基于LabVIEW的水電機組振動監測系統設計

丁 鈺，楊旭輝，楊超杰

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基于LabVIEW的水電機組振動監測系統設計

丁 鈺1，楊旭輝2，楊超杰1

（1. 華北水利水電大學，河南 鄭州 450000；2. 國網新源陜西鎮安抽水蓄能有限公司，陜西 西安 710061）

相對智能化較低的傳統儀器，采用基于LabVIEW軟件為開發平臺的高技術虛擬儀器，研制水輪發電機組振動狀態監測和診斷系統，實現對水輪發電機組振動信號的數據采集與分析、數據處理與顯示及結果控制與儲存。對機組振動狀態進行實時監測與故障診斷，及時采取措施將振動故障限制在允許范圍內，這項工作對水輪發電機組安全可靠穩定運行具有工程實際指導意義。

水電機組；狀態監測；虛擬儀器

0 前言

水電機組作為水力發電中的核心設備，其運行狀態對實際工程的生產發電、經濟效益和設備安全等影響巨大，在水電機組工作運轉過程中產生的振動是一種廣泛存在且不可避免的現象。因此，對機組運行中產生的振動進行實時監測，且對要發生的故障及時控制，對水電機組的安全運行乃至對整個水電廠安全生產都具有重要的意義。而目前對水電機組的振動監測多數情況仍采用以硬件為主的傳統儀器，它是由生產廠家提前先定義設計且不可更改的固定測量系統構成[1]。由于傳統儀器缺乏靈活性，其功能的擴展性及整體性較差、開發與維護費用高，有時盡管資金投入很大，仍很難滿足實際生產中的各種需求。而計算機技術和測試技術的不斷更新快速發展，彌補了傳統儀器的弊端，使得用戶本身可以靈活設計并使用，也可根據實際需求使用者自己定義儀器的功能。從新型觀念與技術變化來看，虛擬監測系統用顯示器取代了傳統監測設備面板、將信號處理變成系統軟件的核心并采用面向總線接口的控制技術，這樣用戶可以通過軟件工具設計組建各種智能化監測系統[2]。運用這種新型虛擬儀器監測技術，在實際工程監測方面更具有靈活性、適用性以及更高性價比等優勢。

目前來講，國內在機組振動狀態監測系統方面研究取得一定的成果，也有個別公司嘗試把虛擬儀器技術運用在水力機組振動監測上，并取得一些進展。但實際證明，系統理論研究與工程應用之間仍存在一定的差異。水電機組振動監測技術與當前領先的計算機技術的結合是其發展趨勢，其發展方向是系統中選擇傳感器的精確化、敏感化，LabVIEW軟件模型的多元化，監測技術的智能化，對機組進行全方位多角度的實時監測。在水電廠的水力發電機組振動監測與故障分析系統方面，運用高性能虛擬儀器技術必定會促進將來的振動監測和狀態監測技術的快速發展[3]。

水輪發電機組在運轉過程中，不同部件及部位都有可能發生振動，根據機組振動原因及類型，機組振動檢測對象的測點位置布置反應了測試系統的功能范圍。水輪發電機組可能產生振動的主要部件有轉動部件、上機架、下機架、頂蓋、尾水管等。本文以某水電站為例，其電站額定水頭97m，選用立軸混流式水輪發電機組，水輪機型號為HLD33B-LJ-218，額定轉速333.3r/min，發電機型號為SF34-18/5100，額定轉速333.3r/min。下文將對該水電站進行基于LabVIEW技術的機組振動監測系統設計。

1 LabVIEW和虛擬儀器技術介紹

LabVIEW是實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是由美國國家儀器公司(National InstrumentCorporation，簡稱NI)創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具。LabVIEW是一種圖形化編程語言(又稱為G語言)，它在功能完整性和應用靈活性上不遜于任何采用文本編程的高級語言，同時還具有豐富的擴展函數庫，這些擴展函數庫主要面向數據采集、GPIB和串行儀器控制，以及數據分析、數據顯示和數據存儲等[4]。用這種語言編程時，不同于C++、Visual Basic等編程語言，它基本不用寫程序代碼，取而代之的是用圖標、連線和框圖構成的圖形化編程語言，但編程和思維過程還很相似，卻使得操作簡單直觀易懂。大多類型平臺的操作系統都支持LabVIEW軟件，借助任意平臺研發的LabVIEW應用程序都可直接轉移到其它操作系統上。通過LabVIEW軟件來創造與真實物理面板相似的虛擬面板，該軟件已成為數據采集與控制、數據分析與處理、測試結果的顯示等方面的領先開發平臺[5]。

