摘要： 探討了TDM在TSI中的應用；提出使用FPGA進行AD控製、數據采集的設計方案；描述了FPGA實現鍵相倍頻的方法，實現了信號同步采集的效果；得到了振動數據的各種分析結果。
關(guan) 鍵詞： TDM，TSI，鍵相倍頻，同步采集
1. 引言
設備運行狀態監測與(yu) 故障診斷技術是保證設備安全運行和實現科學維護的關(guan) 鍵技術之一，該技術能有效地發現生產(chan) 係統中的事故隱患，及時排除設備故障，預防設備惡性事故，避免人身傷(shang) 亡和巨大的經濟損失[1]。
汽輪發電機組是電廠的關(guan) 鍵設備，機組運行好壞直接關(guan) 係到電廠的生產(chan) 運行和經濟效益。各電廠都加強對機組進行監護，以達到預期維修的目的。分析機組振動狀態的監測數據，根據分析結果再確定是否需要進行檢修，從(cong) 而做到減少機組的非計劃停機次數、降低發電成本提高設備的可用率。
TSI（旋轉機械監測保護係統：Turbine Supervisory Instrumentation）係統包括傳(chuan) 感器係統和二次儀(yi) 表，可以對機組運行啟動基本的檢測和安全保護作用；但是TSI缺少對機組振動數據的深入挖掘，如轉速、振動波形、頻譜、倍頻和相位等故障特征數據，無法提供診斷數據及相關(guan) 圖譜工具，因此需要TDM作為(wei) 補充和完善[2]。
TDM（Turbine Diagnosis Management），是SCIYON自2012年以來自主設計、開發的在線振動狀態監測和故障診斷係統。主要作用在對機組運轉過程中的振動數據進行深入分析，包括：轉速、振動波形、頻譜、倍頻和相位等故障特征數據。為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 的機組故障診斷人員提供診斷數據及相關(guan) 圖譜工具，協助機組診斷專(zhuan) 家深入分析機組轉運狀態和診斷機組運行故障，與(yu) TSI係統各司其職。
2. TDM功能及應用
圖1 含SY3000的DCS係統結構圖
如圖1所示，SY3000係統吸取了國內(nei) 外眾(zhong) 多汽輪機狀態監測和振動分析係統優(you) 點，其創新之處在於(yu) 將TSI與(yu) TDM集成於(yu) 同一係統框架中，並與(yu) G22恒峰最新一代DCS係統實現無縫連接，成為(wei) DCS係統中一個(ge) TSI功能子係統。SY3000係統除了可以在自身配置的工程師站完成係統組態和數據監測（TSI+TDM）功能，也可以在DCS係統中完成其TSI子係統的組態和數據監測功能。
TDM係統功能特點：
●16位采樣精度，支持最多32個(ge) 數據瞬態采集通道，最高采樣率達102.4KSPS；
●係統采用FPGA進行鍵相倍頻、AD控製采樣和數據讀取等，便於(yu) 後期的更新和係統性能的提高，硬件上更加穩定可靠；
●采用完善的係統自檢功能，通過麵板指示燈，方便了解現場信號及係統自身的故障；
●在FPGA內(nei) 部采用雙口RAM的處理方式，實現數據的數據的采集和上傳(chuan) 無縫連接；
●通過100M的Ethernet將數據傳(chuan) 給工程師站，有TSI軟件進行處理；幫助管理者對機組的運行、維護、做出正確的決(jue) 策。
圖2 數據采集流程
本產(chan) 品的數據流如圖2所示：①振動分析軟件將采樣控製信息傳(chuan) 輸給TCM；②TCM將采樣控製信息寫(xie) 入采集卡；③采集卡在數據采集完成後將數據傳(chuan) 輸給TCM；④TCM將處理後的振動數據傳(chuan) 輸給分析軟件。
3. TDM設計特點
3.1 鍵相倍頻的實現
