智能化扭振测量分析系统设计.doc

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1、 智能化扭振测量分析系统设计摘要:本文从汽轮发电机组的实际情况出发,充分考虑到测量精度和使用环境等方面的特殊要求,开发完成了一种新型智能化扭振测量分析系统。系统配置了2个测量机组轴系两端扭振的扭振通道和8个模拟量输入通道,由下位智能采集卡和上位PC及监测分析软件组成。上下位机通过FIFO存储器交换数据,使扭振信号的采集与分析可以同时进行,充分发挥了微处理器的实时测控功能和PC的快速数据处理能力。智能采集卡采用20 MHz的80C196单片机,并充分利用该芯片的高速输入的特点,实现了扭振的在线高精度测量,扭角分辨率达到0. 014。信号处理电路全部采用程控方法,提高了采集卡的适应能力,可以应用到

2、各种测量场合。实验测试表明该系统运行稳定可靠、抗干扰能力强、操作使用简便。1引言通常电厂发生轴段多处断裂等重大事故的原因,多数是由于大型汽轮发电机组轴系机电耦合振荡致使轴系扭振所造成。国内外近年来因扭振引起的机组轴系损坏高达30多起,造成了巨大经济损失,扭振问题已成为当今世界各国发展大机组必须解决的问题1。通过扭振信号来监测主轴的运行状态可以防止灾害事故的发生,可以对轴及其相关部件进行损伤检测和故障诊断,从而保证机组的安全经济运行,具有极其重要的现实意义122。测量扭振主要有2类方法128:一类是直接测量法,另一类是间接测量法。其中直接测量法又分为接触测量法与非接触测量法:接触测量法是在轴上贴

3、应变片测量剪应变或者在轴上切向安装压电加速度计,这种方法需要在轴上安装传感器等测量装置,有时不得不破坏轴的原来结构,这在许多场合下是不允许的,因此这种方法不适用于汽轮机组轴系的振动测量;而非接触测量法不需要在轴上安置特殊装置,利用轴上已有的等分结构,测量准备工作较少,测量过程也不干扰轴的正常运转,它最适合扭振的长期监测之用,将成为大型旋转机械扭振测量和监测的主要方法。非接触测量法有多种,例如脉冲时序法1、光电编码器测量法、激光测扭法3。时间脉冲法测量轴系扭振,是利用磁电式传感器获取安装在轴上的等分或不等分齿轮产生的系列脉冲串,从中分析得到轴系扭振信号1。利用晶振产生的时钟对各脉冲间隔进行计数,

4、确定每一脉冲间隔的时间,并与无扭振时平稳角速度的脉冲间隔进行比较,从而获得转轴的扭振信息。光电码盘测量法使用高密度增量式光电编码器,在轴端附近固定一个支架,编码器通过弹簧片固定在支架上,通过传感器产生脉冲,脉冲的时间间隔反映了轴瞬时角速度的大小,从而获得扭振信息627。这种方法难以消除横振的影响,且不适用于高温、污染严重的场合,不适用于汽轮机组轴系的振动测量。间接测量法是根据扰动前机端电压、机端电流的测量值计算稳态运行时汽轮机输入机械转矩;根据扰动期间机端电压、机端电流的测量值再现扰动期间发电机电磁转矩425,8。假定汽轮机输入机械转矩不变,以扰动期间发电机电磁转矩作为激励,求电网扰动引起的轴

5、系各段扭力矩;该方法的最大特点是结构简单,只需要测量机端电压和机端电流,其余工作都是由软件完成,除了需要将机端所用常规电流互感器换为空芯线圈CT外,不需附加别的传感器,因而实用、价廉。本文提出了一种新型智能化扭振采集系统,这一系统兼具脉冲时序法及间接测量法的优点,不仅能够测量扭振信号而且能够提供三相电流、电压信号等机组状态参数,具有测量精度高、成本低、控制参数现场可编程设置、使用场合可适用性等特点。2扭振测量基本原理本系统的扭振测量方法采用脉冲时序法,其原理如图1所示。将磁电式传感器对正齿轮安装,当轴旋转时,传感器上感应出与齿形有关的脉冲信号。将该信号进行整形处理得到标准的矩形脉冲波。再将矩形

6、脉冲波输入到单片机的高速输入部件(HSI),采用测周法测量每个脉冲的时间宽度。具体方法是,利用单片机的高速计数功能,对单片机的内部时钟进行计数,计数时间由该矩形脉冲控制,根据计数值可以计算得到每个脉冲的时宽值。当机组稳定运转时,轴系无扭振,如果齿轮齿形完全相同时,则与每个齿对应的矩形脉冲宽度都相同,即为轴系转动周期除以齿数;当轴系存在扭振时,每个齿对应的矩形脉冲宽度发生变化,其与原宽度之差的大小反映扭振的大小。因此,只要测出每个齿对应的矩形脉冲宽度的变化,就可以得到轴的扭振。由于实际的齿轮存在齿形误差,所以即使轴系无扭振,也会导致每个齿形对应的矩形脉冲宽度不同。为了消除齿形误差影响,首先测定无

