關(guān)鍵詞：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測 故障診斷 振動信號分析 大型發(fā)電機(jī)組
一 前言
隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展以及大型機(jī)組的投產(chǎn)，各種容量的機(jī)組數(shù)量不斷增多。如何保證發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定是人們普遍關(guān)心的重要問題。而現(xiàn)階段我國大型發(fā)電機(jī)組的檢修一般實(shí)行計劃檢修制度，不管設(shè)備狀態(tài)如何，到期必修，由此造成大量的資源浪費(fèi)。這種傳統(tǒng)的預(yù)期維修體制已不能滿足現(xiàn)代維修、運(yùn)行、管理的要求。發(fā)電機(jī)組設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障的誘因繁多，雖有一些故障不一定以振動形式表現(xiàn)出來，但統(tǒng)計資源表明，發(fā)電機(jī)組約有80%的故障或事故在振動信號中有所反映，因此，振動監(jiān)測是目前發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用最為普通和有效的方法，通過對這些振動信號的分析，充分發(fā)掘其中所包含的故障信息，對發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行、檢修決策具有重要的實(shí)際意義。
設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測最為重要的是設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時準(zhǔn)確采集以及狀態(tài)的實(shí)時評估，如何尋找一個適合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與評估的軟件平臺，是十分重要的。MATLAB語言及其系統(tǒng)是MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化分析軟件。它集數(shù)值分析、信號處理、仿真控制、圖形顯示等于一體，構(gòu)成了一個操作方便、功能強(qiáng)
本文就Matlab的DAQ、信號分析等工具，并結(jié)合研華科技的高速采集卡PCI-1712以及電力專用控制器UNO-3062在發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的具體應(yīng)用作一探討。
二 狀態(tài)評估與分析系統(tǒng)
發(fā)電機(jī)組在出現(xiàn)故障時的振動信號通常是一快速瞬態(tài)變化的參量，必須高速采集。而評價一套高速動態(tài)信號采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)通過速率、系統(tǒng)精確度、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)線性誤差、系統(tǒng)共模抑制比、系統(tǒng)通道串?dāng)_抑制比以及系統(tǒng)短期穩(wěn)定度。此外，還有一些重要指標(biāo)：系統(tǒng)控制方式、系統(tǒng)總數(shù)據(jù)量、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)自動增益調(diào)節(jié)方式等。其中，系統(tǒng)通過率是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于一般采集系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的一項技術(shù)指標(biāo)。對于發(fā)電機(jī)組振動信號采集系統(tǒng)而言，在諸多技術(shù)指標(biāo)中，最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精確度與通過率。發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)評估與分析系統(tǒng)的配置見圖1所示。
Matlab的編程是一種描述性的語言，對采集卡的實(shí)時控制需要一些中間件驅(qū)動，Matlab對采集卡PCI-1712的控制見圖2所示。
三 數(shù)據(jù)采集與存儲
1. 數(shù)據(jù)采集的定時與控制
采樣頻率需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，同時根據(jù)目前用于該系統(tǒng)的振動加速度傳感器的中心響應(yīng)頻率而定。此外，還要考慮采集卡所用的PCI總線的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲的速率要求等。在本系統(tǒng)中，振動加速度上限響應(yīng)頻率為20kHz，為考慮采樣精確度，對每個周波擬采樣8～10點(diǎn)，由此可得，要滿足傳感器所感應(yīng)的信號的要求時，振動加速度信號的采樣頻率為800kS/s，由于PCI-1712板載只有一路ADC，考慮到通道之間切換、通道建立等時間，將其采樣頻率定在1MS/s。為了能確保連續(xù)采集的數(shù)據(jù)反映設(shè)備的振動特性，PCI-1712連續(xù)采集時間可控制在2.4s，約為發(fā)電機(jī)組的兩個旋轉(zhuǎn)周期。
2. 高速緩存技術(shù)