TDM最主要實現振動數據的同步采集，即在一個(ge) 周期內(nei) 進行N個(ge) 等間隔的數據采集。由於(yu) 汽輪機的轉動速度是變化的，因此需要對頻率變化的鍵相信號進行等間隔的倍頻。
多項式趨勢預測模型計算較為(wei) 簡單，實時性較強，選用多項式趨勢預測模型來完成對輸入信號周期的定量預測。其趨勢預測模型為(wei) ：
當m =1，2，3時，上述模型即為(wei) 線性模型、拋物線模型和三次多項式模型。
本設計中，m=2,即拋物線預測模型（二階多項式模型）：
此時需要三個(ge) 最新的周期，T_2，T_3，T_4方能計算出a0，a1，a2的值，即：
由上式可以推出T_5的表達式：
上式即為(wei) 輸入信號周期T_5的二階多項式預測公式。
圖3 鍵相倍頻過程
從(cong) 測試結果分析，產(chan) 生的分頻信號滿足等間隙采樣的要求，而且鍵相到倍頻輸出時間誤差較小，為(wei) 幾十納秒。
3.2 FPGA的控製流程
FPGA作為(wei) ASIC領域中一種半定製電路，既解決(jue) 了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，是當今數字係統設計的主要硬件平台，其主要特點是完全由用戶通過軟件進行配置和編程，完成特定功能，且可反複擦寫(xie) 。在修改和升級時，無需改變PCB，隻需在計算機上修改和更新程序，使硬件設計工作成為(wei) 軟件開發工作，縮短了係統設計的周期，提高了實現的靈活性並降低了成本。
圖4 FPGA工作流程
如圖4所示，TDM中FPGA的工作流程。
4. 振動分析軟件實現
4.1 係統配置軟件
圖5 SY3000係統配置軟件
如圖5所示為(wei) SY3000係統配置軟件，使用TDM係統時，必須在SY3000係統配置軟件中通訊槽位的上槽位配置SY3320（TDI）瞬態數據接口，並作為(wei) 配置信息進行下載。
4.2 軟件分析結果
圖6 對正餘(yu) 弦信號的采樣波形
圖7 機組的軸振、瓦振值
圖8 極坐標下的軸心軌跡
圖9 頻譜級聯圖
如圖6-9所示，通過信號發生器產(chan) 生正餘(yu) 弦信號作為(wei) 鍵相輸入，8個(ge) 鍵相周期並通過1024倍頻後通過AD轉換後采集上來的數據波形。可以看出，通過FPGA可以實現對鍵相信號（汽輪機的轉速）進行等間隔的倍頻，實現同步采集並恢複出原始信號波形。
TDM將采集的數據上傳(chuan) 給TCM（通訊控製器），TCM通過Ethernet再將轉換結果上傳(chuan) 至上位機振動分析軟件，對相應的數據進行分析，如FFT，監測數據包括轉速、振動波形、頻譜、倍頻的幅值和相位等故障特征數據；可以提供比較豐(feng) 富的專(zhuan) 業(ye) 診斷圖譜（頻譜圖、軸心軌跡、BODE圖等），對監測結果提供較為(wei) 直觀的分析。如圖7、圖8和圖9所示，分別為(wei) 機組的軸振瓦振值、極坐標下的軸心軌跡、頻譜級聯圖。
5. 結論
本文介紹了TSI係統中TDM的設計及實現，運用FPGA進行鍵相等間隔倍頻的方法，控製2片16位精度200KSPS的AD7606，實現數據的同步采集，並將數據進行振動分析。通過TDM+TSI，能夠第一時間捕捉和完整保留機組有效的的診斷數據；更強大的起停機數據采集和分析，變負荷、變工況監測；同時監測振動數據和工藝量數據，提供工藝量與(yu) 振動的相關(guan) 分析功能；同時監測汽輪發電機組及關(guan) 鍵輔機，為(wei) 發電設備提供更全麵的保護；完全向下兼容TDM，更穩定可靠、提供更豐(feng) 富的圖譜分析手段。
參考文獻
[1] 張亮. 汽輪機TSI係統的原理及應用[J]. 東(dong) 北電力技術, 2011(2)
[2] SY3000旋轉機械在線監測保護係統產(chan) 品使用 手冊(ce) ，G22恒峰自動化集團股份有限公司，2013
