專利名稱：振動監視保護裝置的背板總線式結構及其通信控制方法
技術領域：
本發明屬于機械振動信號監視保護和設備故障分析與診斷領域，特別涉及一種背板總線式振動監視保護裝置內部模塊通信及控制方法。
背景技術：
旋轉機械監視保護與故障分析診斷裝置是保障設備安全、穩定、高效運行的重要工具，隨著現代企業設備管理智能化、信息化水平的不斷提高，對設備進行監視保護與故障診斷，并在此基礎上實現設備的視情維修與預知維護已成為企業的迫切需求。傳統的以監測儀表為主體的狀態監測與報警裝置，可以在線監測設備的振動以及溫度、壓力、流量等信息，并根據人工設定的報警門限對異常的監測參數作出報警提示直至聯鎖停車，但其缺點是報警參數及報警方式單一，缺乏對故障的分析診斷能力，而以便攜式儀器或便攜式計算機為主的故障分析儀器，主要提供常見的信號處理與故障分析方法，如頻譜分析、波形分析、軸心軌跡分析等，此類裝置主要用于設備狀態的巡檢，其缺點是不能完整記錄設備運行的狀態信息，缺乏在線監視保護和預防突發故障的能力；以工業控制計算機或嵌入式計算機為主體的在線狀態監測與故障診斷裝置是故障分析儀器的進一步發展，可以實現面向企業內部網甚至面向因特網的遠程狀態監測與故障分析、診斷，但主要作為監視保護裝置的后級系統，缺乏實時聯鎖保護能力。開發智能化監視保護裝置，實現基于多種故障特征的監視報警與分析診斷，為旋轉機械提供更為全面的實時監控與聯鎖保護，已成為本領域技術發展的方向之一。提高旋轉機械振動監視保護與分析診斷精度的關鍵是同一轉子振動信號根據其旋轉速度實現整周期同步波形數據采集，整周期波形數據可以消除頻譜分析時能量泄露， 獲得準確的故障特征頻率及其幅值，而基于鍵相/轉速信號觸發的同步振動波形采集則可以保證獲得準確的、可比較的相位信息，上述信息不僅為故障識別提供依據還可以用于進行轉子現場動平衡。已授權的中國發明專利《嵌入式旋轉機械運行監控保護裝置與設置方法》(專利號200710132811.7)由嵌入式管理模塊和多個功能模塊、顯示器和觸摸屏控制電路組成， 每個功能模塊對旋轉機械的各通路傳感器信號進行采集處理，管理模塊通過高速異步串口 (UART)電路連接各功能模塊進行數據傳遞和控制，通過網絡接口、RS232或RS485接口連接上位機，接收上位機的組態、數據巡檢和采集命令，嵌入式管理模塊同時直接連接觸摸屏液晶顯示器，顯示圖表數據。該發明主要針對振動峰峰值、烈度等特征量進行監測，無波形數據同步采集和分析功能，也未實現功能模塊的即插即用，管理模塊工作負荷較小。若需要對全波形數據進行監測、處理以及分析診斷，則由于模塊間通信數據量龐大，采用異步串口方式難以滿足實時性要求，同時管理模塊的工作負荷也將大大提高，難以滿足應用要求。已授權的中國發明專利《大型旋轉機械設備智能采集監測裝置及采集監測方法》 (專利號200410(^6179. 4)采用基于CPCI總線和DSP處理器，八通道同步高速數據采集的硬件設備，依據被監測設備自身動態運行數據所構建的設備運行狀態，實現該發明監測參數的動態自適應設置和調整，以及監測數據的智能存儲，形成一套針對大型旋轉機械設備的智能狀態監測裝置。但該發明監測參數相對單一，監測通道固定為8通道，對多于8通道的轉子振動信號未提供同步采集控制功能，系統配置的靈活性、可擴展性不夠，同時CPCI 總線實現復雜，成本相對較高，限制了其應用范圍。中國實用新型專利《小型旋轉機械安全監視裝置》(專利號200820223476. 