7、扭振时各齿形对应的矩形脉冲宽度,并以此作为每个齿形的基准数据。这样,在以后的测量中把各齿对应的矩形脉冲宽度与基准数据进行比较,得到脉冲宽度变化值,经过换算得到扭振角位移。为了准确记录每个齿的位置,在轴系上安装一个键相传感器,以键相传感器信号作为参考起点。以键相信号到来的时刻作为起点,如图2所示,测得相邻2个齿之间的时间间隔ti(i=1,2,Z),Z为齿轮齿数。设轴旋转k周的时间为T,平均角速度为=2k/T。若轴发生扭振,则第i个齿对应的矩形脉冲宽度ti相对于基准数据tbi会发生很小的变化ti:其对应的角度变化为:式(2)计算得到的角度变化i为齿i相对于前一齿i21发生的角度变化,第n个齿的角位

8、移n为前n个齿发生的角度变化之和,即:根据式(3),就可以计算得到每个齿相对于键相起点的角位移,即扭振大小。3系统总体构成本系统由上下位机组成,如图3所示,下位机是以80C196微处理器作为主CPU的数据采集和初步处理部分,上位机为PC,主要进行数据分析及结果显示,下位机以板卡的形式插在PC的ISA总线插槽上。这种结构可充分利用微处理器的控制功能、PC机的快速数据处理能力及多任务处理方式等特点。3.1数据采集板卡设计下位机的核心为80C196芯片,这种16位机很适用于高速采集与控制系统。其主要性能特点为:CPU没有专用累加器,RALU直接对寄存器阵列进行各种算术逻辑操作,从而提高了速度,具有高

9、速I/O部件;28个中断源;8通道的10/8位A/D转换器,采样与转换时间可选择;可采用20MHz的晶振;具有较高的性价比。利用80C196芯片的HSI部件,记录脉冲到来的时刻,经过数据处理后,数据送入RAM存储区,查询FIFO存储器状态,当满足条件时送入FIFO,然后经ISA总线送入上位机。3.2扭振信号预处理电路在同一截面上放置一对成180的传感器, 2个传感器的信号经过求和处理后可获得纯扭振信号。但这一信号必须前置处理,包括分压、限幅放大、隔离、施密特触发等,处理后的脉冲标准信号就可进入数字电路部分,扭振信号预处理框图如图4所示。在电路中增加了一路键相信号,以便在采样时确定测量脉冲的起点

10、,这样如果在测量中丢失一些数据,很容易重新找到脉冲的起点,开始下一周期的测量。目前,用于电厂测转速的传感器主要有电磁传感器和电涡流传感器,电磁传感器获得信号电压范围为25+5 V,电涡流传感器获得信号电压范围为2180 V,为适应现场不同情况,前期预处理电路的电压调整部分设计成可以程控调节,根据实际情况在线进行控制参数的修改。3.3A /D转换电路随着高压大电网与大型汽轮发电机组的不断发展,网机之间关系日趋复杂。电网扰动引起的电磁转矩的变化破坏了汽轮机驱动机械转矩与发电机阻尼电磁转矩之间的平衡,能够使机组轴系发生强烈扭转振动,轴系应力迅速增大,对大轴及其零部件造成疲劳寿命损耗,甚至由此产生大轴

11、、叶片断裂等严重事故,因此有必要监测机端电压与电流的变化。在这套扭振测量系统中,设计了8路A/D转换通道,可以将机端电压与电流测量值转换为数字量,A/D转换利用单片机内部的A/D转换部件。3.4CPLD数字逻辑控制部分本系统的数字逻辑控制由CPLD完成,CPLD的主要功能是:80C196的地址译码电路, PC的地址译码电路,80C196与PC机握手通信控制,对FIFO的控制逻辑。其内部逻辑框图如图5所示。3.5测点选择及传感器的放置测点一般应远离扭振模态节点,尽量位于扭角大的截面,以便得到较强的信号,但节点的位置是不固定的,会随扰动扭力矩的频率而变化,但不论轴系的固有频率和振型怎样,轴的两端都

12、不会成为节点,所以选在轴的两端作为测点,利用轴上原有的测速齿轮进行测量。为消除横振的影响,将2只磁电式传感器沿齿盘圆周相隔180放置。由于实际现场汽轮机主轴上可能会安装1个或2个测速齿轮,测量系统设计了2个测量通道以适应不同的情况。3.6扭角分辨率下位机80C196的T1计数速率是每8个状态周期计数一次,为提高精度与速度, 80C196采用20 MHz晶振,则状态周期为100 ns,T1的计数周期Tt=800 ns,轴的转动周期为Tn=1/50,脉冲信号的计数误差为1个计数周期,因此扭角分辨率为:4系统软件的设计系统功能模块如图6所示,由图6可以看出,系统功能由下位机软件与上位机软件协同实现。

