水電廠機組的運行狀態(tài)監(jiān)視是提高機組運行的安全性、可靠性、降低維護成本、提高經(jīng)濟效益的重要途徑。水輪發(fā)電機組在運行中，由于各種原因（如電氣、機械和水力等因素）可能造成擺度和振動過大甚至超標，有時也可能誘發(fā)共振而導致某些部件振動加劇，嚴重時將危及機組的安全運行。因此有必要對水輪發(fā)電機組運行中的擺度和振動進行在線監(jiān)測。

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

水電廠機組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)是指由安裝于機組各部位各種類型的傳感器、計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及相應軟件一起構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。整個系統(tǒng)是由若干個現(xiàn)場工作站和一個主站構(gòu)成。現(xiàn)場工作站的核心部分為工業(yè)控制計算機，主要任務是用于對每臺機組的傳感器信號進行采集和處理，并將數(shù)據(jù)和處理結(jié)果保存在本地數(shù)據(jù)庫中，同時也可根據(jù)預先設定的模式和需要通過計算機網(wǎng)絡送往主站。

現(xiàn)場站也具備完整的分析和記錄功能，使之在脫離計算機網(wǎng)絡后也具有獨立工作的能力。主站在硬件上，通過掛接在本地局域網(wǎng)上實現(xiàn)與各現(xiàn)場站的數(shù)據(jù)通訊。從網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上講，每臺現(xiàn)場工作站的功能類似于數(shù)據(jù)服務器，是整個振動、擺度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，其中存放的各種實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)是實現(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，提供了實現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的工具、方法和人機界面。系統(tǒng)簡化框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡化框圖

1. 基于LabWindows/CVI開發(fā)的水電廠振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

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

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。不但用一個程序可以訪問多個不同的處理機，而且一個處理機及其所屬的局部存貯器可以被多個不同的程序所訪問，實現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

2) 該系統(tǒng)的性能價格比上也具有優(yōu)點，特別是微處理機價格低廉，使采用多臺微型計算機構(gòu)的處理系統(tǒng)在經(jīng)濟上較使用高性能的單機系統(tǒng)更好。

3) 該系統(tǒng)可靠性高，當系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，對單機系統(tǒng)影響較大，而系統(tǒng)的個別部件（單元）的故障可以用增加冗余度的方法來解決。這樣使系統(tǒng)故障由于足夠的冗余度而進一步減少或以功能降級方式運行。同時還可以對故障加以隔離，以達到高可靠性。

除此以外，系統(tǒng)利用率高、負載均勻性、信息流通量大、響應時間加快、較好的模塊性和較強容錯性等都是分布式處理系統(tǒng)的優(yōu)點。因此，水力機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)是合理的，對于大機組、多參數(shù)的振動監(jiān)測分析系統(tǒng)來說也是一個很自然的選擇。

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

虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術、通信技術和測量技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個重要方向。在以工業(yè)控制機為核心組成的硬件平臺支持下，虛擬儀器不僅可以通過軟件編程設計來實現(xiàn)儀器的測試功能，而且可以通過不同測試功能的軟件模塊組合來實現(xiàn)多種分析、處理功能。因此在硬件平臺確定后有“軟件就是儀器”的說法。

這也體現(xiàn)了測試技術與計算機技術深層次的結(jié)合。考慮到虛擬儀器的優(yōu)點選擇了著名的虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI作為水電廠機組在線振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。

水電廠機組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場站的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，Windows操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的基礎層，負責管理系統(tǒng)資源、功能調(diào)用、進程調(diào)度等。在基礎層之上是CVI的運行引擎（Run-Time Engine），提供由CVI開發(fā)的應用程序所必需的庫函數(shù)支持。

用戶界面事實上是按各種不同的功能需求設計的一組虛擬儀器面板，使用者通過對某面板的操作完成對振動監(jiān)測系統(tǒng)的控制。程序控制將使用者的命令轉(zhuǎn)換成對系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)對數(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)場站在線振動監(jiān)測系統(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)庫表格形式或文件形式存放在現(xiàn)場站硬盤中。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，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，同時避免沖突并保證數(shù)據(jù)庫的一致性和完整性，所有需要共享的數(shù)據(jù)庫及文件均通過開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術ODBC進行讀取。