1)采用總線式結構，各監視模塊用螺釘固定在鋁制機箱的面板上，模塊以高性能CPU為核心，配套LED作為人機接口，外部系統及監視、組態軟件通過電源模塊上的通訊單元訪問各監視模塊，各模塊通過系統總線組成RS485網絡，通過總線板設定各監視模塊的通訊地址，各種輸入信號經不同的功能子板送至主板的數據處理單元，數據處理單元的數模轉換器和模數轉換器與CPU采用SPI總線通訊，系統功能軟件固化在芯片內，自動實現數據的采集、故障判斷、信號偏置/增益、線性度校正及信號傳輸。該發明同樣僅針對振動峰峰值、烈度等特征量進行監測，無波形數據同步采集和分析功能，同樣由于RS485通信速率的限制，難以實現大容量全波形數據實時監測、處理及分析診斷。

發明內容
本發明的目的是提供一種背板總線式振動監視保護裝置內部功能模塊間的通信及控制方法，實現機械振動信號的實時大容量全波形數據整周期同步采集、振動故障特征提取、監視保護和在線分析診斷，并實現模塊熱插拔和即插即用，克服現有裝置或產品難以實現大容量全波形數據實時處理的不足。本發明的技術方案為振動監視保護裝置的背板總線式結構，包括監視保護裝置背板和監視保護裝置功能模塊，監視保護裝置背板由背板總線和多個總線插槽組成，背板總線包括電源線、時鐘/復位信號線、并行接口信號線、采樣控制信號線以及CAN接口信號線，背板總線中的信號同時連接至各總線插槽，監視保護裝置功能模塊中的各功能模塊分別對應連接一個總線插槽，進而通過背板總線實現通信，總線插槽為96針歐式連接器，背板總線和總線插槽之間采用多點低壓差分信號M-LVDS傳輸數據，總線插槽上各自連接有4 位插槽地址信號SL0T[3:0]，根據總線插槽在背板總線上的位置不同，SL0T[3:0]中相應序號的信號采用開路或電阻下拉至地，監視保護裝置功能模塊各功能模塊給所連接的總線插槽上的4位插槽地址信號SLOT [3 0]提供弱上拉電阻，將其轉換為邏輯電平信號，供所述功能模塊進行地址譯碼和識別。監視保護裝置功能模塊為可擴展模塊，包括管理模塊、鍵相/轉速模塊和至少一個振動模塊，所述背板總線中的電源線連接+24V電源，監視保護裝置功能模塊的各功能模塊通過電源線供電并由其內部的板載電源模塊將+24V電源轉換為其工作所需的電源。上述振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法為，所述監視保護裝置功能模塊的各功能模塊均分別存儲有振動監視保護裝置的全部組態信息，振動監視保護裝置上電運行時，各功能模塊相互交換各自存儲的組態信息，并對存儲的組態信息進行一致性檢查，采用投票表決原則，確定最終的系統組態狀態，以提高系統組態信息存儲的安全性和可靠性；監視保護裝置功能模塊各功能模塊功能相對獨立，某一功能模塊故障不影響其他模塊的正常運行，當系統通過熱插拔新增新的功能模塊時，若該功能模塊已經過用戶組態，則其受電后自動向系統其他功能模塊報告其組態信息，并請求其他已運行模塊的組態信息，實現組態分布存儲并投入運行，若該功能模塊未經過用戶組態，則該功能模塊暫停運行并報警，提醒用戶組態；當某一功能模塊故障進行熱插拔替換時，替換后的模塊受電后， 自動獲取存儲于其他功能模塊的原有組態信息并投入運行，實現功能模塊的即插即用。