基于FPGA的大型旋转机械状态数据采集系统研制

论文摘要

大型旋转机械是国民生产和生活中的关键设备,对这类设备开展现代化的状态监测与故障诊断,以保障其长期稳定工作和安全运行,从而保障国民经济高速发展和人民生活稳定具有十分重要的意义。本论文结合国家高技术863项目“超临界、超超临界大型汽轮发电机组状态监测与故障诊断技术及其系统研究(项目批准号：2008AA04Z410)”,对以大型汽轮发电机组为代表的大型旋转机械设备状态监测中的数据采集系统开展了研究,分析了大型旋转机械状态监测的需求,重点研究了转子振动信号整周期采集技术,并在此基础上,采用当代先进的FPGA和A/D转换等电子测量技术,研制了一套基于FPGA和PC104总线的大型旋转机械状态数据采集系统,该系统能采集多种类型的机械状态信号,包括：转子振动信号和键相信号、慢变信号以及开关信号,并且具有体积小、功能强、模块化、可扩展等特点。论文各章节内容安排如下：第一章主要阐述了大型旋转机械状态监测与故障诊断研究的重要意义,分析了数据采集在设备状态监测中的重要地位,介绍了数据采集系统的发展历程和国内外状态监测与故障诊断技术的发展概况,提出了本文的课题背景与研究内容。第二章分析了旋转机械的状态特征参量,设计了数据采集系统的总体方案,该方案可以满足振动及键相信号、慢变信号和开关信号等几类信号的采集需求。介绍了数据采集的基本理论以及在系统设计开发中使用的FPGA技术和PC104总线技术,最后重点研究了转子振动信号的整周期采集技术。第三章设计了旋转机械转子振动信号数据采集系统的总体方案,分析了电涡流传感器测量振动信号的特点,研制了振动及键相信号调理电路和基于FPGA的转子振动信号多通道同步整周期数据采集卡。分析了振动信号采集卡的软硬件方案,对硬件选型和电路设计进行了探讨,对控制软件各模块进行了详细分析和设计,开发了基于LabVIEW语言的振动信号数据采集卡测试软件。第四章设计了慢变及开关信号数据采集系统的总体方案,研制了基于FPGA的慢变及开关信号数据采集卡,讨论了该采集卡的软硬件方案,设计开发了该采集卡的硬件电路和控制软件,采用LabVIEW语言开发了该采集卡的测试软件。第五章利用信号发生器、示波器、工业控制计算机等设备,构建了测试系统,对振动及键相信号调理电路、基于FPGA的转子振动信号多通道同步整周期数据采集卡、基于FPGA的慢变及开关信号数据采集卡开展了测试实验,对测试结果进行了分析,最后介绍了该数据采集系统在TSI中的应用情况。第六章对全文的工作进行了总结,对未来的工作提出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 大型旋转机械状态监测的重要意义
• 1.2 大型旋转机械状态监测系统发展概况
• 1.2.1 数据采集系统发展历程
• 1.2.2 状态监测系统发展概况
• 1.3 课题的提出与论文章节安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 系统总体方案设计及关键技术分析
• 2.1 系统总体方案设计
• 2.1.1 旋转机械的状态特征参量分析
• 2.1.2 数据采集系统总体方案设计
• 2.2 数据采集的基本理论
• 2.3 数据采集系统中的相关技术
• 2.3.1 FPGA技术
• 2.3.2 PC104总线通信技术
• 2.4 转子振动信号整周期采集技术
• 2.4.1 整周期采集的重要意义
• 2.4.2 基于软件的整周期采集技术
• 2.4.3 基于硬件的整周期采集技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 振动信号数据采集系统设计
• 3.1 系统总体分析和设计
• 3.2 振动及键相信号调理电路设计
• 3.2.1 振动信号调理电路
• 3.2.2 键相信号调理电路
• 3.3 振动信号采集卡硬件设计
• 3.3.1 硬件方案设计
• 3.3.2 主要芯片选型
• 3.3.3 A/D芯片接口电路设计
• 3.4 振动信号采集卡控制软件设计
• 3.4.1 控制软件方案设计
• 3.4.2 A/D转换控制模块
• 3.4.3 键相倍频模块
• 3.4.4 RAM读写控制模块及双口RAM存储器
• 3.4.5 PC104总线通信模块
• 3.5 振动信号采集卡测试软件开发
• 3.5.1 测试程序流程
• 3.5.2 数据处理方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 慢变及开关信号数据采集系统设计
• 4.1 系统总体分析和设计
• 4.2 慢变及开关信号采集卡硬件设计
• 4.2.1 硬件方案设计
• 4.2.2 主要芯片选型
• 4.2.3 部分外围电路设计
• 4.3 慢变及开关信号采集卡控制软件设计
• 4.3.1 控制软件方案设计
• 4.3.2 A/D转换控制模块
• 4.3.3 通道选择控制模块
• 4.3.4 基于RAM的数据存储及控制模块
• 4.3.5 开关信号消抖模块
• 4.4 慢变及开关信号采集卡测试软件开发
• 4.5 本章小结
• 第5章 数据采集系统测试
• 5.1 振动及键相信号调理电路测试
• 5.1.1 振动信号调理电路测试
• 5.1.2 键相信号调理电路测试
• 5.2 振动信号数据采集卡测试
• 5.2.1 键相倍频功能测试
• 5.2.2 数据采集功能测试
• 5.3 慢变及开关信号数据采集卡测试
• 5.4 数据采集系统在TSI中的应用
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果及参加的项目
• 致谢