一种可插拔的TDM装置和方法与流程

一种可插拔的tdm装置和方法
[技术领域]
[0001]
本发明属于大型旋转机械振动分析和诊断技术领域，具体地说是一种可插拔的tdm装置和方法。
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背景技术：
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[0002]
大型旋转机械振动分析和诊断(简称为tdm)系统常规如下所述：tdm系统是大型旋转机械振动分析和诊断的简称，早期人们最关心的是如何确保大型旋转机械的安全运行，就想方设法地设计和制造各类传感器和监视器,逐步形成了汽轮机监视保护仪表(简称为tsi仪表)，对保护大型汽轮机组的安全运行起到了非常大的作用。后来的tsi仪表不仅仅使用于大型汽轮机组，在风机、各类泵轴、泵组、电动机、马达等旋转机械上也得到广泛使用。目前有条件的企业，将所有的旋转机械上安装tsi仪表作为标准配置。随着tsi仪表的可靠性、安全性越来越高，其重要性也显得无可替代。随着计算机的高速发展和普及，人们在关心旋转机械安全运行的同时，也开始考虑旋转机械是如何损坏的，基于采集的旋转机械历史数据，进行分析，获得有益的数据信息，实现对旋转机械发生故障的预估计，改变原来对机组进行定期维护或维修，提高机组的使用效率，降低维修成本，就逐步形成了以研究旋转机械振动参数为主的专门学科，即：旋转机械振动分析和诊断系统(即：tdm系统)。
[0003]
tdm系统主要研究的对象是旋转机械的振动，因为旋转机械的轴承振动，能够反映机组的运行状况，机组振动是有瞬态量，对振动研究的理论基础就是分析振动的频率与幅值，从振动的不同频率与幅值的关系，研究机组的运行情况，所依据的数学基础，将连续的模拟信号进行信号离散化，将连续的时域信号转换为离散的频域信号，对振动信号进行数字化处理。tdm系统核心的部分就是快速傅里叶变换，即：快速fft处理，在获取了运行机组的有用信息后，进行各种图形处理，如：趋势图、棒图、频谱图、轴心轨迹&波形图、瀑布图、极坐标图、x-y图、s-v图、波特图、级联图、全频谱图、坎贝尔图等。从事旋转机械振动分析的专家通过对这些图形分析，可以判断造成旋转机械出现故障的原因，然后对出现故障的旋转机械进行针对性的维修，从而降低了维修成本。
[0004]
目前，我国大型旋转机械振动分析和诊断(tdm)系统的常规做法，输入信号取自安装在现场的传感器信号或tsi仪表的缓冲输出信号，输入信号接到tdm系统的高速数据采集模块，进行数据高速采集，然后将高速采集的振动瞬态数据存入服务器，由安装了tdm软件的计算机通过局域网，对这些数据进行各种图形处理，生成各种图形，实现tdm系统的功能。按国内这种常规的做法，由于系统需要大量的高速数据采集模块，计算机系统的cpu既要管理大量的高速数据采集，又要完成根据所采集的数据生成各种图形，cpu的负载压力很大。为了降低tdm系统的造价，降低系统成本，又要减轻tdm系统中cpu的压力，若能设计一种新的实现tdm功能的装置和方法，将具有非常重要的意义。
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技术实现要素：
]
[0005]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种可插拔的tdm装置，采用可插拔
式结构将tdm高速数据采集部分的功能前移，使得该部分的功能在tsi仪表中完成，从而可以减轻tdm系统中cpu的压力，降低了tdm系统的造价，简化了传统tdm系统结构的复杂性，降低了系统成本。
[0006]
为实现上述目的设计一种可插拔的tdm装置，包括tsi仪表和tdm专用模块，所述tsi仪表包含tsi仪表监视器框架和电源1、就地键相&组态&网络通讯模块2和监视器模块3，所述tdm专用模块包含信号采集模块4、管理模块5和上位机分析系统6；所述信号采集模块4可插拔式安装在监视器模块3上，并直接从监视器模块3上获取原始参数信号，进行高速采样后缓存在本地，所述信号采集模块4内有同步高速模拟量采集电路；所述管理模块5可插拔式安装在就地键相&组态&网络通讯模块2上，并从就地键相&组态&网络通讯模块2的组态模块上获取整个系统的实时数据；所述就地键相&组态&网络通讯模块2和监视器模块3将实时数据和原始参数信号传输到信号采集模块4和管理模块5，经过信号采集模块4和管理模块5数据采集、数据分析、快速傅里叶变换后，将数据进行打包，通过母线板将数据包发送到高速缓冲区，并由网络通讯模块经局域网传送至上位机分析系统6。