監視保護裝置功能模塊包括管理模塊、鍵相/轉速模塊和振動模塊，各功能模塊上電初始化進入正常工作狀態后，其管理模塊通過背板總線采用中斷方式與振動監視保護裝置的其他功能模塊進行數據交換，實現振動監測數據的存儲、管理，并可通過管理模塊的外部通信接口與外部設備之間進行數據通信，實現振動信號在線監測、分析與故障診斷；鍵相/轉速模塊根據組態設定的監視周期，觸發同步控制信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK# 控制振動模塊進行振動波形采集，并完成機組轉速測量以及機組啟停狀態識別和超速保護；振動模塊根據同步控制信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK#通過中斷方式采集振動位移、速度或加速度信號波形，振動模塊完成當前采集波形數據分析、特征提取以及報警保護處理后，觸發DATARDY信號通知管理模塊開始數據通信，將采集的原始波形數據和特征數據傳送至管理模塊進行存儲、管理。所述背板總線中的時鐘/復位信號線包括時鐘信號CLK和復位信號RESET，時鐘信號CLK由管理模塊驅動，用于監視保護裝置功能模塊各功能模塊的定時和同步控制，復位信號RESET由外部按鈕輸入或管理模塊驅動，用于監視保護裝置各功能模塊的復位控制。所述背板總線中的并行接口信號線用于實現管理模塊與其它各功能模塊之間的大容量波形和分析數據高速并行傳輸，并行接口信號線為16位并行接口，采用M-LVDS驅動，每秒傳輸速度達100MB，并行接口信號線包括8位地址信號A[7:0]、16位雙向數據信號D[15:0]、并行接口讀寫控制信號I0RD#和I0WR#以及中斷請求信號IRQ，其中地址信號 A[7:0]由管理模塊驅動，用于其他功能模塊地址譯碼，雙向數據信號D[15:0]由各功能模塊分時驅動，用于管理模塊與其他功能模塊之間的雙向數據傳輸，I0RD#和I0WR#信號由管理模塊驅動，用于數據傳輸方向控制，IRQ信號用于向管理模塊請求中斷數據傳輸。所述背板總線中的采樣控制信號線包括4路采樣同步控制信號SYNC#[3:0]、4路采樣脈沖信號FSCLK#[3:0]和4路數據準備好信號DATRDY [3 0]，相應序號的采樣同步控制信號、采樣脈沖信號和數據準備好信號構成一個分組，用于多轉子旋轉機械系統按轉子對振動模塊進行分組組態，實現基于各轉子轉速/鍵相信號的振動信號整周期同步數據采集，采樣同步控制信號SYNC#[3:0]和采樣脈沖信號FSCLK#[3:0]為雙向信號，由鍵相/轉速模塊根據其外部傳感器輸入的鍵相/轉速信號通過鎖相倍頻產生并驅動，或在無鍵相/ 轉速模塊或鍵相/轉速模塊故障時由選定的振動模塊按照組態設定的仿真鍵相/轉速頻率產生并驅動，數據準備好信號DATRDY[3:0]為單向信號，高電平有效，采用線或邏輯，由各振動模塊同時驅動，用于振動模塊向管理模塊報告采樣數據狀態。所述背板總線中的采樣控制信號線的信號由鍵相/轉速模塊或振動模塊中的采樣控制信號產生電路生成，采樣控制信號產生電路包括4個D觸發器Ul U4、計數器U5和或門U6，觸發器Ul的CLK輸入端為振動監視觸發脈沖TRIG信號，其Q端輸出采樣脈沖信號FSCLK#和同步控制信號SYNC#的輸出使能控制信號，并連接至觸發器U2和U3的D輸入端，觸發器U2和U3的CLK端均連接鎖相倍頻電路的輸出信號PLLVC0，以保證采樣脈沖信號 FSCLK#和同步控制信號SYNC#與PLLVCO信號上升沿同步，觸發器U4用于產生與PLLVCO信號上升沿同步的復位信號，復位觸發器Ul和U3的輸出，，或門TO用于采樣脈沖信號FSCLK#的輸出，計數器U5對或門TO輸出的采樣脈沖信號FSCLK#計數，當計數值達到組態設定的振動波形采集點數后，復位觸發器U2，禁止采樣脈沖信號FSCLK#輸出。