发电机振动在线检测

水轮发电机组的安全、经济运行在电厂已经越来越重要，水电企业对水轮发电机组的状态监测与故障分析技术提出了更高的要求。文中介绍了在虚拟仪器开发平台LabWindows/ CVI中开发的水轮发电机组在线振动监测系统的应用。

水电厂机组的运行状态监视是提高机组运行的安全性、可靠性、降低维护成本、提高经济效益的重要途径。水轮发电机组在运行中，由于各种原因（如电气、机械和水力等因素）可能造成摆度和振动过大甚至超标，有时也可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，严重时将危及机组的安全运行。因此有必要对水轮发电机组运行中的摆度和振动进行在线监测。

本系统是以工业控制机为主体，以美国国家仪器公司的LabWindows/CVI为软件开发平台，研制开发了水电厂分布式的水轮发电机组振动在线监测系统。水电厂振动摆度监测系统的总体结构

水电厂机组振动摆度在线监测系统是指由安装于机组各部位各种类型的传感器、计算机数据采集分析系统及相应软件一起构成的综合系统。整个系统是由若干个现场工作站和一个主站构成。现场工作站的核心部分为工业控制计算机，主要任务是用于对每台机组的传感器信号进行采集和处理，并将数据和处理结果保存在本地数据库中，同时也可根据预先设定的模式和需要通过计算机网络送往主站。

现场站也具备完整的分析和记录功能，使之在脱离计算机网络后也具有独立工作的能力。主站在硬件上，通过挂接在本地局域网上实现与各现场站的数据通讯。从网络结构上讲，每台现场工作站的功能类似于数据服务器，是整个振动、摆度监测系统的数据核心，其中存放的各种实时数据和历史数据是实现系统各功能的基本依据。

而总站的作用类似于客户机，提供了实现系统各种功能的工具、方法和人机界面。系统简化框图如图1所示。

1. 基于LabWindows/CVI开发的水电厂振动摆度监测系统的优点

水电厂机组振动摆度在线监测系统在成本、性能和可靠性方面都具有显著的优点：

1) 该系统的主要好处是资源共享，包括程序和数据的共享。不但用一个程序可以访问多个不同的处理机，而且一个处理机及其所属的局部存贮器可以被多个不同的程序所访问，实现全系统的数据共享。

2) 该系统的性能价格比上也具有优点，特别是微处理机价格低廉，使采用多台微型计算机构的处理系统在经济上较使用高性能的单机系统更好。

3) 该系统可靠性高，当系统内部出现故障时，对单机系统影响较大，而系统的个别部件（单元）的故障可以用增加冗余度的方法来解决。这样使系统故障由于足够的冗余度而进一步减少或以功能降级方式运行。同时还可以对故障加以隔离，以达到高可靠性。

除此以外，系统利用率高、负载均匀性、信息流通量大、响应时间加快、较好的模块性和较强容错性等都是分布式处理系统的优点。因此，水力机组在线振动监测系统是合理的，对于大机组、多参数的振动监测分析系统来说也是一个很自然的选择。

2. 水电厂振动摆度监测系统的软件系统的结构发电机振动在线检测

虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是仪器产业发展一个重要方向。在以工业控制机为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块组合来实现多种分析、处理功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。

这也体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。考虑到虚拟仪器的优点选择了著名的虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI作为水电厂机组在线振动摆度监测系统的软件开发平台。

水电厂机组振动摆度在线监测系统现场站的软件体系结构如图2所示。其中，Windows操作系统是软件系统的基础层，负责管理系统资源、功能调用、进程调度等。在基础层之上是CVI的运行引擎（Run-Time Engine），提供由CVI开发的应用程序所必需的库函数支持。

用户界面事实上是按各种不同的功能需求设计的一组虚拟仪器面板，使用者通过对某面板的操作完成对振动监测系统的控制。程序控制将使用者的命令转换成对系统的控制，从而实现对数据采集子系统或数据分析子系统中各功能模块的调用。