在滿足采集速率要求的前提下，為減輕數(shù)據(jù)存儲對記錄設(shè)備速度方面的要求，采用FIFO存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，所有數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式傳輸，在一定程度上降低了對數(shù)據(jù)傳輸和存儲速度方面對主機(jī)資源配置的要求。FIFO存儲器具有兩個特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)進(jìn)出有序；二是輸入/輸出端口獨(dú)立。靈活地使用FIFO不僅可構(gòu)成不同容量、不同寬度、不同工作性質(zhì)的緩存系統(tǒng)，而且不需要復(fù)雜的邏輯控制電路和地址發(fā)生器，因此，利用FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器可提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性。
3. 智能觸發(fā)技術(shù)
由于PCI-1712設(shè)定的采樣頻率較高，為防止數(shù)據(jù)丟失、提高計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集效率和加速數(shù)據(jù)的傳輸效率，所有采集數(shù)據(jù)均采用DMA方式傳輸?shù)絻?nèi)存，再由內(nèi)存到用戶數(shù)據(jù)池。為保證ADC的精確采樣率，ADC觸發(fā)源選用內(nèi)部Clock Pacer，并采用Analogy Threshold Trigger的技術(shù)觸發(fā)ADC，可以在數(shù)據(jù)采集的過程中就可將一些不必要的背景噪聲進(jìn)行處理，使采集得到的信號得以"凈化"，提高了采集信號的可用度，有效地降低信號的維數(shù)。
4. 高速數(shù)據(jù)塊存儲策略
針對發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)的超聲波信號采集單元，每塊采集卡均包括4個相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道和1個共同的數(shù)據(jù)通道。4個通道由傳感器、A/D鎖存器、控制單元和緩存器FIFO組成。共同的數(shù)據(jù)通道由PCI總線控制器、PCI總線、主機(jī)內(nèi)存和硬盤組成，負(fù)責(zé)將4路采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后在控制總線的控制下，經(jīng)PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內(nèi)存，再由主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲到磁盤，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與實(shí)時存儲。數(shù)據(jù)實(shí)時存儲策略見圖3所示。
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在高速信號采集過程中，最為重要的是防止數(shù)據(jù)丟失。由于每塊采集卡上自帶FIFO，可將其分成兩個FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器，在控制邏輯單元的控制下，交替地對兩個FIFO進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作：若FIFO(A)處于數(shù)據(jù)寫狀態(tài)時，F(xiàn)IFO(B)則處于數(shù)據(jù)讀狀態(tài)，PCI控制器將緩存在FIFO(B)中的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)內(nèi)存后，發(fā)出事件響應(yīng)信號，主機(jī)的事件響應(yīng)處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，同時FIFO(B)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)寫狀態(tài)，在數(shù)據(jù)存儲過程結(jié)束后，F(xiàn)IFO(A)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀狀態(tài)，其中的數(shù)據(jù)經(jīng)過與FIFO(B)中的數(shù)據(jù)相同的路徑進(jìn)行存儲。這樣FIFO(A)和FIFO(B)在控制邏輯單元的控制下，周而復(fù)始地進(jìn)行讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲同步進(jìn)行。而其他幾路的數(shù)據(jù)采集與存儲過程與此相同，為便于后續(xù)數(shù)據(jù)讀取和分析，將多路的輸出合并后同時進(jìn)入計算機(jī)內(nèi)存同時進(jìn)行記錄存儲，同時由于多路的數(shù)據(jù)采集與緩存是由硬件電路自動進(jìn)行的，而主機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存
