水電廠機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視是提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性、降低維護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，由于各種原因（如電氣、機(jī)械和水力等因素）可能造成擺度和振動(dòng)過大甚至超標(biāo)，有時(shí)也可能誘發(fā)共振而導(dǎo)致某些部件振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)將危及機(jī)組的安全運(yùn)行。因此有必要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的擺度和振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)是以工業(yè)控制機(jī)為主體，以美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺(tái)，研制開發(fā)了水電廠分布式的水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水電廠振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

水電廠機(jī)組振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指由安裝于機(jī)組各部位各種類型的傳感器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及相應(yīng)軟件一起構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)是由若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站和一個(gè)主站構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)工作站的核心部分為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要任務(wù)是用于對(duì)每臺(tái)機(jī)組的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并將數(shù)據(jù)和處理結(jié)果保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)也可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模式和需要通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送往主站。

現(xiàn)場(chǎng)站也具備完整的分析和記錄功能，使之在脫離計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)后也具有獨(dú)立工作的能力。主站在硬件上，通過掛接在本地局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)與各現(xiàn)場(chǎng)站的數(shù)據(jù)通訊。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上講，每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工作站的功能類似于數(shù)據(jù)服務(wù)器，是整個(gè)振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，其中存放的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能的基本依據(jù)。

而總站的作用類似于客戶機(jī)，提供了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的工具、方法和人機(jī)界面。系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

1. 基于LabWindows/CVI開發(fā)的水電廠振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

水電廠機(jī)組振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在成本、性能和可靠性方面都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1) 該系統(tǒng)的主要好處是資源共享，包括程序和數(shù)據(jù)的共享。不但用一個(gè)程序可以訪問多個(gè)不同的處理機(jī)，而且一個(gè)處理機(jī)及其所屬的局部存貯器可以被多個(gè)不同的程序所訪問，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

2) 該系統(tǒng)的性能價(jià)格比上也具有優(yōu)點(diǎn)，特別是微處理機(jī)價(jià)格低廉，使采用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)構(gòu)的處理系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上較使用高性能的單機(jī)系統(tǒng)更好。

3) 該系統(tǒng)可靠性高，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)單機(jī)系統(tǒng)影響較大，而系統(tǒng)的個(gè)別部件（單元）的故障可以用增加冗余度的方法來(lái)解決。這樣使系統(tǒng)故障由于足夠的冗余度而進(jìn)一步減少或以功能降級(jí)方式運(yùn)行。同時(shí)還可以對(duì)故障加以隔離，以達(dá)到高可靠性。

除此以外，系統(tǒng)利用率高、負(fù)載均勻性、信息流通量大、響應(yīng)時(shí)間加快、較好的模塊性和較強(qiáng)容錯(cuò)性等都是分布式處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，水力機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是合理的，對(duì)于大機(jī)組、多參數(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)來(lái)說也是一個(gè)很自然的選擇。

2. 水電廠振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個(gè)重要方向。在以工業(yè)控制機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，虛擬儀器不僅可以通過軟件編程設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試功能，而且可以通過不同測(cè)試功能的軟件模塊組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多種分析、處理功能。因此在硬件平臺(tái)確定后有“軟件就是儀器”的說法。

這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次的結(jié)合?？紤]到虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)選擇了著名的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI作為水電廠機(jī)組在線振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)。

水電廠機(jī)組振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)站的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，Windows操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源、功能調(diào)用、進(jìn)程調(diào)度等。在基礎(chǔ)層之上是CVI的運(yùn)行引擎（Run-Time Engine），提供由CVI開發(fā)的應(yīng)用程序所必需的庫(kù)函數(shù)支持。

用戶界面事實(shí)上是按各種不同的功能需求設(shè)計(jì)的一組虛擬儀器面板，使用者通過對(duì)某面板的操作完成對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制。程序控制將使用者的命令轉(zhuǎn)換成對(duì)系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)或數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)中各功能模塊的調(diào)用。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)站在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