所采集的数据以及分析结果根据不同的需要以数据库表格形式或文件形式存放在现场站硬盘中。由于这些数据或结果将是分析工作站或其余工作站的数据源，为实现数据的共享，同时避免冲突并保证数据库的一致性和完整性，所有需要共享的数据库及文件均通过开放式数据库互联技术ODBC进行读取。

这些，都是通过LabWindows/CVI提供的数据库工具SQL Toolkit实现的。这就保证了任意连接于网络上的、且具有访问权限的应用程序均可对现场站的数据进行安全的访问。另外还要说明的是图中的采集卡驱动。它是应用软件与采集卡实现通讯，从而实现数据采集的关键。

CVI 提供了一整套比较完善的数据采集函数供使用者在开发虚拟仪器的过程中调用。如果选用NI提供的板卡和设备驱动程序NIDAQ，数据采集子系统相关的软件开发将是很容易的事情。

类似地，作为上位机的分析工作站也是基于LabWindows/CVI开发平台的应用软件。所不同的是其数据源不再是安装于机内的采集卡，而是通过开放式数据库互联技术ODBC对现场站的数据库或文件进行读取而获得。

1、在线监测

软件主要具有在线监测、受控测量、数据录波和试验录波等基本监测功能，以及振动区域绘制、振动趋势分析和报警历史记录显示等扩展功能。本文主要介绍在线监测功能，其它的功能只做简单说明。

在线监测以波形图和频谱图的方式，在线连续监测和显示机组各导轴承的摆度、顶盖振动、机架振动、尾水管压力脉动等情况，并能动态地显示三导轴承的摆动轨迹及相对位置。当出现振动超标时，还能给出报警信息。在线监测还可对机组的动能参数进行监测，具体包括机组出力、机组发电效率、累计发电量、累计耗水率等参数的显示。

[1] 使用方法

要启动系统的在线监测功能，在主画面上点击“在线监测”按钮即可。该画面可大概地分为三个区域，即菜单区、当前信息区和图形显示区。

菜单区该区用于对画面的操作。主要包括以下几方面：

参数设置下拉菜单：该菜单包括通道参数设置和系统参数设置两项。在在线监测功能中，如果运行人员认为有必要修改当前通道设置参数或系统设置参数以获得正确结果或更精确的表达，可使用该菜单直接进入相应的设置画面,而无需先返回主画面再进行设置。

值得说明的是，当运行人员进行参数设置时，在线监测功能并未停止运行，且当由上述两画面返回到在线监测功能时，新设置的参数将在下一个检测周期生效。

画面切换下拉菜单：该菜单包括摆度波形图、摆度频谱图、三导轴心轨迹图、振动及压力脉动波形图、振动及压力脉动频谱图、各通道特征参数表和流量效率监测画面等项，用于在在线监测中根据需要对显示内容进行直接切换。

当前画面打印：点击此菜单，系统将对当前的画面内容进行输出打印。

返回主画面：点击此菜单，在线监测停止，并将画面返回到监测系统主画面。

当前信息区该区放置了当前的日期、时间、蜗壳进口压力（以水柱表示）、尾水管出口压力（以水柱表示）、机组净水头、机组有功及采样指示。

图形显示区该区显示的内容根据所切换的画面的不同而不同。当系统由主引导画面转为在线监测画面时，图形显示区默认的显示画面为通道特征数据画面。通过在画面切换下拉菜单中选择不同的选项，可显示在线监测摆度波形及频谱图、轴心轨迹图、振动波形及频谱图、压力脉动波形及频谱图、通道特征数据表、机组流量效率监测图等图形。以摆度波形图、轴心轨迹图、振动频谱图简单说明。

摆度波形画面包括六个虚拟示波器，用以分别显示各导轴承X、Y方向的机组摆度随时间变化的波形图，即时域波形图。此外，在每个波形图上还以数据框的形式给出当前波形图的最大值、最小值和有效值供操作者参考。

轴心轨迹画面用于绘制导轴承的轴心轨迹图及导轴承相对轴心轨迹图。其中，左侧的三个小图分别为上导、下导和水导各自的轴心轨迹图，其轴心参考位置均取为各轴承X, Y方向摆度当前测量值的均值。

