一種旋轉機械在線自動平衡控制器的製作方法
2023-05-02 13:31:56
專利名稱：一種旋轉機械在線自動平衡控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉機械在線自動平衡控制器，其根據振動系統的二階特性及具體平衡執行器的工作原理實施在線動平衡，用於對旋轉主軸系統進行在線動平衡的檢測及控制，屬於機械與控制交叉的領域。
背景技術：
在發電廠、化工廠以及其它大中型工業企業中，旋轉機械，如汽輪發電機、風機、水泵、電動機等，都是不可缺少的大型關鍵設備。但是這些旋轉機械可能會因為某些原因引起振動超標，造成事故停機，巨大的經濟損失。旋轉機械的振動原因是多種多樣的，如轉子不平衡振動、油膜振蕩、轉子不同心振動、隨機振動等。但現場實際發生的旋轉機械振動過大， 屬於轉子質量不平衡的約佔80 %左右，所以轉子質量不平衡是使旋轉機械產生振動的一個主要原因。旋轉機械的振動超標是一個事關關鍵旋轉設備能否長期滿負荷運轉的關鍵問題。 對旋轉機械的振動問題，從現有的技術來看，多集中在振動狀態的監測和相應動平衡執行器的研究方面，在現有的發明專利方面更多的集中在如何設計動平衡頭，如Birkenstack 在1976年申請的美國專利3950897、Kerlin在1984年申請的美國專利4432253、浙江大學賀世正等人在2001年設計了一種轉子自動平衡用注液釋液式平衡頭等。以往在振動控制器設計方面的研究多採用普通單片機，如51系列或98系列的單片機，由於其指令功能和運算速度有限，信號處理時間長，一般適合於平穩振動信號的測量，而不適合對非平穩振動信號的測控。且由於這些系列的單片機多不集成硬體乘法器，因而採用低端單片機處理器時往往是將測振傳感器拾取的振動信號進行變換、數字跟蹤帶通濾波、放大、A/D轉換，微處理器依據A/D轉換後的數據直接判斷處理。這是一種依賴模擬電路來提取工頻信號分量的方法，系統抗幹擾的能力差，電路的性能直接影響控制器的控制效果。為了克服如上所述存在的缺陷，本發明的目的是提供一種基於DSP的旋轉機械實時在線自動平衡控制器，使其具有對被測信號快速跟蹤，快速反應，且抑制幹擾信號能力強，達到精確測量和快速控制旋轉機械實現動態振動平衡。
發明內容
為了克服現有離線動平衡控制系統測量精度不高及其他在線控制系統控制反應不及時的缺點，本發明提供了一種利用旋轉機械振動信號的在線動平衡控制系統。本發明採用如下技術方案—種旋轉機械在線自動平衡控制器，其包括DSP核心模塊1，鍵相傳感器2，鎖相環程控倍頻模塊3，電平轉換模塊4，振動傳感器5，信號預處理模塊6，A/D轉換模塊7，多路控制信號產生電路模塊8，平衡執行器9，外擴按鍵液晶人機接口電路10，外擴E2PR0M模塊 11，及通訊協議轉換模塊12，其特徵在於DSP核心模塊1通過多路控制信號產生模塊8連接至用於控制平衡的平衡執行器9 ；用於拾取旋轉機械上測點原始振動信號的振動傳感器5的輸出信號接口連接到信號預處理模塊6，再經過A/D轉換模塊7進行模數轉換後輸入至 DSP核心模塊；用於拾取主軸的轉速信號的鍵相傳感器2的輸出信號接口連接到鎖相環程控倍頻模塊3，再經過用於將雙向電壓信號轉變為A/D轉換器所需的單電壓信號的電平轉換模塊4進行電平轉換後輸入至DSP核心模塊；DSP核心模塊1還連接有用於人工輸入參數的外擴按鍵液晶人機接口電路10、用於參數動態存儲、替換與恢復的外擴E2PROM模塊11、 用於與上位機進行通信的通訊協議轉換模塊12。所述的A/D轉換模塊7和DSP核心模塊1內置於DSP晶片內部。所述的鎖相環程控倍頻模塊3採用⑶4046晶片作為核心晶片。所述的通訊協議轉換模12塊將RS-485通信轉換為RS-232通信。本發明與現有的在線動平衡控制系統比較有以下優點(1)本發明採用適於控制方面的高性能數位訊號處理器DSP作為核心處理器，其控制精度高，集成度高，運算速度快，帶有兩個事件管理器，能夠實現對多路平衡執行器的控制；(2)本發明採用實時在線動平衡控制，與離線動平衡控制系統相比較，具有調試及時，方便靈活，系統體積小，控制反應快，能夠實時反應所測系統實際轉動情況並進行相關控制實施等優點；(3)本發明採用了 CD4046為核心的鎖相環倍頻環節，基於測頻測周混合法測量旋轉機械的主軸轉速，不僅能夠得到非常精確地轉速值，還可以把控制器適用的工作轉速範圍進一步擴大；(4)採用RS-485通訊協議進行信號傳輸，既可以實現現場端的局域組網，又能夠實現對控制設備的遠程控制；(5)運用E2PRAM模塊，能夠實現關鍵參數的動態存儲與非正常條件關機後系統重啟關鍵參數的恢復，提高了控制系統的可靠性；(6)按鍵和液晶顯示器人機接口模塊，實時顯示測量信號，方便控制參數的設置和調整，提高控制效率；