所述背板總線中的采樣控制信號線的同步采樣控制由采樣同步控制信號SYNC# 的下降沿觸發，即各振動模塊根據SYNCi^f號的下降沿，啟動一次波形采集，由相應的 FSCLK#信號觸發其A/D轉換，完成組態設置的波形采樣點數后，各振動模塊對當前采樣波形數據進行緩存和分析處理，處理結束后，觸發數據準備好信號DATRDY，通知管理模塊讀取波形及其特征數據，完成一次波形采樣監視周期，下一次波形采樣的啟動采用兩種方式，一是等待處于同一分組的振動模塊完成當前波形數據處理且數據傳輸結束后啟動，另一方式是在上一次波形數據緩存完成后即開始下一次波形采樣，以提高系統監視的實時性，但此種方式的前提是波形數據傳輸過程在下一次波形采樣結束之前完成。所述背板總線中的CAN接口信號線包括兩路CAN接口，其中一路用于系統各功能模塊的組態配置、即插即用控制以及功能模塊間的冗余控制，實現冗余保護功能，另一路用于旋轉機械超速保護及機組狀態實時報警控制，以實現機組聯鎖保護。本發明針對旋轉機械監視保護與故障分析診斷裝置，對應提供了一種背板總線結構及其控制方法，通過設計的背板電路及其信號控制方法，實現大容量全波形數據的傳輸， 并保證了數據采集的同步處理，以保證精確的實時監測、處理及分析診斷，與現有技術相比，本發明的優點在于(1)背板總線信號均采用M-LVDS多點低壓差分信號傳輸，其傳輸時鐘頻率可達 125MHz，傳輸速率可達250Mbps，具有高速、無源、熱插拔等特點，現場使用和維護方便。(2)背板總線集成有16位并行數據接口和兩路高速CAN總線接口，實現了基于并行接口的大容量振動波形數據的高速傳輸和基于CAN總線的旋轉機械超速保護和振動報警數據等的實時傳輸。(3)背板總線提供了 4組用于采樣控制的同步信號SYNCi^n采樣脈沖信號 FSCLK#，對多轉子機組，可通過軟件組態對振動模塊按轉子進行分組，由鍵相/轉速功能模塊依據相應轉子的鍵相/轉速信號通過鎖相倍頻產生其同步采樣控制信號，輸入處于相應分組的振動模塊實現多轉子機組按轉子進行整周期同步采集。同步信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK#也可在無鍵相/轉速模塊或鍵相/轉速模塊故障時通過選定的振動模塊根據設定的鍵相頻率仿真產生并驅動，以實現振動信號同步采集。(4)背板總線上各功能模塊的組態信息分散存儲于所有功能模塊中，系統上電運行時，各功能模塊相互交換各自的組態信息，并對所有存儲的組態信息進行一致性檢查，基于投票表決原則，確定最終的系統組態狀態，提高了系統組態信息存儲的安全性和可靠性， 各功能模塊功能相對獨立，某一功能模塊故障不影響其他模塊正常運行。當系統通過熱插拔新增新的功能模塊時，若該功能模塊已由用戶組態，則其受電后自動向系統其他功能模塊報告其組態信息并請求其他已運行模塊的組態信息，實現組態分布存儲并投入運行，否則，暫停運行并提醒用戶組態；當某一功能模塊故障進行熱插拔替換時，替換后的模塊受電后，也可自動獲取系統上存儲于其他模塊的原有組態信息并投入運行，實現了功能模塊的即插即用。(5)背板總線所有插槽的物理結構及其引腳電氣信號完全相同，各功能模塊可安裝于任意選定的插槽中。


圖1為本發明背板總線式振動監視保護裝置結構框圖。圖2為本發明背板總線信號定義及其連接圖。圖3為本發明背板總線采樣控制信號產生電路及其時序圖。圖4為本發明背板總線采樣控制及數據傳輸時序圖。圖5為本發明背板并行總線電路原理圖。圖6為本發明管理模塊總線接口電路原理圖。圖7為本發明管理模塊CPU核心板接口電路原理圖。圖8為本發明鍵相/轉速和振動等功能模塊總線接口電路原理圖。圖9為本發明鍵相/轉速模塊鎖相倍頻及轉速測量電路原理圖。圖10為本發明振動模塊A/D及CPU等電路原理圖。圖11為本發明各功能模塊上電初始化及即插即用流程圖。圖12為本發明各功能模塊工作流程圖。
