基于PXI总线和计算阶比跟踪的远程振动监测技术研究

刘晓锋 裴翔

摘要：汽轮发电机组单机容量和运行参数的增加，机组振动安全日益重要，同时设备管理信息化水平的提高，旋转机械振动远程监测诊断系统在近年得到较为广泛的应用。目前远程诊断系统在使用过程中，其系统的稳定性、数据的准确性，振动分析功能的完备均存在缺陷，远没有实现其功效。本文从技术层面提出了基于PXI总线和技术阶比跟踪技术的监测系统，在动态信号数据采集和分析方面基于先进的测控仪表PXI总线和计算阶比振动信号分析技术，对现有监测系统进行了全面的技术提升，代表了未来监测系统的技术发展方向。

Abstract： With the increase of single-machine capacity and operating parameters of steam turbine generator sets， the vibration safety of the unit is becoming more and more important， and as the level of equipment management informatization is improved， the remote monitoring and diagnosis system for rotating machinery vibration has been widely used in recent years. At present， in the course of using the remote diagnosis system， the stability of the system， the accuracy of the data and the completeness of the vibration analysis function are all flawed， and the efficacy is far from being realized. This paper proposes a monitoring system based on PXI bus and technology order tracking technology from the technical level. Based on the advanced measurement and control instrument PXI bus and calculation order vibration signal analysis technology in dynamic signal data acquisition and analysis， the comprehensive technical improvement of the existing monitoring system is carried out， which represents the technical development direction of the future monitoring system.

關键词：振动;远程监测;PXI总线;阶比分析

Key words： vibration;remote monitoring;PXI bus;order ratio analysis

中图分类号：TP277                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）15-0050-03

1  系统总体设计

典型的远程振动监测与故障诊断系统整体结构主要由三个部分组成：①数据采集站;②中心服务器（专职工程师室）;③机组远程监测诊断中心（RMD系统），如图1所示。数据采集站和中心服务器组成汽轮机振动监测诊断系统（TDM系统），机组远程监测诊断中心即RMD系统。TDM系统+RMD系统即为所指远程振动监测与故障诊断系统。

本文系统总体架构：TDM系统现场数据采集站采用PXI总线，振动信号分析处理采用软件计算阶比跟踪技术开发。下面详细论述实现本发明的关键技术和方法。

2  基于PXI总线的动态振动信号采集系统硬件

功能概述：

研制的PXI5410卡是一种基于PXI标准的同步采集功能卡，可直接插在PXI机箱插槽中，用于4通道旋转机械动态振动信号采集。板卡尺寸为3U高度100mm×160mm，主要元器件布局及简要说明如图1，输入端子采用BNC连接器，模拟信号调理电路可以实现涡流探头和速度传感器切换，电压调理范围为-24V～+24V。AD采用AD7606，PXI接口电路，PXI总线电路。

PXI5410采集卡可分为模拟信号调理，AD同步采集和PXI接口驱动转换3个部分。采集卡基本框图如图2所示。PXI5410输入信号来自现场的振动信号。信号经过滤波和电压调整等调理后进入模数转换芯片，本方案中AD选用是16位8通道同步采集AD7606，最高单通道可达采样频率200K。PXI接口直接通过专用的PCI接口芯片来实现接口设计，采用美国PLX公司生产的PCI9054。为了实现多板卡的同步采样，采用统一的采样触发信号。触发信号由星型槽位给每个板卡（所以每个PXI板卡都要有主从模式，主模式为星型槽位，提供触发信号，从模式为外围槽位，接收触发信号）。

3  基于阶比跟踪技术的动态振动信号处理方法

3.1 阶比分析的方法

传统的旋转机械振动阶比跟踪方法采用硬件方式来实现，需要有锁相环、倍频分频电路，并且还需要有截止频率实时可调的抗混叠跟踪滤波器等，电路复杂，成本高。公告号为CN102175439的中国专利，公开了一种“针对旋转机械的阶次分析实现方法”其对等角度重新采样是“根据更新频率的低速脉冲以及当前高速轴上的转速脉冲分别对采集卡输出信号进行等角度重采样”。此种方法在转动机械转速不变或变化小时相当有效，但当转速随时变化大时，此时的更新频率是由第一次采样时的频率计算得来;因此，当用此更新频率与当前高速轴上的转速脉沖进行等角度重采样，将带来更新频率与当前高速轴上的转速脉冲不同步，采样数据不准确。所以，传统的阶比跟踪方法用在变转速机械，特别是升、降速速率较高时，由于瞬时频率无法跟踪只能采用预设，又由于等角度重采样是通过硬件的再次采样，因此，阶比跟踪会出现大的误差，甚至是错误的分析结果。

为解决现有技术的问题，提出一种由固定的采样频率实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析方法，通过由固定的采样频率实现精确的等角度采样，不存在频率混乱现象，也就是转轴每转动一次，采样点对应于转轴上的角度差是一致的，在转轴上位置是固定的，从而实现准确的整周期同步采样。