[0007]
进一步地，所述tsi仪表监视器框架和电源1包括监视器框架和框架电源，所述监视器框架用于监视器安装和固定，所述监视器框架内部的母线板用于各个监视器连接，所述框架电源为各个监视器提供所需要的电源。
[0008]
进一步地，所述就地键相&组态&网络通讯模块2包括键相输出模块、监视器组态模块和网络通讯模块，所述键相输出模块用于给tdm系统提供同步的键相信号，每一个模块最多可以提供四路键相信号；所述监视器组态模块为框架内的监视器模块进行组态，将通用的监视器模块组态成所需要的tsi参数监视器，完成tsi仪表的监视保护功能；所述管理模块5对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm数据，内部通过rs485总线获取信号采集模块4缓存的检测数据，管理模块5使用一个uart口与其所附着的网络通讯模块进行通讯，获取整个框架系统的实时数据。
[0009]
进一步地，所述网络通讯模块安装在就地键相&组态&网络通讯模块2中，所述监视器模块3上最多安装有十一块信号采集模块4，十一块信号采集模块4通过监视器机箱的后母线板，将所采集的实时数据传输到网络通讯模块的以太网口，通过局域网将数据封包后送到安装了tdm软件的计算机中，并在计算机中进行数据处理。
[0010]
进一步地，所述信号采集模块4中，传感器信号输入端101将现场的传感器实时信号送入信号保护回路102，信号保护回路102对输入信号进行限流、限压，信号保护回路102输出端连接信号隔离跟随回路103，信号隔离跟随器回路103用于阻抗匹配，提高输入阻抗，信号隔离跟随器回路103的输出端连接交直流分离回路104，交直流分离回路104将信号进行交直流分离后，分成交流保护回路105和直流采样回路106两路，分别进行交流保护和直流取样回路；交流保护回路105、直流采样回路106的输出分别送至信号整定回路一107、信号整定回路二108，经信号整定回路一107和信号整定回路二108调整为合适的信号后送入cpu组件109，cpu组件109接受交流信号和直流信号，同时根据所接受到的交、直流信号的大小，自适应地输出一个直流信号；信号整定回路一107和信号整定回路二108分别连接高速瞬态模数采样110，高速瞬态模数采样110同时采集交流分量、直流分量和偏置电压，并将数据进行打包处理，将数据包发送到数据缓存区111。
[0011]
进一步地，所述上位机分析系统6中的上位机软件对系统获取的数据进行分析，在
严格时域同步的基础下，获取包含但不限于轴承振动、转速、胀差、轴向位移、相位的特征信息，并提供数据及各种处理过的图形。
[0012]
本发明还提供了一种可插拔的tdm装置的安装方法，在tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块2上设置有j1插座，用于安装管理模块5；在tsi仪表的监视器模块3上设置有j2插座，用于安装信号采集模块4；j1插座接入两路同步键相信号、一路rs485总线接口、一组5v直流电源；j2插座接入各模拟量信号，监视器模块3的模拟量输入经过整定后分离出交流分量和直流分量各一路，再加上整定电路的电压偏置，共两组输入；管理模块5的j2插座引出两组rj45接口，另有一组ttl格式的uart口。
[0013]
进一步地，所述就地键相&组态&网络通讯模块2的通讯方式为，安装在就地键相&组态&网络通讯模块2上的管理模块5设置有两个以太网口，管理模块5对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm数据，并使用一个uart口获取整个系统的慢速实时数据；安装在监视器模块3上的信号采集模块4内部通过rs485总线获取缓存的检测数据，每一个tsi仪表框架最多可以接入十一个信号采集模块4。
[0014]
