摘要：随着社会的发展，我国的电厂不断增加，汽轮机在电厂中占据着重要的位置。本文介绍了汽轮机振动传感器故障诊断及校验仪的结构、设计方案、主要技术实现和现场应用。基于LabVIEW程序开发了仪器的上、下位机界面和检测信号的幅值域、时间域和频率域分析模型，采用研华数采和信号调理模块实现了仪器与现场瓦振、轴振、键相传感器的连接，利用MATLAB实现了故障分析和诊断算法，设置实时数据库存储运行数据，多个技术部件一起构成了汽轮机振动传感器故障诊断及校验仪。通过全面的现场应用测试试验，结果表明该仪器能够很好地完成汽轮机运行现场振动传感器的在线监控、信号分析和故障诊断，经产品化后可作为火电厂、核电厂、水电厂汽轮机在线振动监控的可靠工具，也可以用于具有大型旋转机械振动监控的场合。
关键词：汽轮机；振动传感器；故障诊断；信号分析
引言
在电厂众多的核心设备中，汽轮机具有特殊的重要性，其能否平稳运行对保证电厂安全和电力供应至关重要。汽轮机振动状态的在线监控是评价汽轮机工作状态的重要技术手段。通过对汽轮机振动的监测和分析可以及时掌握设备运行状态，对故障做出早期预警，以便及时采取措施消除振动故障，减少事故的发生，为保证安全生产提供帮助。
1汽轮机振动传感器故障诊断及校验仪的总体设计
校检仪在设计上主要有5重目标：对现场运行的振动传感器进行在线检测和实时数据保存，对实时振动信号的幅值域分析、时间域分析和频谱分析，对现场振动传感器进行故障诊断，对振动传感器进行标准校验，形成检测、分析、诊断和校验的报告文档。在信号接线上，既要保证在传感器安装现场的前置器直接接入，又要保证在主控机房从TSI模件柜接入。这些目标由系统硬件和软件联合保证实现。
2仪器结构设计
2．1仪器硬件系统的总体结构和实现
首先作为最底层的信号调理层，主要使用的是工业级信号调理模块，其将来自于振动传感器前置器的、规格不同的微电流信号和微电压信号统一放大、调制为标准的0～20mA和－10～+10V电信号；第二层是数据采集层，使用工业级高速、高精度数采和A/D转换模块将振动信号和脉冲频率信号转换为软件能够处理的数字信号；第三层是在线监控层，借助于直接安装在仪器中的平板触摸式工控机（下位机）实现多路（6路电流通道、6路电压通道、1路键相通道、1路标准探头通道）振动信号的同步采样、基本处理和存储。并且，在这一层搭载了一个数据库以保证数据存储无误和数据安全性；第四层是信号分析与故障诊断层，主要设备是一台能与仪器本体进行网络通讯的笔记本计算机（上位机）。该笔记本计算机既可以作为一个在线监控设备完成第三层平板工控机的所有工作，又可以将平板工控机的数据传上来后离线在办公室等场合进行信号分析、故障诊断、传感器校验、报告生成等高级工作，具有很大的灵活性。
2.2仪器软件系统的功能实现和总体结构
仪器软件系统的总体结构主要是由汽轮机振动传感器故障诊断及校验仪的功能设置决定。在功能上，仪器能够实现：（1）汽轮机运行现场振动测量系统的在线监控；（2）对振动信号的多角度信号分析，包括幅值域分析、时间域分析、频谱分析，分析手段有幅值趋势、频谱、功率谱、自相关分析、幅值－转速关系等；（3）对振动传感器的故障检测和诊断，通过直观判断和信号分析诊断2种方式；（4）振动传感器的在线运行校验，为此专门设置了标准探头通道；（5）自动生成仪器运行、监控、故障诊断的电子化报告（Word版）。为此，软件系统按下位机和上位机2个子系统完成，下位机软件子系统专注于上述功能1的在线监控，并设置了一些简单的参数计算；上位机软件子系统完成上述全部功能，包括在线监控。
3系统的主要技术要点
3．1振动数据的信号分析功能
