可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置及数据采集方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置及数据采集方法，监测装置中电源模件、中央处理器模件以及多个高速模拟信号采集模件依次排序可插拔地设置在模件底板上；高速模拟信号采集模件可以根据机组类型或测点数量的不同自由配置。数据采集方法为采样时钟到来，FPGA发出采样信号SAMCLK启动采样，所有通道AD同时进行数据采集，采样结束后AD返回ADBUSY信号；FPGA接收到第一个通道AD的ADBUSY信号时，开始从第一个通道依次读取所有通道AD的采样值，以上传至嵌入式处理器模块；下一个采样时钟到来，重复以上过程，不断进行采样；所有通道采样数据均为同时刻采样，保证后续数据分析的准确性和有效性。

Configurable oscillation oscillation condition monitoring device of configurable water turbine and data collecting method

The invention discloses a hydraulic turbine vibration configuration can swing state monitoring device and method of data collection, monitoring device in power module, a central processor module and a plurality of high speed analog signal acquisition module in order to set the pluggable module on the bottom plate; high speed analog signal acquisition module can be configured according to different free unit type or number of measuring points. Data acquisition method for sampling clock arrival, FPGA sends SAMCLK start sampling signal sampling, all channel AD data acquisition at the same time, after sampling AD returned ADBUSY signal; the FPGA receives the ADBUSY signal from the first channel of AD, from the beginning of the first channel is read by the AD channel sampling value to upload to the embedded module processor; the next sampling clock arrival, repeat the above process, continuous sampling; all channel sampling data are time sampling, ensure the accuracy and validity of subsequent data analysis.