所采集的數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果根據(jù)不同的需要以數(shù)據(jù)庫(kù)表格形式或文件形式存放在現(xiàn)場(chǎng)站硬盤中。由于這些數(shù)據(jù)或結(jié)果將是分析工作站或其余工作站的數(shù)據(jù)源，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，同時(shí)避免沖突并保證數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性和完整性，所有需要共享的數(shù)據(jù)庫(kù)及文件均通過開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)技術(shù)ODBC進(jìn)行讀取。

這些，都是通過LabWindows/CVI提供的數(shù)據(jù)庫(kù)工具SQL Toolkit實(shí)現(xiàn)的。這就保證了任意連接于網(wǎng)絡(luò)上的、且具有訪問權(quán)限的應(yīng)用程序均可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全的訪問。另外還要說明的是圖中的采集卡驅(qū)動(dòng)。它是應(yīng)用軟件與采集卡實(shí)現(xiàn)通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。

CVI 提供了一整套比較完善的數(shù)據(jù)采集函數(shù)供使用者在開發(fā)虛擬儀器的過程中調(diào)用。如果選用NI提供的板卡和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序NIDAQ，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)相關(guān)的軟件開發(fā)將是很容易的事情。

類似地，作為上位機(jī)的分析工作站也是基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用軟件。所不同的是其數(shù)據(jù)源不再是安裝于機(jī)內(nèi)的采集卡，而是通過開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)技術(shù)ODBC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)或文件進(jìn)行讀取而獲得。

1、在線監(jiān)測(cè)

軟件主要具有在線監(jiān)測(cè)、受控測(cè)量、數(shù)據(jù)錄波和試驗(yàn)錄波等基本監(jiān)測(cè)功能，以及振動(dòng)區(qū)域繪制、振動(dòng)趨勢(shì)分析和報(bào)警歷史記錄顯示等擴(kuò)展功能。本文主要介紹在線監(jiān)測(cè)功能，其它的功能只做簡(jiǎn)單說明。

在線監(jiān)測(cè)以波形圖和頻譜圖的方式，在線連續(xù)監(jiān)測(cè)和顯示機(jī)組各導(dǎo)軸承的擺度、頂蓋振動(dòng)、機(jī)架振動(dòng)、尾水管壓力脈動(dòng)等情況，并能動(dòng)態(tài)地顯示三導(dǎo)軸承的擺動(dòng)軌跡及相對(duì)位置。當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，還能給出報(bào)警信息。在線監(jiān)測(cè)還可對(duì)機(jī)組的動(dòng)能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體包括機(jī)組出力、機(jī)組發(fā)電效率、累計(jì)發(fā)電量、累計(jì)耗水率等參數(shù)的顯示。

[1] 使用方法

要啟動(dòng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)功能，在主畫面上點(diǎn)擊“在線監(jiān)測(cè)”按鈕即可。該畫面可大概地分為三個(gè)區(qū)域，即菜單區(qū)、當(dāng)前信息區(qū)和圖形顯示區(qū)。

• 菜單區(qū)

該區(qū)用于對(duì)畫面的操作。主要包括以下幾方面：

參數(shù)設(shè)置下拉菜單：該菜單包括通道參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置兩項(xiàng)。在在線監(jiān)測(cè)功能中，如果運(yùn)行人員認(rèn)為有必要修改當(dāng)前通道設(shè)置參數(shù)或系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)以獲得正確結(jié)果或更精確的表達(dá)，可使用該菜單直接進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置畫面,而無(wú)需先返回主畫面再進(jìn)行設(shè)置。

值得說明的是，當(dāng)運(yùn)行人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，在線監(jiān)測(cè)功能并未停止運(yùn)行，且當(dāng)由上述兩畫面返回到在線監(jiān)測(cè)功能時(shí)，新設(shè)置的參數(shù)將在下一個(gè)檢測(cè)周期生效。

畫面切換下拉菜單：該菜單包括擺度波形圖、擺度頻譜圖、三導(dǎo)軸心軌跡圖、振動(dòng)及壓力脈動(dòng)波形圖、振動(dòng)及壓力脈動(dòng)頻譜圖、各通道特征參數(shù)表和流量效率監(jiān)測(cè)畫面等項(xiàng)，用于在在線監(jiān)測(cè)中根據(jù)需要對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行直接切換。