這些，都是通過LabWindows/CVI提供的數(shù)據(jù)庫工具SQL Toolkit實現(xiàn)的。這就保證了任意連接于網(wǎng)絡上的、且具有訪問權限的應用程序均可對現(xiàn)場站的數(shù)據(jù)進行安全的訪問。另外還要說明的是圖中的采集卡驅(qū)動。它是應用軟件與采集卡實現(xiàn)通訊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的關鍵。

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提供的板卡和設備驅(qū)動程序NIDAQ，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)相關的軟件開發(fā)將是很容易的事情。

類似地，作為上位機的分析工作站也是基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺的應用軟件。所不同的是其數(shù)據(jù)源不再是安裝于機內(nèi)的采集卡，而是通過開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術ODBC對現(xiàn)場站的數(shù)據(jù)庫或文件進行讀取而獲得。

1、在線監(jiān)測

軟件主要具有在線監(jiān)測、受控測量、數(shù)據(jù)錄波和試驗錄波等基本監(jiān)測功能，以及振動區(qū)域繪制、振動趨勢分析和報警歷史記錄顯示等擴展功能。本文主要介紹在線監(jiān)測功能，其它的功能只做簡單說明。

在線監(jiān)測以波形圖和頻譜圖的方式，在線連續(xù)監(jiān)測和顯示機組各導軸承的擺度、頂蓋振動、機架振動、尾水管壓力脈動等情況，并能動態(tài)地顯示三導軸承的擺動軌跡及相對位置。當出現(xiàn)振動超標時，還能給出報警信息。在線監(jiān)測還可對機組的動能參數(shù)進行監(jiān)測，具體包括機組出力、機組發(fā)電效率、累計發(fā)電量、累計耗水率等參數(shù)的顯示。

[1] 使用方法

要啟動系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能，在主畫面上點擊“在線監(jiān)測”按鈕即可。該畫面可大概地分為三個區(qū)域，即菜單區(qū)、當前信息區(qū)和圖形顯示區(qū)。

• 菜單區(qū)

該區(qū)用于對畫面的操作。主要包括以下幾方面：

參數(shù)設置下拉菜單：該菜單包括通道參數(shù)設置和系統(tǒng)參數(shù)設置兩項。在在線監(jiān)測功能中，如果運行人員認為有必要修改當前通道設置參數(shù)或系統(tǒng)設置參數(shù)以獲得正確結(jié)果或更精確的表達，可使用該菜單直接進入相應的設置畫面,而無需先返回主畫面再進行設置。

值得說明的是，當運行人員進行參數(shù)設置時，在線監(jiān)測功能并未停止運行，且當由上述兩畫面返回到在線監(jiān)測功能時，新設置的參數(shù)將在下一個檢測周期生效。

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

當前畫面打印：點擊此菜單，系統(tǒng)將對當前的畫面內(nèi)容進行輸出打印。

返回主畫面：點擊此菜單，在線監(jiān)測停止，并將畫面返回到監(jiān)測系統(tǒng)主畫面。

• 當前信息區(qū)

該區(qū)放置了當前的日期、時間、蝸殼進口壓力（以水柱表示）、尾水管出口壓力（以水柱表示）、機組凈水頭、機組有功及采樣指示。

• 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。當系統(tǒng)由主引導畫面轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測畫面時，圖形顯示區(qū)默認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，可顯示在線監(jiān)測擺度波形及頻譜圖、軸心軌跡圖、振動波形及頻譜圖、壓力脈動波形及頻譜圖、通道特征數(shù)據(jù)表、機組流量效率監(jiān)測圖等圖形。以擺度波形圖、軸心軌跡圖、振動頻譜圖簡單說明。

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

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

而中間的大圖是三個導軸承的軸心軌跡繪制在一起的情形，用于觀察三個導軸承軸心軌跡的相對位置及相對大小，其軸心參考位置應在系統(tǒng)參數(shù)設置中確定。該畫面右側(cè)的部分用于直觀地展現(xiàn)機組三導軸心軌跡的運動狀態(tài)，即在每次采樣結(jié)束后對三導軸心的運動軌跡自動地進行慢速回放。