本发明同现有技术相比，具有如下优点：本发明采用可插拔式的tdm装置，将两种tdm专用模块插入tsi仪表的各监视器模块上，利用tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块，实现对被测量参数的组态和网络通讯，克服了常规tdm系统需要大量的高速数据采集模块，计算机系统的cpu既要管理大量的高速数据采集，又要完成根据所采集的数据生成各种图形，cpu的负载过大的缺点，将高速数据采集前移至tsi仪表中，减轻了计算机系统cpu的负载，分散了集中数据采集可能产生故障，给tdm系统带来的风险。而且，本发明采用可插拔式结构，当需要的时候，插入tdm专用模块，通过局域网，就可以构成较为复杂的tdm系统。并且，采集实时数据的功能放置在tsi仪表中，利用tsi仪表的组态功能、通讯功能、瞬态数据的同步功能等，可以充分发挥tsi仪表的性能，还可以减少大量的连接线，仅通过以太网连接构成tdm系统，简化了传统tdm系统结构的复杂性，降低系统成本。综上，本发明将tdm高速数据采集部分的功能前移，这部分的功能在tsi仪表中完成，从而就可以减轻tdm系统中cpu的压力，降低了tdm系统的造价，降低系统成本，值得推广应用。
[附图说明]
[0015]
图1是本发明可插拔式的tdm装置结构示意总图；
[0016]
图2是本发明tdm装置系统示意图；
[0017]
图3是本发明tdm采集模块(tdm-ac)信号处理示意图；
[0018]
图4是本发明tdm装置的通讯方式示意图；
[0019]
图中：1、tsi仪表监视器框架和电源 2、就地键相&组态&网络通讯模块 3、监视器模块 4、信号采集模块 5、管理模块 6、上位机分析系统 101、传感器信号输入端 102、信号保护回路 103、信号隔离跟随回路 104、交直流分离回路 105、分成交流保护回路 106、直流采样回路 107、信号整定回路一 108、信号整定回路二 109、cpu组件 110、高速瞬态模数采样 111、数据缓存区 112、测量通道 113、以太网口一 114、以太网口二。
[具体实施方式]
[0020]
本发明提供了一种可插拔的tdm装置，包括tsi仪表和tdm专用模块，tsi仪表包含
tsi仪表监视器框架和电源1、就地键相&组态&网络通讯模块2和监视器模块3，tdm专用模块包含信号采集模块4(tdm-ac)、管理模块5(tdm-mg)和上位机分析系统6；信号采集模块4可插拔式安装在监视器模块3上，并直接从监视器模块3上获取原始参数信号，进行高速采样后缓存在本地，信号采集模块4内有同步高速模拟量采集电路；管理模块5可插拔式安装在就地键相&组态&网络通讯模块2上，并从就地键相&组态&网络通讯模块2的组态模块上获取整个系统的实时数据；就地键相&组态&网络通讯模块2和监视器模块3将实时数据和原始参数信号传输到信号采集模块4和管理模块5，经过信号采集模块4和管理模块5数据采集、数据分析、快速傅里叶变换后，将数据进行打包，通过母线板将数据包发送到高速缓冲区，并由网络通讯模块经局域网传送至上位机分析系统6。
[0021]
本发明将tdm系统的数据采集部分安装于tsi仪表的监视器模块上，有两种tdm专用模块：tdm管理模块(tdm-mg)和tdm采集模块(tdm-ac)，通过局域网可以组合多个框架构成系统；可插拔式的安装结构，在tsi仪表的基础上扩展更方便，由大容量的高速闪存组，组成的信息缓存区，方便构成局域网系统。由于tdm系统是可插拔式的，需要tdm功能时，插入相应tdm专用模块就可以方便构成tdm系统。tdm管理模块(tdm-mg)附加在tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块上，可以从组态模块上获取整个系统的慢速实时数据。tdm采集模块(tdm-ac)附加在tsi仪表的监视器模块卡上，直接从监视器模块上获取原始信号，进入高速采样后缓存在本地。网络通讯模块安装在tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块中，tdm专用模块所采集的实时数据，经过以太网口，通过局域网通讯，可以同时接入多个tsi仪表的监视器框架，在计算机中进行数据处理，完成tdm系统的各种功能。tdm专用模块使用了8片8mb高速sram，采集模块以100khz速率同时监测两路通道的交、直流分量。tdm管理模块(tdm-mg)对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm瞬态数据、稳态数据，并接受计算机发出的指令。具体地，如下所述：
[0022]
(1)tdm管理模块(tdm-mg)：tdm管理模块(tdm-mg)附加在tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块上，可以从组态模块上获取整个系统的实时数据。
[0023]
