振動信號的數(shù)據(jù)采集、顯示和分析。圖1汽輪機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2軟件設(shè)計本文利用LabVIEW 應(yīng)用軟件，設(shè)計振動監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件，完成振動信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、振動分析等模塊。其中振動監(jiān)測分析模塊包括波形顯示、棒

3、圖顯示、軸心軌跡、頻譜分析、功率譜分析、極坐標(biāo)圖、趨勢分析、瀑布圖分析等分析功能。系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。21數(shù)據(jù)采集程序虛擬儀器的典型形式是在臺式微機(jī)系統(tǒng)主板擴(kuò)展槽中插入各類數(shù)據(jù)采集插卡，與微機(jī)外被測信號或儀器相連，組成測試與控制系統(tǒng)。LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)有物理通道和虛擬通道，本文設(shè)計的系統(tǒng)使用臺式微機(jī)系統(tǒng)主板擴(kuò)展槽中插入合眾達(dá)公司的AD931采集卡。AD931是一塊以標(biāo)準(zhǔn)PC ISA 總線為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集插件板，采集分辨率為12位，采集通道為4、8、12、16可編程選擇，所有通道同時采樣，模擬信號輸入范圍為1010V。與微機(jī)外被測信號或儀器相連，組成測試與控制系統(tǒng)。通過LabV

4、IEW 訪問IO 端口以及在LabVIEW 環(huán)境中調(diào)用其它程序語言編制的驅(qū)動程序。數(shù)據(jù)采集程序主要完成轉(zhuǎn)速和振動波形數(shù)據(jù)的實(shí)時測量功能。程序主要由系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)速測量、根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速確定采樣率（以保證整周期采樣）以及AD 采樣程序組成，數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。22在LabVIEW 中驅(qū)動通用數(shù)據(jù)采集卡LabVIEW 平臺上使用普通數(shù)據(jù)采集A D 卡，用戶須自己開發(fā)動態(tài)鏈接庫文件（DDL），通過LabVIEW 所提供的調(diào)用庫函數(shù)（CLF ）實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普通卡采集數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)采集卡附有DLL庫函數(shù)形式的驅(qū)動程序，用戶可使用某種DLL 鏈接庫的編程工具，如VC 、VB ，編寫應(yīng)用程序來調(diào)用它。Lab-

5、VIEW 提供了一個調(diào)用動態(tài)鏈接庫摘要以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)為硬件條件，在虛擬儀器軟件LabVIEW 開發(fā)平臺上，進(jìn)行汽輪機(jī)振動數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析等功能的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)監(jiān)測儀表中的振動信號監(jiān)測的全部功能，且為汽輪機(jī)故障診斷的開發(fā)提供了條件。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)，LabVIEW ，汽輪機(jī)監(jiān)測儀表AbstractIn the use of sensors,data acquisition cards,industrial control computer,on the Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,design fun

6、ctions of steam turbine vibration data collection,display and analysisTherealization of Turbine Supervi-sory Instrumentation to monitor the vibration signals functions,and provides the conditions of Fault Diagnosis of Steam Tur-bine developmentKeywords :steamturbine,LabVIEW,turbine supervisory instr

7、umentation圖3 數(shù)據(jù)采集程序框圖圖2振動監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件框架25基于LabVIEW 的汽輪機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)函數(shù)的圖標(biāo)Call Li- brary Function ，放在Functions 模板內(nèi)的Advanced 子模板中。如圖4所示。23數(shù)據(jù)分析與處理LabVIEW 具有強(qiáng)大的圖形編程語言，是通過創(chuàng)建和連接圖符來創(chuàng)建程序，具有形象直觀、便于閱讀和調(diào)試的特點(diǎn)；把常用的信號處理函數(shù)做成了圖形模塊，只要直接調(diào)用就可以在程序中使用，集成了豐富的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析功能，如振動分析中常用到的FFT 變換函數(shù)、小波分析函數(shù)等等。另外，Lab-VIEW 與流行的數(shù)值分

8、析軟件MATLAB 及C 語言之間可以相互調(diào)用，這樣更加豐富了在LabVIEW 環(huán)境下編程的功能和運(yùn)算 分析能力。對振動信號進(jìn)行頻譜分析需對實(shí)時采集到的一系列信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT ），LabVIEW 將FFT 做成一個功能模塊。程序?qū)FT 功能模塊進(jìn)行簡單的調(diào)用就實(shí)現(xiàn)了振動信號的頻譜分析，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度。圖5是振動信號FFT 的圖形程序。 圖5頻譜分析程序24數(shù)據(jù)的存儲記憶對機(jī)組運(yùn)行的重要?dú)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，有利于事故分析。本文設(shè)計的系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲記憶功能，操作人員通過點(diǎn)擊前面板的“歷史數(shù)據(jù)選擇”控件，可以選擇各軸承的歷史數(shù)據(jù)，本文在SQLServer 2000數(shù)據(jù)庫中建

9、立了各通道的振動特征參量數(shù)據(jù)表，用來存儲采集日期和時間、轉(zhuǎn)速、05X幅值、1X 幅值、1X 相位、2X 幅值、振動峰值，特征參量名、數(shù)據(jù)類型及精度如表1所示。表1振動特征參量數(shù)據(jù)表 NI 公司提供的Database Connectivity Toolkit 模塊方便快捷地實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的訪問。Database Connectivity Toolkit 工具包實(shí)現(xiàn)了通過OLE DB 對數(shù)據(jù)庫的操作。該模塊無需利用其它編程語言，不需要復(fù)雜的程序，功能強(qiáng)大而且靈活易用，是一種很好的數(shù)據(jù)庫接口工具。圖6是存儲實(shí)時振動特征量程序，該程序可實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)報警自動存儲和手動存儲。圖6振動特征量存儲程序25數(shù)據(jù)的動

10、態(tài)顯示和圖形分析振動數(shù)據(jù)顯示包括：X 、Y 方向振動信號的時域波形圖，經(jīng)過濾波器濾波后的時域波形圖，經(jīng)過FFT 變換后的頻域波形圖以及振動頻率、振幅。不同的振動狀態(tài)表示方法具有不同的特點(diǎn)。有些故障在某些圖形上反映不明顯，但在另外一些圖形上卻表現(xiàn)得比較突出。因此，工程上進(jìn)行振動分析時經(jīng)常同時用到大量振動圖形，這些圖形對振動分析很有幫助。常用得圖形有波形圖、頻譜圖、瀑布圖、級聯(lián)圖、趨勢圖、極坐標(biāo)圖、伯德圖等。圖7動態(tài)顯示界面3結(jié)束語在汽輪機(jī)振動中，以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)為硬件條件，采用LabVIEW 語言開發(fā)了汽輪發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，具有虛擬儀器風(fēng)格，界面美觀、操作簡單、使用方便等特點(diǎn)，不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)汽輪機(jī)監(jiān)測儀表中的振動信號監(jiān)測的全部功能，而且還為汽輪機(jī)故障診斷的開發(fā)提供了條件；它可以取代傳統(tǒng)汽輪機(jī)監(jiān)測儀表中除傳感器以外的所有與振動信號有關(guān)的硬件，是真正意義的純數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1王金平，鄧艾東，曹浩嵌入式旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究J 汽輪機(jī)技術(shù)，2007（1）：21232蔣東翔，倪維斗，于文虎，等大型汽輪發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程在線監(jiān)測分析與診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)J 動力工程，1999，19（1）：49523吳國新，許寶杰基于LabVIEW 的虛擬儀器振動測試系統(tǒng)J 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，15（4）4雷振山用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的振動測