LabVIEW是虛擬儀器中不可缺少的一部分，為用戶提供簡單易用的程序開發軟件平臺。利用強大的計算機功能、高效的處理數字信號和超強的控制性能，結合運用高精度的A/D、D/A數據轉換卡（DAQ數據采集卡），組成了虛擬儀器對振動信號監測系統，相對于傳統專屬儀器系統，此系統實現了同等甚至更強大的功能，如圖1所示。虛擬儀器可重復使用，技術更新和功能擴展只需相關軟件的更新，不需要增加新的設備，與傳統儀器相比虛擬儀器具有以下性能特點[6,7]：（1）智能化程度高，系統處理能力強，技術更新時間短，系統組建和集成更方便；（2）可操作性比較強，花銷費用比較低；（3）系統開放、靈活，與計算機的進步同步，未來擴展開發更容易；（4）測量精度和可重復性更高，用戶定義測量功能更容易；（5）開關和電纜等連接件較少，極易與其他設備連接。

圖1 虛擬儀器信號監測系統基本框架

2 水電機組振動監測系統設計

2.1 系統硬件設計

系統硬件主要由基礎硬件平臺和硬件接口模塊組成[8]。其中，基礎硬件平臺是虛擬儀器的心臟，采用是臺式計算機，用來提供實時高效的數據分析功能。硬件接口模式主要用于采集、分析、傳送信號，包括各種傳感器、數字/模擬轉換器（DAC）、數據采集卡（DAQ）、信號調理器等。本系統采用的傳感器為國產的DP型振動傳感器，其下限頻率可達1Hz。通用接口總線用來把獨立的儀器連接到計算機上，虛擬儀器接口常見總線形式有GP-IB虛擬儀器測試系統、串口總線（RS232）測試系統、PC-DAQ/PCI插卡式、VXI 和PXI 總線測試系統或它們之間的隨意結合系統。其中，PC-DAQ/PCI插卡式是虛擬儀器監測系統中最實用最廉價最常用的接口總線構成方式。由此，本系統也采取PC-DAQ/PCI插卡式。振動監測系統虛擬儀器的硬件工作組成，在水電機組測點處用振動傳感器將其接受到的的振動信號轉化為電信號，經由信號調理轉換后，由數據采集卡將離散化后的數據送入計算機，從而進行數據分析和結果顯示等過程，以代替并完善傳統測試儀的功能。

2.2 系統軟件設計

基本硬件系統設計后，通過設計的軟件系統來實現不同功能，這樣一個完整的虛擬儀器系統就構造出來了。而軟件是虛擬儀器的靈魂，是直接決定整體監測系統的有效性。用戶通過采用以LabVIEW軟件為虛擬儀器專用開發平臺修改或編程軟件，方便地改變、增減儀器系統的功能和規模。采用美國NI公司研發的LabVIEW圖形化編程軟件作為開發工具，LabVIEW軟件編程開發環境由前面板（Front Panel）和程序框圖（Program Chart）以及圖標/連接設計（Icon/Connector）三部分組成[9]，提供了豐富的函數關系庫式和子程序系統庫，通過這些實現了硬件系統的軟件化，設計出符合實際技術要求的振動監測系統。因此，系統軟件設計采用模塊化，系統軟件模塊有：數據采集模塊、數據處理模塊、數據分析模塊、數據管理模塊、數據庫模塊、系統設置模塊、數據輸出模塊、輔助功能模塊[10]。具體而言，通過軟件系統的設計，振動狀態監測系統在采集數據后需要實現簡單的分析工作，包括數據分析、快速傅里葉分析、啟停狀態和正常運行狀態的分析、現實不同監視圖像分析、狀態報告打印等[11]。對需要分析診斷的所有狀態信息進行整合與管理，將涉及到的信號分析和函數分析等綜合起來，并結合其他模塊對信號進行處理，及時判斷機組運行狀態，對監測出的振動故障發生的部位、原因等給出相應的檢修方法，為機組的振動故障管理提供指導[12]。