具體實施例方式本實施例是背板式旋轉機械監視保護裝置內部模塊通信及控制方法實現示例，包括14個背板總線插槽，插槽上安裝有1塊管理模塊、1塊4通道鍵相/轉速模塊、12塊4通道振動模塊，可實現48通道振動位移/速度/加速度信號的整周期同步采集。下面結合附圖對本發明的具體實施方案作進一步闡述。如附圖1所示，本實施例包括由背板總線11和總線插槽12構成的監視保護裝置背板1，以及監視保護裝置功能模塊2組成，監視保護裝置功能模塊2包括諸如管理模塊 21、鍵相/轉速模塊22、振動模塊23等，并可擴展其他類型功能模塊，如溫度采集模塊等，各功能模塊安裝于總線背板插槽上，各功能模塊通過背板總線11實現相互通信，背板總線信號采用M-LVDS多點低壓差分信號傳輸，具有無源、熱插拔、組態化、即插即用等特點，使用、 維護和擴展方便。如附圖2所示，本實施例背板總線信號連接至96針歐式連接器構成的總線插槽上，包括+24V電源、插槽地址信號SLOT[3:0]、CANO和CANl接口信號、復位信號RESET、時鐘信號CLK、并行接口讀信號I0RD#、并行接口寫信號I0WR#、并行接口地址信號A[7:0]、并行接口數據信號D[15:0]、中斷請求信號IRQ、4組同步控制信號SYNC#[3:0]、4組采樣脈沖信號FSCLK#[3:0]、4組數據準備信號DATRDY[3:0]。其中插槽地址信號SL0T[3:0]為局部信號，每個插槽均獨立連接有4位插槽地址信號SL0T[3:0]，根據背板插槽位置不同， SLOT[3:0]中相應序號的信號采用開路或電阻下拉至地，各功能模塊則提供弱上拉電阻將其轉換為邏輯電平信號供安裝于其上的功能模塊進行地址譯碼和識別；時鐘信號CLK由管理模塊21驅動，用于監視保護裝置各功能模塊的定時和同步控制；復位信號RESET可由外部按鈕輸入或管理模塊21驅動，用于監視保護裝置各功能模塊的復位控制；并行接口信號A[7:0]、D[15:0]、I0RD#、I0WR#及IRQ用于實現管理模塊與各功能模塊之間諸如振動原始數據、頻譜分析數據等，但又不限于此類數據的大容量數據高速并行傳輸；采樣控制信號SYNC# [3 0]、FSCLK# [3:0]、DATRDY[3:0]用于實現多塊振動模塊整周期同步數據采集；CANO接口用于系統各功能模塊的組態配置、即插即用控制以及諸如多塊鍵相/轉速模塊等功能模塊間的冗余控制以實現三取二等冗余保護功能，CAm接口用于旋轉機械超速保護及機組狀態實時報警控制，以實現機組聯鎖保護。如附圖3所示，本實施例采樣控制信號線114的信號由鍵相/轉速模塊22或振動模塊23中的采樣控制信號產生電路生成，采樣控制信號產生電路包括D觸發器Ul U4、 計數器U5和或門TO，Ul用于將其CLK輸入端上來自CPU的振動監視觸發脈沖TRIG信號轉變為其Q輸出端上的采樣脈沖信號FSCLK#和同步控制信號SYNC#的輸出使能控制信號并接至U2和U3的D輸入端，U2和U3的CLK端均接至鎖相倍頻電路的輸出信號PLLVC0，以保證采樣脈沖信號FSCLK#和同步控制信號SYNC#與PLLVCO信號上升沿同步，U4用于產生與 PLLVCO信號上升沿同步的復位信號，復位Ul和U3的輸出，計數器U5對U6輸出的采樣脈沖信號FSCLK#計數，當計數值達到組態設定的振動波形采集點數后，復位U2，禁止采樣脈沖信號FSCLK#輸出，TO用于采樣脈沖信號FSCLK#的輸出控制。