振動頻譜畫面四個虛擬示波器用于分別顯示各振動測點的頻譜圖（波形圖對應的頻域信息）。并在每個頻譜圖上以數(shù)據(jù)框的形式給出當前頻譜圖的最大值及其發(fā)生的頻率，供操作者參考。

[2] 報警功能

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

該報警信號觸發(fā)裝置的動作有：

• 使輸出報警繼電器常開接點閉合。
• 點亮機柜前面板上方右側(cè)的紅色報警指示燈，以提示運行人員報警已經(jīng)發(fā)生。
• 將當前報警時的特征量，如：報警發(fā)生時間、報警內(nèi)容（報警源）、報警依據(jù)（峰峰值或有效值）、報警時設定的門檻值（報警門檻）、報警時的實際值以及機組出力、機組運行凈水頭信息記入到報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)測系統(tǒng)主站發(fā)送本現(xiàn)場站報警的相關信息。
• 在在線監(jiān)測的圖形顯示區(qū)彈出報警畫面，如圖7所示。圖中報警燈為紅色的通道，是當前的報警通道，而報警燈為綠色的通道則表示未報警的通道或報警已復歸的通道。報警燈變紅的同時在畫面的右側(cè)顯示與報警相關的一些信息。

2、受控測量

受控測量是指在人為控制下監(jiān)測感興趣的工況或某一時段的擺度、振動及壓力脈動情況。當認為某監(jiān)測的圖形可用于今后使用時，可將此圖進行存儲。待需要時可讀取作進一步分析。受控測量除了提供類似于在線監(jiān)測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，以便為相關專家在分析機組振動原因時提供參考，同時這些分析功能也為機組的振動專家系統(tǒng)提供有效的理論依據(jù)。

3、數(shù)據(jù)錄波

數(shù)據(jù)錄波是在預先設定的一段時間內(nèi)，對機組的擺度和振動情況進行連續(xù)采樣錄波。通過返讀的方式，可將測得的波形調(diào)出進行觀察。在返讀過程中，還可存儲其中的某一時段的波形。此處存儲的波形可由受控測量功能讀回以進行深入分析研究。

4、試驗錄波

試驗錄波是在預先設定的一段時間內(nèi)，對所有通道進行斷續(xù)數(shù)據(jù)采集。每采集一次就對其中的一個或幾個（最多可達六個）通道的數(shù)據(jù)在示波器上顯示出來。該功能主要用于在機組的啟停過程中，捕捉工況變化時機組的運行情況。若試驗者對該錄波數(shù)據(jù)感興趣，可進行再存儲，以方便日后調(diào)出做分析之用。

5、振動區(qū)域

振動區(qū)域用于顯示和繪制機組的振動超標情況，該振動區(qū)域可用于指導調(diào)度避開機組的振動區(qū)運行。

6、趨勢分析

趨勢分析用于繪制機組在某一工況下某一時間段內(nèi)的機組振動、擺度及壓力脈動情況，最長時間段為一年。該趨勢分析可用于分析機組的運行狀態(tài)，為實現(xiàn)機組的狀態(tài)檢修和視情檢修提供參考依據(jù)。

結(jié)論

實際應用證明系統(tǒng)的設計符合水電機組振動在線監(jiān)測的實際要求，其豐富的軟件、硬件功能能夠滿足水電機組在線振動監(jiān)測保護和現(xiàn)場工況實驗驗的具體要求。通過把系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)測量手段得到的數(shù)據(jù)相比較，證明系統(tǒng)的監(jiān)測分析結(jié)果正確、可信。

由于在軟件、硬件設計等方面采取了一系列抗干擾措施，系統(tǒng)適合在電廠強電磁干擾環(huán)境使用。經(jīng)過進一步積累現(xiàn)場運行實測數(shù)據(jù)，并完善系統(tǒng)功能和相關的數(shù)學模型，從而提高系統(tǒng)的性能價格比。

（本文選編自《電氣技術》，作者為姜先軍。）