而中间的大图是三个导轴承的轴心轨迹绘制在一起的情形，用于观察三个导轴承轴心轨迹的相对位置及相对大小，其轴心参考位置应在系统参数设置中确定。该画面右侧的部分用于直观地展现机组三导轴心轨迹的运动状态，即在每次采样结束后对三导轴心的运动轨迹自动地进行慢速回放。

振动频谱画面四个虚拟示波器用于分别显示各振动测点的频谱图（波形图对应的频域信息）。并在每个频谱图上以数据框的形式给出当前频谱图的最大值及其发生的频率，供操作者参考。

[2] 报警功能

本装置在在线工作条件下提供常规的报警功能。当输入的任一通道的报警功能被选择，且当前输入信号的特征量（峰峰值或有效值）超过预先给定的门槛值，并达到预先给定的重复次数，则产生报警信号。

该报警信号触发装置的动作有：

使输出报警继电器常开接点闭合。点亮机柜前面板上方右侧的红色报警指示灯，以提示运行人员报警已经发生。将当前报警时的特征量，如：报警发生时间、报警内容（报警源）、报警依据（峰峰值或有效值）、报警时设定的门槛值（报警门槛）、报警时的实际值以及机组出力、机组运行净水头信息记入到报警历史记录中供今后由本装置提供的历史记录功能查询。向监测系统主站发送本现场站报警的相关信息。在在线监测的图形显示区弹出报警画面，图中报警灯为红色的通道，是当前的报警通道，而报警灯为绿色的通道则表示未报警的通道或报警已复归的通道。报警灯变红的同时在画面的右侧显示与报警相关的一些信息。2、受控测量

受控测量是指在人为控制下监测感兴趣的工况或某一时段的摆度、振动及压力脉动情况。当认为某监测的图形可用于今后使用时，可将此图进行存储。待需要时可读取作进一步分析。受控测量除了提供类似于在线监测所具有的波形图和频谱图外，还提供了较深入的分析功能，比如小波分析、功率谱分析、自谱图分析等，以便为相关专家在分析机组振动原因时提供参考，同时这些分析功能也为机组的振动专家系统提供有效的理论依据。

3、数据录波

数据录波是在预先设定的一段时间内，对机组的摆度和振动情况进行连续采样录波。通过返读的方式，可将测得的波形调出进行观察。在返读过程中，还可存储其中的某一时段的波形。此处存储的波形可由受控测量功能读回以进行深入分析研究。

4、试验录波

试验录波是在预先设定的一段时间内，对所有通道进行断续数据采集。每采集一次就对其中的一个或几个（最多可达六个）通道的数据在示波器上显示出来。该功能主要用于在机组的启停过程中，捕捉工况变化时机组的运行情况。若试验者对该录波数据感兴趣，可进行再存储，以方便日后调出做分析之用。

5、振动区域

振动区域用于显示和绘制机组的振动超标情况，该振动区域可用于指导调度避开机组的振动区运行。

6、趋势分析

趋势分析用于绘制机组在某一工况下某一时间段内的机组振动、摆度及压力脉动情况，最长时间段为一年。该趋势分析可用于分析机组的运行状态，为实现机组的状态检修和视情检修提供参考依据。

结论发电机振动在线检测

实际应用证明系统的设计符合水电机组振动在线监测的实际要求，其丰富的软件、硬件功能能够满足水电机组在线振动监测保护和现场工况实验验的具体要求。通过把系统实测数据与采用传统测量手段得到的数据相比较，证明系统的监测分析结果正确、可信。

由于在软件、硬件设计等方面采取了一系列抗干扰措施，系统适合在电厂强电磁干扰环境使用。经过进一步积累现场运行实测数据，并完善系统功能和相关的数学模型，从而提高系统的性能价格比。

（本文选编自《电气技术》，原文标题为“基于LabWindows/ CVI的水电机组在线振动监测系统的应用”，作者为姜先军。）