在數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)中，為加快數(shù)據(jù)傳輸速度，采用了DMA工作方式。具體工作過程為：當(dāng)系統(tǒng)啟動后，首先對采集卡進(jìn)行檢測，如采集卡存在則申請系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、中斷和DMA資源等，初始化PCI控制器為總線的主設(shè)備，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)(如定義中斷號、復(fù)位FIFO標(biāo)志、FIFO管理方式、DMA傳輸源地址和目的地址以及傳輸字節(jié)數(shù)、總線主設(shè)備使能等)。在該程序中，以事件消息傳遞方式進(jìn)行工作，即當(dāng)DMA將PCI總線控制器FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)內(nèi)存中，當(dāng)傳輸達(dá)到預(yù)定量時，PCI總線控制器向主機(jī)發(fā)送事件消息信號(Buffer Chang Event)，主機(jī)中的事件處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲到磁盤中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲功能。
四 狀態(tài)分析與評估
MATLAB含有豐富的分析工具，特別是在信號的處理與分析上，而設(shè)備在正常和出現(xiàn)故障時的振動頻譜是有所差異的，因此，信號的頻譜分析是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的重要工具。在故障診斷中，一般采用功率譜估計的頻譜分析方法。功率譜估計可分為經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代譜估計。經(jīng)典譜估計又分為直接法(周期圖法)和間接法。間接法由于計算復(fù)雜且計算量大，在實(shí)際中極少被采用。針對直接法的功率譜曲線起伏大或者分辨率不高等缺點(diǎn)，有改進(jìn)法Bartlett法和Welch法?，F(xiàn)代譜估計主要是為了改善經(jīng)典譜估計的方差、偏差以及分辨率相互制約的特性而產(chǎn)生的，大致可分為參數(shù)模型和非參數(shù)模型譜估計?，F(xiàn)代譜估計的參考模型有自回歸模型AR、滑動平均模型MA以及自回歸滑動平均模型ARMA等。非參數(shù)模型譜估計是通過相關(guān)矩陣的特征值分解和分析求得頻譜估計，根據(jù)實(shí)際需要，采用基于AR模型的最大熵譜分析方法，其中，其階次的選擇根據(jù)最終預(yù)測誤差準(zhǔn)則(FPE準(zhǔn)則)確定為64，AR分析的方法采用改進(jìn)協(xié)方差算法。試驗(yàn)測試結(jié)果見圖4。
部分基于Matlab采集與最大熵譜分析的程序如下：
(1)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集分為六個步驟：創(chuàng)建接口對象、配置測量通道、配置屬性、開始測量、采集數(shù)據(jù)、停止測量并刪除對象。
(a)創(chuàng)建接口對象：函數(shù)"analoginput"可為DAQ板卡創(chuàng)建一個接口對象，ai=analoginput('advantech', 0)，為采集卡進(jìn)行配置。% "0"為采集卡在DeviceManager中的ID。
(b)配置測量通道：ichan=add-channel (ai, 0)；
(c)配置屬性：set(ai, 'InputType', 'DifferentEnded')；set(ai, 'SampleRate', 1000000)；
set(ai,'SamplesPerTrigger', 1000000)；set (ichan, 'InputRange', [-5 5])；
(d)開始測量：start (ai)；
(e)數(shù)據(jù)采集: 將獲取的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到MATLAB的工作區(qū)。它有一個緩沖區(qū)，用來臨時保存DAQ板卡采集的數(shù)據(jù)。[data, time]=getdata(ai, 100000)；
(f)停止測量并刪除對象；
stop(ai)；delete(ai)；ai=analoginput ('advantech', 0)； clear ai
(2)最大熵譜分析
fid=fopen('D:\')；% 為數(shù)據(jù)名
da=fscanf(fid,'%lf',[2,100000])； da=da'; fclose(fid)；
[Px1,f]=pmcov(xx(1:102400),64,nfft,Fs);
plot(f,plot_pxx,'b-',f,10×log10(Px1),'r:')；
grid on；
五 結(jié)束語
隨著計算機(jī)處理能力的增強(qiáng)，MATLAB在數(shù)據(jù)采集與分析領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越強(qiáng)，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用也會越來越廣泛。使用Matlab數(shù)據(jù)采集工具箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用方法，在Matlab內(nèi)控制數(shù)據(jù)采集卡是最直接的方式，同時可以完全和Matlab整合并進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)存取和實(shí)時的分析，將更加有利于工程師們的應(yīng)用。目前，Matlab的數(shù)據(jù)采集以及Simulink中Real-Time Window Target工具中已支持研華的DAQ達(dá)幾十種，將會更加有利于客戶方便使用。
（轉(zhuǎn)載）