3.2 计算阶比分析的具体实施方式

基于重采样原理的计算阶比跟踪分析实现振动信号整周期同步采样，它主要能解决因转速变化而产生的振动频率模糊现象。算法可以在振动信号采样频率不变的情况下，将等时间间隔振动信号转化为等角度间隔振动信号，计算流程参见图3。计算阶比跟踪的数据输入包括等时间采样间隔的振动信号和转速脉冲信号（由键相信号提供每转1个），根据设备工作转速确定振动分析频率范围，确定分析阶比数M。对采集到的转速脉冲信号进行2×M倍插值，获得等角度信号样本的时间序列。对等时间间隔采集的振动信号进行抗混滤波并依据等角度样本时间序列插值重采样，将时域等间隔振动信号转化为角域等角度振动信号。对角域振动采样信号进行快速傅立叶变化（FFT），得到振动信号阶比谱与各阶振动波形。其具体步骤是：

①信号采集。信号采集装置的采样频率固定，采样频率最低应大于2×M倍工作转速，连续采集振动信号和转速脉冲信号。

②转速估计。算法设定转速脉冲电压的触发阈值，标定转速脉冲信号的上升沿或下降沿的时间，计算两个连续转速脉冲的时间间隔。这样就可以确定设备旋转一周的转速和对应的瞬时频率。

③等角度振动信号时间序列。对每周期的转速脉冲间隔进行2×M倍插值。确定时域等时间隔振动信号转化为角域等角度信号所对应的时间序列。插值算法采用级联积分梳状滤波器[1]。

④根据转速估计和等角度振动信号时间序列。首先根据转速估计对采集的等时间隔振动信号进行数字抗频率混叠滤波。然后依据角域等角度时间序列插值技算得到对应的均角振动信号。

⑤对角域等角度振动信号进行FFT频谱分析，得到振动频谱和阶比谱，各阶振动波形可通过恒带宽滤波[2]或者Gabor变换[3]得到。

本实施例实时跟踪的实现：每采集0.25秒就进行一次信号分析，信号重采样频率是根据实际转动频率（因为信号已经完成采集，根据信号进行精确计算的）进行调整的，而非硬件方式下，由上一次转动频率值，对下一次转动频率进行预测，再对采样频率进行调整。

实施例中，所述的插值重采样算法是线性插值、样条插值、拉格朗日插值或者sinc插值算法中的一种。在精度运行范围内，最佳方案是采用线性插值，速度快，准确精度高。

实施例中，所述阶比数M是2的n次方，n是4或4以上的正整数。最佳n是6，速度快，精度已基本满足要求。

实施例中，所述数字滤波采用Kaiser窗FIR滤波器。

本实施例中：

①如图3所示，按照某一固定的采样频率;如图3所示，同步采集旋转机械的一路转速键相脉冲信号，N路振动信号，如图4所示。

②对键相脉冲信号，根据上升（或下降）沿电压值大小人为指定阈值，或按照某一算法，由统计学规律，自动计算阈值大小。根据这一阈值，由检波算法，如图5所示，准确识别和记录键相脉冲信号上升沿（或下降沿）的到达时间t0、t1、t2…tN。

③如图6所示，由两个脉冲间的时间差，dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtN-1=tN-tN-1，计算转速rpm和瞬时频率f。

④如图7所示，根据转速估计对采集的等时间隔振动信号进行数字抗频率混叠滤波。然后依据角域等角度时间序列插值技算得到对应的均角振动信号。

⑤图8所示为对等角度振动信号FFT分析得到的旋转机械振动阶比谱。

采用本实施例方法，使用美国NI公司的24位数据采集USB4432，无需添加任何其他硬件（如锁相环、倍频电路等），由1个光电传感器和4个振动传感器分别采集1路转速键相信号和4路振动信号，即构成了一个高精度振动信号采集分析系统，实现变转速振动信号阶比跟踪采集和阶比分析功能。

本实施例方法目的是实现精确的等角度采样，也就是转轴每转动一次，采样点对应于转轴上的角度差是一致的，在转轴上位置是固定的，从而实现准确的整周期同步采样。

4  结束语

汽轮发电机组远程监测技术经过十余年的发展，目前进入了滞胀期，究其原因，一是：技术陈旧落后，导致采集的振动数据无法达到故障诊断的要求;二是，故障振动系统的人工智能化停滞不前。本文在基于PXI总线和技术阶比跟踪技术的监测系统，在动态信号数据采集和分析方面基于先进的测控仪表PXI总线和计算阶比振动信号分析技术对现有监测系统进行了全面的技术提升。下一步将在远程系统的智能诊断方面进行研究和突破。

参考文献：

[1]陈路俊，赵军.积分梳状滤波器（CIC）的分析与设计[J].信息通信，2015（1）：80-82.

[2]贾建蕊，马延爽，张英.一种恒定带宽可调滤波器的设计[J].无线电工程，2015（9）：45-48.

[3]非平稳旋转机械故障诊断中的时—频阶比分析研究[D].北京交通大学，2012.