圖1為本發明的結構組成框2為本發明的控制原理框3為本發明的A/D變換接口電路4為本發明的I2C總線和E2PR0M接口電路5為本發明的RS-232轉RS485晶片電路6為本發明128*64的液晶驅動電路圖7為本發明的基於鎖相環的鍵相信號調理電路8為本發明的DSP核心電路中1、DSP核心模塊，2、鍵相傳感器，3、鎖相環程控倍頻模塊，4、電平轉換模塊， 5、振動傳感器，6、信號預處理模塊，7、A/D轉換模塊，8、多路控制信號產生電路模塊，9、平衡執行器，10、外擴按鍵液晶人機接口電路，11、外擴E2PR0M模塊，12、通訊協議轉換模塊。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的硬體模塊主要由DSP核心模塊1，鍵相傳感器，2，鎖相環程控倍頻模塊3，電平轉換模塊4，振動傳感器5，信號預處理模塊6，A/D轉換模塊7，多路控制信號產生電路模塊8，平衡執行器9，外擴按鍵液晶人機接口電路10，外擴E2PR0M模塊11，及通訊協議轉換模塊12組成。該控制系統的振動傳感器拾取旋轉機械相應測點的原始振動信號，該信號經信號預處理模塊及抗混疊濾波後，由信號預處理模塊中電壓平移電路將雙向電壓信號轉變為A/ D轉換器所需的單電壓信號。DSP內含12位A/D轉換器。鍵相傳感器拾取主軸的轉速信號， 經施密特觸發器整形後送⑶4046鎖相環模塊，鎖相環模塊可以程序控制實現1-100內倍頻功能。採用鎖相環倍頻技術，就能在低轉速(如0.X HZ，甚至更低頻率下)和現有單鍵相槽測速的條件下，比較容易測到轉速，使整個系統適用的轉速範圍能進一步擴大。經倍頻後的轉速脈衝信號送DSP處理器按測頻測周混合法測取主軸的轉速值，即當前的工頻值。基於該工頻值按一定規則處理產生觸發A/D模塊進行轉換的控制信號，實現對振動信號的整周期採樣處理。DSP處理器的事件管理模塊產生多路控制平衡執行器的信號，經光電隔離器隔離後送相應的平衡執行器執行控制動作。E2PRAM模塊在系統工作過程中，難免會遇到各種非正常工況，引起系統的突然斷電，發生這種情況時，如果系統在重新啟動後能根據實時振動情況，有選擇地恢復斷電前的關鍵參數，無疑可使我們的控制系統能快速地達到斷電前的工作狀態(基於的前提是系統都是緩變的假設)。E2PRAM模塊用於實現關鍵參數的動態存儲與替換，該模塊存儲的參數既可以用於非正常工況下的系統重啟，又可以實現斷電前的參數保存與重新開機後關鍵參數的恢復。DSP處理器完成整機時序運行，被測信號的採樣分析處理、鍵相脈衝的捕捉、控制平衡執行器的信號輸出、人機對話和測量結果顯示等各種控制。RS485RS232C模塊既可以完成各測點的局域組網，又可以實現同控制中心的遠距離數據通訊(此距離已經能達到把控制系統放在車間級控制中心，執行控制器放在現場的現實需求)。相應平衡執行器在控制信號的控制下，按其工作原理進行質量補償，使整個系統達到動態平衡。圖2給出了本發明的控制原理。在旋轉機械的主軸或轉子上開設鍵相槽，該處為基準位置。鍵相傳感器在主軸或轉子轉過基準位置時產生一個基準脈衝信號(該脈衝信號又稱為鍵相信號)，該脈衝信號經過CD4046為核心的鎖相環倍頻模塊產生一個倍頻脈衝信號，經電平轉換模塊後送DSP核心模塊，根據測頻測周混合法測取主軸的實時轉速值，利用該實時轉速值按一定規則產生控制A/D轉換的觸發脈衝信號。在觸發脈衝的控制下，A/D轉換模塊對信號預處理後的振動信號進行整周期採集。經A/D變換後數位化的振動值由DSP 核心模塊經快速傅立葉變換(FFT)後求出工頻振動信號的幅值和相位。在知道工頻振動信號的前提下，根據振動二階系統的特性及具體平衡執行器的工作原理按一定的規則由DSP 核心模塊給出控制平衡執行器的控制信號。在控制信號的作用下，平衡執行器依據其工作原理對整個系統進行質量補償，直至系統振動指標達到要求為止。如圖3所示，本發明的A/D變換接口電路將需進行A/D轉換的電壓輸入值進行降壓和電壓跟隨處理，限制輸入電壓大小，滿足A/D模塊的電壓要求。 如圖4所示，本發明的E2PR0M模塊與DSP核心模塊相連，實現對關鍵參數的動態存儲與替換，斷電前的參數保存與重新開機後關鍵參數的恢復。