要对震动数据进行分析，首先要对震动数据进行信号分析，然后挖掘出隐含于振动数据中的、能反映传感器异常或故障的特征信息。一般公认的有效信号分析工具包括（以离散信号形式为例）：
3．1．1周期信号幅值域分析参数均值（反映了信号的静态强度）：
有效值（反映了振动总能量）：
峰峰值：
3.1.2信号的相关分析参数
自相关函数Ｒx（τ）（反映同1个信号、2个相差τ时刻的值之间的关联程度）：
互相关函数Ｒxy（τ）（反映2个信号、2个相差τ时刻的值之间的关联程度）：
3.1.3周期信号频域分析参数
频域分析指标如幅值谱、相位谱、功率谱、功率谱密度，通过FFT等计算。
3．2振动传感器的故障诊断功能
振动传感器故障诊断主要分为三种类型，有电涡流型传感器诊断、压电型传感器诊断和磁电型传感器诊断，然后可以根据这三种类型的传感器建立能刻画故障原因、故障现象、故障信号分析特征、故障处理的“振动传感器故障信息专家库”。在该“故障专家库”的基础上，采用2种诊断和推理方案：第一种为“经基本检查和判断来确定故障原因”，即在界面上展示若干基本的、易于直观检查的故障，请用户技术人员直接通过勾选的方式尽可能确定故障原因；第二种要复杂一些，称为“经传感器监测信号分析来确定的故障”，即“经过信号分析诊断故障”，其要点是：大部分复杂故障无法通过表观检查直接确定，但这些故障在幅值域、时间域或频率域都会留下一些特征痕迹，并且所有故障的图形都可以归类为有限的几十种图形特征表现。为了细化故障诊断功能和搜索、匹配准确，针对振动传感器的故障划分为4类：传感器本身故障类、传感器安装不规范引起的故障类、传感器使用环境不良引起的故障类、传感器输出信号反映的故障类。
3．3实时数据库的配置和接口设计
在生产的过程重，要对现场的数据进行技术的采集和处理，一般常规的关系数据库不能满足其要求，需要实时的数据库管理系统的支持。从系统的实时性、接口方便、使用简单和与其他模块一体化等方面考虑，本系统选用LabVIEW自带的Citadel5作为仿真机的实时数据库，它是用于集成生产过程信息与高层次应用软件（如先进控制、优化、管理）的基础数据平台，通过Citadel5用户可以访问和集成来自操作单元范围内的数据，通过分析工具、历史数据管理、图形化的用户界面和大量的过程接口来访问和集成数据。
结语
综上所述，本文针对一种便携式的汽轮机震动传感器的故障诊断和校检仪进行了设计开发，并对其结构、设计方案、主要技术实现和现场应用进行了介绍。基于LabVIEW程序开发了仪器的上、下位机界面和检测信号的幅值域、时间域和频率域分析模型，采用数采和信号调理模块实现了仪器与现场瓦振、轴振、键相传感器的连接，利用MAT-LAB实现了故障分析和诊断算法，设置实时数据库存储运行数据，多个技术部件一起构成了汽轮机振动传感器故障诊断及校验仪，体现了专用化、小型化、系统开放化，使用和维护非常简便和低成本。通过全面的现场应用测试试验，结果表明该仪器能够很好地完成汽轮机运行现场振动传感器的在线监控、信号分析和故障诊断，经产品化后可作为火电厂、核电厂、水电厂汽轮机在线振动监控的可靠工具，也可以用于具有大型旋转机械振动监控的场合。
参考文献：
［1］张学延．汽轮发电机组振动诊断［M］．北京：中国电力出版社，2008．
［2］寇胜利．汽轮发电机组的振动及现场平衡［M］．北京：中国电力出版社，2007．
［3］李录平，卢绪祥．汽轮发电机组振动与处理［M］．北京：中国电力出版社，2007．
论文作者:马建祥
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
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