本實施例支持4路采樣同步控制信號SYNC#[3:0],4路采樣脈沖信號FSCLK#[30]和4路數據準備好信號DATRDY[3:0], 相應序號的采樣同步控制信號、采樣脈沖信號和數據準備好信號構成一個分組，用于多轉子旋轉機械系統按轉子對振動模塊23進行分組組態，實現基于各轉子轉速/鍵相信號的振動信號整周期同步數據采集，采樣同步控制信號SYNC#[3:0]和采樣脈沖信號FSCLK#[3:0] 為雙向信號，可由系統組態選定的鍵相/轉速模塊22根據其外部傳感器輸入的鍵相/轉速信號通過鎖相倍頻產生并驅動，也可在無鍵相/轉速模塊22或鍵相/轉速模塊22故障時由選定的一塊振動模塊23按照組態設定的仿真鍵相/轉速頻率產生并驅動，數據準備好信號DATRDY[3:0]為單向信號，高電平有效，采用線或邏輯，可由各振動模塊23同時驅動，用于振動模塊23向管理模塊21報告采樣數據狀態。如附圖4所示，本實施例同步采樣控制及數據傳輸分為兩種模式，即采樣控制及數據傳輸時序A和采樣控制及數據傳輸時序B，對采樣控制及數據傳輸時序A，各振動模塊根據SYNC#信號的下降沿，啟動一次振動波形采集，由相應的FSCLK#信號觸發其A/D轉換， 完成組態設置的波形采樣點數后，各振動模塊對當前采樣波形數據進行緩存和分析處理， 處理結束后，觸發其數據準備好信號DATRDY，通知管理模塊讀取波形及其特征數據，完成一次波形采樣監視周期，下一次波形采樣在處于同一分組的全部振動模塊完成當前波形數據處理且波形數據傳輸結束后啟動；對采樣控制及數據傳輸時序B，在上一次波形數據緩存和分析處理完成后即開始下一次波形采樣，以提高系統監視的實時性，但此時需保證波形數據傳輸過程在下一次波形采樣結束之前完成。圖中，^為采樣同步啟動信號觸發后到第一個波形采樣脈沖有效時的時間延遲，t2為波形采樣完成所需時間，t3為功能模塊波形數據處理所需時間，t4為波形數據傳輸所需時間，t5為波形輸出完成至下一次波形采樣的時間間隔，t6為波形數據緩沖分析完成至下一次波形采樣的時間間隔，對采樣控制及數據傳輸時序A，系統監視保護周期T =、+、+、+、+、，對采樣控制及數據傳輸時序B，系統監視保護周期 T =、+、+、+、。如附圖5所示，本實施例背板并行總線電路原理圖由背板總線插槽電路51、 M-LVDS多點低壓差分信號終端匹配電阻電路52、CAN總線終端匹配電路53和背板電源輸入端子電路M組成，背板總線插槽電路51僅畫出了前3個插槽的電路圖，圖中插槽信號標識為SLOTxO SL0Tx3，其中χ = 1 12，后續的12個插槽除插槽信號下拉電阻位置不同外，其他均相同，各功能模塊上的插槽信號輸入電路需配接上拉電阻，上拉電阻的取值以保證背板插槽信號存在下拉電阻時，相應的插槽輸入信號為地電平，插槽信號SL0Tx[3:0]組合而成的二進制值即為其所連接插槽的物理地址。M-LVDS多點低壓差分信號終端匹配電阻電路52以及CAN總線終端匹配電路53中的匹配電阻或電路布線時需分別安放于背板最外端的兩個總線插槽處，以保證各路差分信號的完整性。本發明背板總線11中的并行接口信號線113用于實現管理模塊21與其它各功能模塊之間的大容量波形和分析數據高速并行傳輸，容量取決于用戶組態配置的波形采集長度，最高長度每通道可達8192點，及16KB， 每個振動模塊可采集四個通道信號，這樣每個振動模塊數據量將達64KB，對后面的具體實施方式