【技术实现步骤摘要】
可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置及数据采集方法
本专利技术属于水轮机组状态监测
，具体涉及一种可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置，还涉及一种基于此装置的高速数据采集方法。
技术介绍
在水电厂的运行设备中，水轮机组是非常重要且关键的主设备，其结构复杂，由主轴、定子、转子、上机架、下机架、顶盖等多个复杂部件组成。由于水轮机组不断需要受水力推动，工作环境较为恶劣，作为一种旋转机械，其最常见、最主要的故障是振动故障。早期对水轮机组的检修是定期停机时通过进行人工检查的方式进行，随着水轮机组老化，就需要经常停机检查，造成水电厂运行成本增加，同时也无法及时发现机组运行时的隐患或缺陷，也无法准确定位出隐患或缺陷的位置。后来随着技术手段的不断发展，通过在水轮机组各部件上安装振动、摆度等各种测量传感器，通过采集并计算这些传感器的振动、摆度、轴向位移、压力脉动、气隙等数据，就可以在线监测水轮机组主轴及相关零部件的运行状态。国家标准也要求，在大型水轮机组上必须设计振动摆度在线监测装置，中小型水轮机组也可参照进行。由于水轮发电机组种类也较多，如混流式机组、轴流式机组、贯流式机组、冲击式机组等，其测点配置数量也不一样，即使是同一种类型机组，各个发电厂对测点数量和位置的设计也不尽相同，特别是中小型水轮机组和大型水轮机组，其测点数量差别更大。现有对水轮机组振动摆度等传感器的数据采集方法，一种是在各传感器测点位置分散设计单独采集装置，然后通过通讯的方式汇集所有测点数据，在后台进行分析和处理。后来由于这种方法对采样数据处理的不及时，无法及时进行故障或隐患判断，后来发展成一种集中式采集方式，即把各种测点数据采集模块放在同一个装置类，在现地就可以进行数据采集、分析很判断。一般集中式水轮发电机组振动摆度数据采集装置，一般测点数比较固定，都是按照大型机组的配置要求设计的，如果需要配置成测点少的中心型水轮机组，在硬件上和嵌入式软件都要做较大的修改，自适应能力较差，另外其高速采集模块之间采用软件对时方式实现采样通道数据的对齐。不管是在各测点分散采集，还是集中在一个装置内进行数据采集，在后来对水轮机组振动、摆度、轴向位移、压力脉动、气隙等采样数据的分析并进行故障判断时，发现水轮机组不稳定或故障时，这些部件数据具有时间上的相关性，某些测点间需要进行相关性计算和分析，即要求最好在同时刻对水轮机组的各位置传感器的数据进行采集，才能对设备的运行状态进行准确的分析和判断。而分散采集的装置，虽然各独立装置进行了一定的对时处理，也只是精确到毫秒级，甚至秒级。而原来的集中式采样装置，虽然可采集模块放在同一装置内部，各模块之间也是采取对时方式，仅一个采集模块内部通道才能实现同步同时刻采样，而模块之间依然存在数据采样时刻不一致的情况，各测点的采样数据时间误差取决于对时方式和和模块内部的定时精度，对于振动摆度等这些高频信号，需要的采样率达到1KHz、10KHz，甚至更高，如果对时精度不高，各数据采样点会错位严重，造成进行相关运算或其他分析处理时不能准确反映水轮机组真实的运行状态。另外，测点分散采集装置虽然可以根据机组不同、电厂要求不同灵活配置采集装置，但是由于前述分散对时、采样非同步等原因，为其配置高精度对时系统，也带了成本过高。而早期的集中式采集装置，装置的测点数量一定，需要按照水轮机组最大测点数量进行配置，造成该装置只能用在大型水轮机状态监测装置中，如果安装在中小型水轮机组，要么需要重新设计、修改估计，要么会造成测点硬件配置数量的浪费。综上所述，现有技术中水力发电厂中的水轮发电机组振动摆度实时状态监测，存在测点布置数量不同、采样频率要求高、数据量大及各测点采样数据难以同步性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置及数据采集方法，采样通道数量可以根据机组类型或测点数量的不同自由配置，可实现多达84个通道的高速采样，所有通道采样数据均为同时刻采样，保证后续数据分析的准确性和有效性。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置，其特征是，包括电源模件、中央处理器模件、多路高速模拟信号采集模件以及模件底板；其中电源模件、中央处理器模件以及多路高速模拟信号采集模件依次排序可插拔地设置在模件底板上；电源模件的输出端提供工作电源至中央处理器模件及多路高速模拟信号采集模件；中央处理器模件包括用于通道配置的嵌入式处理器模块和用于控制采样时序的FPGA模块；嵌入式处理器模块和FPGA模块之间通过总线连接；以向FPGA模块传输接收自上位机的通道配置信息以及接收FPGA模块上传的采样数据；高速模拟信号采集模件包括CPLD模块和用于模数转换的AD模块，AD模块的输入端采集部署在水轮机组的各传感器输出的模拟信号；FPGA模块通过并行总线与各路高速模拟信号采集模件中的CPLD模块连接；CPLD模块连接AD模块；FPGA模块通过各路CPLD模块同时向各AD模块输出采样时序，控制各路AD模块同时采样数据，采样数据完成后，FPGA模块依次读取各路AD模块的采样数据，并将采集数据上传至嵌入式处理器模块中。进一步的，每路AD模块中包括两个AD单元。进一步的，FPGA模块在其内部存储空间开辟两个用于存储采样数据的缓冲区，两个缓冲区进行乒乓操作。进一步的，高速模拟信号采集模件的通道数量范围为1~84。相应的，本专利技术还提供了一种基于上述可组态的监测装置的数据采集方法，其特征是，包括：采样时钟到来，FPGA发出采样信号SAMCLK启动采样，所有通道AD同时进行数据采集，采样结束后AD返回ADBUSY信号；FPGA接收到第一个通道AD的ADBUSY信号时，开始从第一个通道依次读取所有通道AD的采样值，以上传至嵌入式处理器模块；下一个采样时钟到来，重复以上过程，不断进行采样。进一步的，在FPGA内部开辟两个数据缓冲区，两个缓冲区进行乒乓操作。进一步的，两个缓冲区的存储空间均按照通道数量均分，各通道每次采样的数据按照分配的地址空间顺序存储。进一步的，将缓冲区内一个通道的采样数据称为一个片段，缓冲区产生满标志信号的同时，保存片段序号信息；然后在读取数据时按照片段序号进行数据拼接。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：1）可以根据水轮机组不同及测点数量不同，硬件可灵活配置高速采样模件数量，实现可组态硬件配置，扩大了装置的适应范围，方便现场对测量和监测的配置进行修改；2）各通道AD的采样时钟均由FPGA一个信号进行控制，所有通道同时刻启动采样，保证所有测点采样数据均为一个时刻的，为水轮机组状态监测提供更为准确的原始采样数据，便于后续分析和处理；3）FPGA内部开辟两个缓冲区，两个缓冲区进行乒乓操作从而实现采样不停顿与数据获取不丢失；并且数据按片段保存、拼接采样数据，实现该通道在时间上连续不断的数据采样和保存。附图说明图1为本专利技术监测装置的原理框图；图2为本专利技术实施例中中央处理器内部嵌入式处理器和FPGA模块之间的局部总线接口；图3为本专利技术实施例中FPGA和高速采集模件之间的自定义高速并行总线接口；图4为本专利技术数据采集方法的原理框图；图5为本专利技术中FPGA内部两个数据缓冲区的原理框图；图6为本专利技术实施例中FPGA内本文档来自技高网...