如圖5所示，本發明的通訊協議轉換模塊通過MAX3160晶片將RS-232C轉換為 RS-485總線協議，提高信號傳輸距離，能夠實現遠程控制，增強控制的靈活性。如圖6所示，本發明的128*64液晶接口驅動電路，與DSP核心模塊相連，實時顯示測量信號，方便控制參數的設置和調整，提高控制效率。如圖7所示，給出了鎖相環程控倍頻電路模塊原理圖。通過⑶4046鎖相環晶片對鍵相脈衝信號進行鎖相，鎖相後的信號通過CD4059晶片進行倍頻，提高轉軸的旋轉信號的準確性和精度。通過設定晶片相關管腳的高低電平，實現對倍頻倍數的程序控制。如圖8所示，給出DSP核心模塊電路圖，DSP處理器外圍電路接線設計，實現DSP最小系統功能。
權利要求
1.一種旋轉機械在線自動平衡控制器，其包括DSP核心模塊(1)，鍵相傳感器O)，鎖相環程控倍頻模塊C3)，電平轉換模塊(4)，振動傳感器( ，信號預處理模塊(6)，A/D轉換模塊(7)，多路控制信號產生電路模塊(8)，平衡執行器(9)，外擴按鍵液晶人機接口電路 (10)，外擴E2PR0M模塊(11)，及通訊協議轉換模塊(12)，其特徵在於DSP核心模塊(1)通過多路控制信號產生模塊(8)連接至用於控制平衡的平衡執行器(9)；用於拾取旋轉機械上測點原始振動信號的振動傳感器(5)的輸出信號接口連接到信號預處理模塊(6)，再經過A/D轉換模塊(7)進行模數轉換後輸入至DSP核心模塊；用於拾取主軸的轉速信號的鍵相傳感器O)的輸出信號接口連接到鎖相環程控倍頻模塊(3)，再經過用於將雙向電壓信號轉變為A/D轉換器所需的單電壓信號的電平轉換模塊(4)進行電平轉換後輸入至DSP核心模塊；DSP核心模塊(1)還連接有用於人工輸入參數的外擴按鍵液晶人機接口電路(10)， 用於參數動態存儲、替換與恢復的外擴E2PROM模塊(11)，用於與上位機進行通信的通訊協議轉換模塊(12)。
2.根據權利要求1所述的旋轉機械在線自動平衡控制器，其特徵在於所述的A/D轉換模塊⑵和DSP核心模塊⑴內置於DSP晶片內部。
3.根據權利要求1所述的旋轉機械在線自動平衡控制器，其特徵在於所述的鎖相環程控倍頻模塊(3)採用⑶4046晶片作為核心晶片。
4.根據權利要求1所述的旋轉機械在線自動平衡控制器，其特徵在於所述的通訊協議轉換模塊(1 將RS-485通信轉換為RS-232通信。
5.根據權利要求1所述的旋轉機械在線自動平衡控制器，其特徵在於所述的振動傳感器( 為位移傳感器和/或速度傳感器和/或加速度傳感器傳感器。
6.根據權利要求1所述的旋轉機械在線自動平衡控制器，其特徵在於所述的平衡執行器(9)為三腔或四腔的液體在線自動平衡頭，或是電磁平衡頭等平衡執行器。 全文摘要
一種旋轉機械在線自動平衡控制器，屬於機械與控制交叉的領域。DSP核心模塊通過多路控制信號產生模塊連接至平衡執行器；振動傳感器的輸出信號接口連接到信號預處理模塊，再經過A/D轉換模塊後輸入至DSP核心模塊；鍵相傳感器的輸出信號接口連接到鎖相環程控倍頻模塊，再經過電平轉換模塊進行電平轉換後輸入至DSP核心模塊；DSP核心模塊還連接外擴按鍵液晶人機接口電路、外擴E2PROM模塊、通訊協議轉換模塊。本發明採用實時在線動平衡控制，與離線動平衡控制系統相比較，具有調試及時，方便靈活，系統體積小，控制反應快，能夠實時反應所測系統實際轉動情況並進行相關控制實施等優點。
文檔編號G05B19/042GK102520631SQ20111042116
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者姚劍飛, 徐亮, 江志農, 王華慶, 趙慶亮, 高金吉 申請人:北京化工大學