(2)tdm采集模块(tdm-ac)：tdm采集模块(tdm-ac)附加在tsi仪表的监视器模块上，直接从监视器模块上获取原始信号，进行高速采样后缓存在本地，tdm采集模块内有同步高速模拟量采集电路，采样速度高达200ksps全通道，精度为16位；每组数据需同步采集，以便于进行后续的数据分析和快速傅里叶(fft)变换。
[0024]
(3)网络通讯模块：每个tsi仪表的监视器框架中安装有网络通讯模块，组合在就地键相&组态&网络通讯模块中，在就地键相&组态&网络通讯模块上安装一块tdm-mg模块，在每一个监视器模块上安装一块tdm-ac模块，最多可以安装11块tdm-ac模块，通过监视器机箱的后母线板，将实时数据传输到网络通讯模块的以太网口，通过局域网将数据封包后送到安装了tdm软件的计算机中，每套安装了tdm软件的计算机，可以通过局域网通讯，可以同时接入最多20个tsi仪表的监视器框架，在计算机中进行数据处理，完成tdm系统的各种功能。
[0025]
(4)可插拔的tdm专用模块的安装方法：在tsi仪表的就地键相&组态&网络通讯模块上有两个16*2插座，命名为j1，用于安装tdm模块；j1接入两路同步键相信号、一路rs485总线接口、一组5v直流电源；tdm采集模块的j2接入各模拟量信号，监视器的模拟量输入，经过整定后分离出交流分量和直流分量各一路，再加上整定电路的电压偏置，共两组输入，共
计六路；tdm管理模块的j2引出两组rj45接口，100m/1000m自适应，另有一组ttl格式的uart口。从而，将tdm高速数据采集部分的功能前移至tsi仪表中的监视器中完成，将tdm系统的数据采集部分采用可插拔式，安装于tsi仪表的各个监视器模块上，构成一种可插拔的tdm装置；如果用户需要tdm功能时，插入tdm专用模块，tdm专用模块有两种，完成tdm系统所需要的数据采集。即，可插拔的tdm专用模块安装方法为：在tsi仪表的就地键相&组态模块上有两个16*2插座，用于安装tdm管理模块(tdm-mg)；在tsi仪表的监视器模块的j2插座，用于安装tdm采集模块(tdm-ac)。
[0026]
(5)信息缓存：tdm模块内使用了8片8mb高速sram，采集模块以100khz速率同时监测两路通道的交直流分量时，缓存时间达到10秒。
[0027]
(6)网络通讯方式：tdm管理模块(tdm-mg)对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm数据，内部通过rs485总线获取tdm-ac模块缓存的检测数据，tdm模块使用一个uart口与其所附着的就地键相&组态&网络通讯模块上进行通讯，获取整个系统的实时数据。
[0028]
下面结合附图和具体实施例对本发明作以下进一步说明：
[0029]
如图1所示，为可插拔式的tdm装置结构示意总图；将tsi仪表和tdm系统综合在一起，在pc机上通过切换画面的方式可以同时显示：tsi仪表的参数测量值、报警状态、机组结构图；tdm系统的振动解析结果(各种图形、画面)。
[0030]
如图2所示，为tdm装置系统示意图，其中：
[0031]
tsi仪表监视器框架和电源1，监视器框架给监视器安装和固定使用，内部的母线板给各个监视器进行连接，框架电源为各个监视器提供所需要的电源。
[0032]
就地键相&组态&网络通讯模块2，就地键相&组态&网络通讯模块2包括键相输出模块、监视器组态模块和网络通讯模块，各模块的主要作用，键相输出功能：给tdm系统提供同步的键相信号，每一个模块最多可以提供四路键相信号；监视器组态功能：可以为框架内的监视器模块进行组态，把通用的监视器模块组态成所需要的tsi参数监视器，完成tsi仪表的监视保护功能；网络通讯功能：tdm管理模块(tdm-mg)对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm数据，内部通过rs485总线获取tdm-ac模块缓存的检测数据，tdm模块使用一个uart口与其所附着的就地键相&组态&网络通讯模块上进行通讯，获取整个框架系统的实时数据。
[0033]
监视器模块3，除了完成通常的参数监视器的监视和保护功能外，将接受到的测量参数传输到tdm专用模块上。tdm专用模块包含信号采集模块4，管理模块5和上位机分析系统6。
[0034]
采集模块4，tdm采集模块(tdm-ac)附加在tsi仪表的监视器模块上，直接从监视器模块上获取原始参数信号，进行高速采样后缓存在本地，tdm采集模块内有同步高速模拟量采集电路，采样速度高达200ksps全通道，精度为16位。每组数据需同步采集，以便于进行后续的数据分析和快速傅里叶(fft)变换。