當(dāng)前畫面打?。狐c(diǎn)擊此菜單，系統(tǒng)將對(duì)當(dāng)前的畫面內(nèi)容進(jìn)行輸出打印。

返回主畫面：點(diǎn)擊此菜單，在線監(jiān)測(cè)停止，并將畫面返回到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主畫面。

• 當(dāng)前信息區(qū)

該區(qū)放置了當(dāng)前的日期、時(shí)間、蝸殼進(jìn)口壓力（以水柱表示）、尾水管出口壓力（以水柱表示）、機(jī)組凈水頭、機(jī)組有功及采樣指示。

• 圖形顯示區(qū)

該區(qū)顯示的內(nèi)容根據(jù)所切換的畫面的不同而不同。當(dāng)系統(tǒng)由主引導(dǎo)畫面轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測(cè)畫面時(shí)，圖形顯示區(qū)默認(rèn)的顯示畫面為通道特征數(shù)據(jù)畫面。通過在畫面切換下拉菜單中選擇不同的選項(xiàng)，可顯示在線監(jiān)測(cè)擺度波形及頻譜圖、軸心軌跡圖、振動(dòng)波形及頻譜圖、壓力脈動(dòng)波形及頻譜圖、通道特征數(shù)據(jù)表、機(jī)組流量效率監(jiān)測(cè)圖等圖形。以擺度波形圖、軸心軌跡圖、振動(dòng)頻譜圖簡(jiǎn)單說明。

擺度波形畫面包括六個(gè)虛擬示波器，用以分別顯示各導(dǎo)軸承X、Y方向的機(jī)組擺度隨時(shí)間變化的波形圖，即時(shí)域波形圖。此外，在每個(gè)波形圖上還以數(shù)據(jù)框的形式給出當(dāng)前波形圖的最大值、最小值和有效值供操作者參考。

軸心軌跡畫面用于繪制導(dǎo)軸承的軸心軌跡圖及導(dǎo)軸承相對(duì)軸心軌跡圖。其中，左側(cè)的三個(gè)小圖分別為上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)各自的軸心軌跡圖，其軸心參考位置均取為各軸承X, Y方向擺度當(dāng)前測(cè)量值的均值。

而中間的大圖是三個(gè)導(dǎo)軸承的軸心軌跡繪制在一起的情形，用于觀察三個(gè)導(dǎo)軸承軸心軌跡的相對(duì)位置及相對(duì)大小，其軸心參考位置應(yīng)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中確定。該畫面右側(cè)的部分用于直觀地展現(xiàn)機(jī)組三導(dǎo)軸心軌跡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即在每次采樣結(jié)束后對(duì)三導(dǎo)軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)地進(jìn)行慢速回放。

振動(dòng)頻譜畫面四個(gè)虛擬示波器用于分別顯示各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖（波形圖對(duì)應(yīng)的頻域信息）。并在每個(gè)頻譜圖上以數(shù)據(jù)框的形式給出當(dāng)前頻譜圖的最大值及其發(fā)生的頻率，供操作者參考。

[2] 報(bào)警功能

本裝置在在線工作條件下提供常規(guī)的報(bào)警功能。當(dāng)輸入的任一通道的報(bào)警功能被選擇，且當(dāng)前輸入信號(hào)的特征量（峰峰值或有效值）超過預(yù)先給定的門檻值，并達(dá)到預(yù)先給定的重復(fù)次數(shù)，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