【技术保护点】
可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置，其特征是，包括电源模件、中央处理器模件、多路高速模拟信号采集模件以及模件底板；其中电源模件、中央处理器模件以及多路高速模拟信号采集模件依次排序可插拔地设置在模件底板上；电源模件的输出端提供工作电源至中央处理器模件及多路高速模拟信号采集模件；中央处理器模件包括用于通道配置的嵌入式处理器模块和用于控制采样时序的FPGA模块；嵌入式处理器模块和FPGA模块之间通过总线连接；以向FPGA模块传输接收自上位机的通道配置信息以及接收FPGA模块上传的采样数据；高速模拟信号采集模件包括CPLD模块和用于模数转换的 AD模块，AD模块的输入端采集部署在水轮机组的各传感器输出的模拟信号；FPGA模块通过并行总线与各路高速模拟信号采集模件中的CPLD模块连接；CPLD模块连接AD模块；FPGA模块通过各路CPLD模块同时向各AD模块输出采样时序，控制各路AD模块同时采样数据，采样数据完成后，FPGA模块依次读取各路AD模块的采样数据，并将采集数据上传至嵌入式处理器模块中。

【技术特征摘要】
1.可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置，其特征是，包括电源模件、中央处理器模件、多路高速模拟信号采集模件以及模件底板；其中电源模件、中央处理器模件以及多路高速模拟信号采集模件依次排序可插拔地设置在模件底板上；电源模件的输出端提供工作电源至中央处理器模件及多路高速模拟信号采集模件；中央处理器模件包括用于通道配置的嵌入式处理器模块和用于控制采样时序的FPGA模块；嵌入式处理器模块和FPGA模块之间通过总线连接；以向FPGA模块传输接收自上位机的通道配置信息以及接收FPGA模块上传的采样数据；高速模拟信号采集模件包括CPLD模块和用于模数转换的AD模块，AD模块的输入端采集部署在水轮机组的各传感器输出的模拟信号；FPGA模块通过并行总线与各路高速模拟信号采集模件中的CPLD模块连接；CPLD模块连接AD模块；FPGA模块通过各路CPLD模块同时向各AD模块输出采样时序，控制各路AD模块同时采样数据，采样数据完成后，FPGA模块依次读取各路AD模块的采样数据，并将采集数据上传至嵌入式处理器模块中。2.根据权利要求1所述的可组态的水轮机组振动摆度状态监测装置，其特征是，每路AD模块中包括两个AD单元。3.根据权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐方明，夏洲，朱浩，杨烨，丁志宇，闫丽，程潇黠，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院，南京南瑞集团公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32