[0035]
管理模块5，tdm管理模块(tdm-mg)附加在tsi仪表的就地键相&组态模块上，可以从组态模块上获取整个系统的慢速实时数据。同时给tdm采集模块提供告诉模拟量采集的同步信号(即：键相信号)，现场传输过来的实时瞬态和稳态数据，经就地键相&组态&网络通讯模块和监视器模块，传输到分别安装在就地键相&组态&网络通讯模块和监视器模块上的
采集模块(tdm-ac)和管理模块(tdm-mg)，经过采集模块(tdm-ac)和管理模块(tdm-mg)数据采集、数据分析、快速傅里叶(fft)变换等计算，把数据进行打包，通过框架的母线板将数据包发送到高速缓冲区，然后由网络通讯模块，经局域网传送至上位机分析系统6。
[0036]
上位机分析系统6，上位机软件对系统获取的数据进行分析，在严格时域同步的基础下，获取轴承振动、转速、胀差、轴向位移、相位等特征信息，为旋转机械专家分析机组事故原因提供数据及各种处理过的图形，如：趋势图、棒图、频谱图、轴心轨迹&波形图、瀑布图、极坐标图、x-y图、s-v图、波特图、级联图、全频谱图、坎贝尔图等。tdm系统还具备实时监测、报警、事件记录、时域分析、频率分析、趋势分析、振动解析等功能。
[0037]
如图3所示，为tdm采集模块(tdm-ac)信号处理示意图，现场的传感器实时信号经传感器信号输入端101送入tsi仪表的监视器，信号保护回路102的主要功能是对输入信号进行限流、限压，防止过大的输入电压或电流，对监视器模块造成损坏，信号保护回路102输出端连接信号隔离跟随回路103，信号隔离跟随器回路103主要的作用是阻抗匹配，提高输入阻抗，以减少对所输入的传感器信号影响；信号隔离跟随器回路103的输出端连接交直流分离回路104，tsi仪表的传感器输入信号比较复杂，有交流信号，还有直流信号，其中有些场合交流信号是小信号的，有毫伏级的信号，也有时几十伏的大信号；直流信号有正电压信号，也有负电压信号；还有交流信号叠加在直流信号上的，现在采取的措施是将交、直流信号分离，由软件控制分别处理交流和直流信号，将信号进行交直流分离后，分成两路：交流保护回路105和直流采样回路106，分别进行交流保护和直流取样回路；信号经过交直流分离回路后，将交流部分送交流保护回路105，将直流部分送直流采样回路106；交流保护回路105和直流采样回路106的输出分别送至信号整定回路一107和信号整定回路二108，调整为合适的信号，送入cpu组件109；cpu组件109接受交流信号和直流信号，同时cpu组件109根据所接受到的交、直流信号的大小，自适应地输出一个直流信号；信号整定回路一107和信号整定回路二108分别连接高速瞬态模数采样110，tdm采集模块(tdm-ac)中的高速瞬态模数采样110可以同时采集交流分量、直流分量和偏置电压；数据缓存区111为信息缓存区，需要测量的信号经高速瞬态模数采样后，把数据进行打包处理，将数据包发送到数据缓存区111；tdm专用模块内使用了8片8mb高速sram，采集模块以100khz速率，同时监测两路通道的交、直流分量时，缓存时间达到10秒；然后由网络通讯模块，经局域网传送至上位机分析系统，上位机软件对系统获取的数据进行分析；每一块监视器模块同时拥有四个测量通道112，图3仅画了测量通道二的示意，测量通道三和测量通道四类似。
[0038]
如图4所示，为tdm装置的通讯方式示意图，安装在就地键相&组态&网络通讯模块和监视器模块上的tdm管理模块(tdm-mg)，有两个以太网口，tdm管理模块对外提供互为备用的两个以太网口，用于向上位机发送tdm数据，tdm模块使用一个uart口获取整个系统的慢速实时数据，安装在监视器模块上的tdm采集模块(tdm-ac)，内部通过rs485总线获取tdm-ac模块缓存的检测数据，每一个tsi仪表框架最多可以接入11个tdm采集模块(tdm-ac)，图4所示的tdm装置的通讯方式示意图，仅画了三个监视器模块的结构示意。
[0039]
综上所述，本发明所述的可插拔的tdm装置，可以实现旋转机械振动分析和诊断(tdm)，旋转机械振动分析的专家可以通过对tdm系统所形成的图形分析，判断造成旋转机械出现故障的原因，然后对出现故障的旋转机械进行针对性的维修，从而降低了维修成本。
[0040]
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理
下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。