該報(bào)警信號(hào)觸發(fā)裝置的動(dòng)作有：

• 使輸出報(bào)警繼電器常開接點(diǎn)閉合。
• 點(diǎn)亮機(jī)柜前面板上方右側(cè)的紅色報(bào)警指示燈，以提示運(yùn)行人員報(bào)警已經(jīng)發(fā)生。
• 將當(dāng)前報(bào)警時(shí)的特征量，如：報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警內(nèi)容（報(bào)警源）、報(bào)警依據(jù)（峰峰值或有效值）、報(bào)警時(shí)設(shè)定的門檻值（報(bào)警門檻）、報(bào)警時(shí)的實(shí)際值以及機(jī)組出力、機(jī)組運(yùn)行凈水頭信息記入到報(bào)警歷史記錄中供今后由本裝置提供的歷史記錄功能查詢。
• 向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站發(fā)送本現(xiàn)場(chǎng)站報(bào)警的相關(guān)信息。
• 在在線監(jiān)測(cè)的圖形顯示區(qū)彈出報(bào)警畫面，如圖7所示。圖中報(bào)警燈為紅色的通道，是當(dāng)前的報(bào)警通道，而報(bào)警燈為綠色的通道則表示未報(bào)警的通道或報(bào)警已復(fù)歸的通道。報(bào)警燈變紅的同時(shí)在畫面的右側(cè)顯示與報(bào)警相關(guān)的一些信息。

2、受控測(cè)量

受控測(cè)量是指在人為控制下監(jiān)測(cè)感興趣的工況或某一時(shí)段的擺度、振動(dòng)及壓力脈動(dòng)情況。當(dāng)認(rèn)為某監(jiān)測(cè)的圖形可用于今后使用時(shí)，可將此圖進(jìn)行存儲(chǔ)。待需要時(shí)可讀取作進(jìn)一步分析。受控測(cè)量除了提供類似于在線監(jiān)測(cè)所具有的波形圖和頻譜圖外，還提供了較深入的分析功能，比如小波分析、功率譜分析、自譜圖分析等，以便為相關(guān)專家在分析機(jī)組振動(dòng)原因時(shí)提供參考，同時(shí)這些分析功能也為機(jī)組的振動(dòng)專家系統(tǒng)提供有效的理論依據(jù)。

3、數(shù)據(jù)錄波

數(shù)據(jù)錄波是在預(yù)先設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)機(jī)組的擺度和振動(dòng)情況進(jìn)行連續(xù)采樣錄波。通過返讀的方式，可將測(cè)得的波形調(diào)出進(jìn)行觀察。在返讀過程中，還可存儲(chǔ)其中的某一時(shí)段的波形。此處存儲(chǔ)的波形可由受控測(cè)量功能讀回以進(jìn)行深入分析研究。

4、試驗(yàn)錄波

試驗(yàn)錄波是在預(yù)先設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)所有通道進(jìn)行斷續(xù)數(shù)據(jù)采集。每采集一次就對(duì)其中的一個(gè)或幾個(gè)（最多可達(dá)六個(gè)）通道的數(shù)據(jù)在示波器上顯示出來(lái)。該功能主要用于在機(jī)組的啟停過程中，捕捉工況變化時(shí)機(jī)組的運(yùn)行情況。若試驗(yàn)者對(duì)該錄波數(shù)據(jù)感興趣，可進(jìn)行再存儲(chǔ)，以方便日后調(diào)出做分析之用。

5、振動(dòng)區(qū)域

振動(dòng)區(qū)域用于顯示和繪制機(jī)組的振動(dòng)超標(biāo)情況，該振動(dòng)區(qū)域可用于指導(dǎo)調(diào)度避開機(jī)組的振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。

6、趨勢(shì)分析

趨勢(shì)分析用于繪制機(jī)組在某一工況下某一時(shí)間段內(nèi)的機(jī)組振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)情況，最長(zhǎng)時(shí)間段為一年。該趨勢(shì)分析可用于分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)檢修和視情檢修提供參考依據(jù)。

結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用證明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合水電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求，其豐富的軟件、硬件功能能夠滿足水電機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)的具體要求。通過把系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)測(cè)量手段得到的數(shù)據(jù)相比較，證明系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果正確、可信。

由于在軟件、硬件設(shè)計(jì)等方面采取了一系列抗干擾措施，系統(tǒng)適合在電廠強(qiáng)電磁干擾環(huán)境使用。經(jīng)過進(jìn)一步積累現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并完善系統(tǒng)功能和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，從而提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者為姜先軍。）