13、4.1下位机软件设计下位机软件主要对来自现场传感器的各种模拟量以及经扭振信号预处理电路获得的数字量信号进行实时采集。在初始化部分进行模拟电路控制参数设定,工作模式的设置,中断设置及开中断,然后等待上位机发启动信号,以键相信号为起点开始数据采集,当数据采集的数量达到要求时作预处理,为数据传送做准备,判断FIFO为空时,数据送入FIFO,接着重新等待键相信号作为下一包数据采集的起点,循环执行。程序流程图如图7所示。4.2上位机软件设计上位机监控软件定时对FIFO的状态进行查询,当FIFO半满时则读取来自下位机的实时数据,经过计算与处理,实现同步扭振判断、报警、数据记录、故障分析、机组运行状态监测等

14、功能,其功能结构图如图8所示。5实验为了验证这一系统的正确性,本文在扭振实验台上进行测试,其结构如图9所示。扭振实验台转速为1 500 rpm。发电机为三相同步发电机,功率为3 kW,每相带负载为1 kW。轴上装有2个60齿扭振测量齿轮。每个齿轮处相隔180安装一对传感器。传感器信号传送到下位机采集处理。在额定转速和额定负荷时,突然切断某相负载导致轴系发生扭振。用本文开发的测试系统测得的实验台的扭振实验结果如图10所示。实验时同时用丹麦Brel&Kjr的激光扭振仪进行测量,测量结果与本文系统测量结果一致,表明本文开发的系统具有较好测量精度。本文开发的扭振测量系统已在某电厂一台200MW汽轮发电

15、机组上安装使用。系统扭振信号取自该机组已安装的飞利浦TSI系统MMS6000。目前系统运行情况良好,扭振测量结果可以在Intranet进行浏览,为现场运行和管理人员提供了极大方便。6结论大型汽轮发电机组轴系扭振问题是当前机电耦合研究的焦点,扭振的准确测量是关键。本文从汽轮发电机组的实际情况出发,充分考虑到测量精度和使用环境等方面特殊要求,开发完成了一种新型智能化扭振测量分析系统。系统配置了2个测量轴系两端扭振的扭振通道和8个测量发电机三相电流、电压及机组负荷等参数的模拟量输入通道。系统由下位智能采集卡和上位PC及监测分析软件组成。上下位机通过FIFO存储器交换数据,使得扭振信号的采集与分析可以

16、同时进行,因而可以充分发挥微处理器的实时测控功能和PC的快速数据处理能力。智能采集卡采用20MHz的80C196单片机为核心,并充分利用该芯片的高速输入部件特点,实现了扭振的在线高精度测量,扭角分辨率达到0. 014。信号处理电路全部采用程控方法,提高了采集卡的适应能力,可以应用到各种测量场合。实验测试表明该系统运行稳定可靠、抗干扰能力强、操作使用简便。参考文献 1 傅海忠.用于大型旋转轴系的扭振测量技术研究D.北京:清华大学, 1990 2 杜极生.国内外关于扭振监测装置的研究综述 J.汽轮机技术, 1991(10): 16219. 3SIMPSON D G., LAMB D G. S. A

17、 laserDoppler system formeasurement of torsional vibrationM. UNIted Kingdom:NEL. ReportNo.639, Departmentof Industry, 1997. 4 GIESECKEH D. Measuring torsional natural frequenciesof turbine generators by on2linemonitoringC. Proceed2ings of the 2003 International JointPowerGeneration Con2ference, 2003

18、: 6072613. 5 张晓玲,唐锡宽.转轴扭角及扭振测试技术研究J.清华大学学报, 1997, 37(8): 83286. 6 徐洪志,张艳春.新型旋转机械扭振监测仪的研制J.电子技术应用, 2004(12): 28229, 32. 7 刘妍,李玩幽,蔡振雄,等.模拟式扭振仪的研制J.集美大学学报, 2002, 7(3): 2452248. 8 谢诞梅,杨长柱,刘占辉.汽轮发电机组轴系扭振实验研究与误差分析 J.汽轮机技术, 2005, 47(1):38240.作者简介何青,男, 1962年10月出生,分别于1985、1988和1999年在华北电力大学获得学士、硕士和博士学位,现为华北电力大学教授,主要研究方向为智能仪器与振动测试技术。EOmai:l heq ncepub.j edu. cn杜冬梅,女, 1964年9月出生,分别于1988年和1997年在华北电力大学获得学士和硕士学位,现为华北电力大学副教授,主要研究方向为机械电子技术。