3 應用實例分析

結合上述設計方案，實時監測系統對該水電站進行了設計，可以讓用戶看到各監測對象隨時間的變化，監測對象的振動數據以棒形圖或者波形圖的形式顯示[13]。通過實時監測系統模塊還可以對比各通道監測對象的振動幅度大小，在監測過程中，系統可以通過監測界面上的數字來顯示振動幅度大小，并根據幅度大小來改變棒形圖顏色以提醒用戶，振幅正常時用綠色顯示，限制范圍內用黃色顯示，超過系統設定值用紅色顯示，并在幅值超過正常范圍時發出警報，提醒監測人員及時處理。棒形圖監測子VI流程圖如圖2所示。

由圖3可以看出，由發電機下導軸承處采集到的的振動信號波形，經過濾波、除燥等一系列處理后，得到類似正弦波的振動信號，且其振動頻率為11.01Hz，振動頻率約為發電機大軸轉頻的2倍。通過分析可得，造成振動的原因可能為發電機定子內腔和轉子外圓之間的氣隙不均勻，在定子和轉子之間產生不平衡磁拉力引起的。造成定、轉子之間氣隙不均勻的原因有可能是由于發電機定子或轉子不圓，或定、轉子不同心，也可能是轉子磁極在運行中出現松動、熱變形或其他原因造成的。為了防止由定、轉子間氣隙不均造成的機組振動，在設計制造時，應精心設計，提高定、轉子的圓度，及安裝時對同心度的要求，加強安裝要求，避免發電機轉子磁極在運行中出現松動現象[14]。

圖2 棒形圖監測子VI流程圖

系統從機組下導軸承處的傳感器接收振動信號轉換為電信號，對此電信號進行時域波形分析，所得分析結果如圖3所示，從而分析得出機組產生振動的部位及分析可能產生振動的原因。

圖3 振動信號分析結果圖

圖4中所示信號為設置在機組尾水管處的傳感器感受到的振動信號轉換為電信號，通過對其電信號進行頻域分析后，所得分析結果如圖4所示。

圖4 振動信號分析結果圖

由圖4可以知道，經過濾波后的信號是一不規則的波形，經FFT變換處理后可以得到振動中主要信號的頻率約為1Hz，屬于低頻振動，由此可以判斷出引起該振動的原因是尾水管內水流產生渦帶而引起壓力脈動造成的。尾水管內產生低頻渦帶可能是由于機組在運行時偏離最優工況致使水輪機轉輪出口處水流具有一定的圓周分量，從而產生渦帶。為了消除由尾水管渦帶造成的壓力脈動，可以采取優化水力設計，使機組盡可能在設計工況內運行，同時可以加長泄水錐、加長尾水管錐段等改變水流流動及旋轉等措施[15]。

4 結束語

通過對監控系統的研究以及對相關資料的收集和整理，充分了解狀態監測在水電機組運行中的重要作用。以LabVIEW為軟件平臺開發研制出一套面向水輪發電機組振動的具有比較完善的狀態監測系統，該系統可以完成振動信號的及實采集，將信號傳輸到數據處理服務器中，具有高效、簡單的特點。本文對某水電站水電機組進行振動狀態監測，又對機組下導軸承處測點的振動信號進行分析，以棒形圖和波形圖顯示出來，使得監測、查詢和分析都及其具體直觀，表明該系統監測效果良好。系統通過對設備的監測，能夠實時分析運行過程中可能出現的問題并及時進行處理，可以為相關系統設計提供研究依據，有著很高的推廣價值和應用前景。

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Hydro Turbine Vibration Monitoring System Design Based on LabVIEW

DING Yu1, YANG Xuhui2, YANG Chaojie3

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China;2. Shaanxi Zhen’an net Source Pumped Storage Power Co., Ltd., Xi’an 710061, China)

Compared with traditional instruments with lower intelligence and on the basis of theLabVIEW software as an advanced virtual instrument development platform, this study built up a monitoring and diagnosis system of vibration stateof hydroelectric generating set. The systemwill realize the data collection, statistical analysis, data processing and control, data storage and display of the vibration signals of hydroelectric generating set. The system also monitored the vibration state and fault diagnosis in real-time so that measures can be implemented timely to limit the vibration fault in an allowable scope.The work to the safe and stable operation of hydro-generator units has guiding significance to the practical engineering.

hydroelectric generating set; condition monitoring; virtual instrument

TK730.8

A

1000-3983(2017)06-0052-04

2017-04-17

丁鈺（1993-），華北水利水電大學在校研究生，主要研究熱能與動力工程（水動方向）。