，如果一個系統有12個振動模塊，48通道，則總數據量可達3072KB，并行接口信號線 113為16位并行接口，采用M-LVDS驅動，每秒傳輸速度理論上最高可達200MB，但實際傳輸速度還與CPU速度有關，要稍低一些，實施例傳輸速度大約可達lOOMB/s。并行接口信號線 113包括8位地址信號A[7:0]、16位雙向數據信號D[15:0]、并行接口讀寫控制信號I0RD# 和I0WR#以及中斷請求信號IRQ，其中地址信號A[7:0]由管理模塊21驅動，用于其他功能模塊地址譯碼，雙向數據信號D[15:0]由各功能模塊分時驅動，用于管理模塊21與其他功能模塊之間的雙向數據傳輸，101 #和IOWRi^f號由管理模塊21驅動，用于數據傳輸方向控制，IRQ信號用于向管理模塊21請求中斷數據傳輸。如附圖6所示，本實施例管理模塊總線接口電路原理圖由總線插槽端子電路61、 電源熱插拔控制電路62、并行接口地址總線及數據總線驅動電路63、系統信號/并行接口讀寫信號/采樣數據準備好信號接口電路64、中斷請求信號接口電路65、兩路CAN接口電路66以及可邏輯邏輯電路67組成。電源熱插拔控制電路62采用TPSM91熱插槽控制器， 避免模塊插拔對總線電源造成的沖擊，并行接口地址總線及數據總線驅動電路63、系統信號/并行接口讀寫信號/采樣數據準備好信號接口電路64以及中斷請求信號接口電路65 均采用專用M-LVDS收發芯片，其接收器為標準的Type-2型電路，具有故障保護及線與操作能力，CAN接口電路66采用雙路CAN收發器TJA1048，可邏輯邏輯電路67用于產生總線接口所需的各種控制信號，包括并行接口地址總線驅動使能ENADRV信號、數據總線驅動使能 ENDDRV信號、接收使能ENDRCV#等。如附圖7所示，本實施例管理模塊CPU核心板接口電路原理圖包括核心板接口電路71、外部RJ45網絡接口端子電路72、RS485接口電路73，CPU核心板采用帶SD存儲卡、 網絡接口、串行接口以及兩路CAN接口的商業化ARM核心板EM9170以簡化系統硬件設計。如附圖8所示，本實施例鍵相/轉速和振動等功能模塊總線接口電路原理圖包括并行接口地址總線及數據總線驅動電路81、系統信號/并行接口讀寫信號/采樣數據準備好信號接口電路82、采樣同步信號/采樣脈沖信號驅動電路83、中斷請求驅動電路84以及兩路CAN接口電路85等組成，總線接口電路所需的總線插槽端子電路與管理模塊中的電路 61相同，電源熱插拔控制電路與管理模塊中的電路62相同，各電路單元除信號收發方向有區別外，其驅動芯片與管理模塊相同。如附圖9所示，本實施例鍵相/轉速模塊鎖相倍頻及轉速測量電路原理圖包括鍵相/轉速信號調理電路91、鎖相倍頻電路92、可編程邏輯電路93、DSP芯片電路94，其中鍵相/轉速信號調理電路91對來自電渦流傳感器或光電式、磁阻式傳感器輸入的鍵相/轉速信號SPINO進行濾波及整形并輸入至可編程邏輯電路93，鎖相倍頻電路92對來自可編程邏
1輯電路93的鍵相/轉速信號KPLLl進行倍頻處理以產生整周期同步采樣脈沖，可編程邏輯電路93內置有鎖相倍頻電路92所需的分頻器以及圖3所示的同步采樣控制信號產生邏輯等電路，DSP芯片電路94通過其4路脈沖捕捉通道測量機組轉速，并由其內置軟件完成超速報警、機組啟停狀態識別、同步采樣控制信號觸發等功能。如圖10所示，本實施例振動模塊A/D及CPU等電路原理圖包括DSP及其外擴RAM 電路101、振動信號調理電路102、4通道同步采樣A/D電路103以及可編程邏輯電路104， 其中DSP及其外擴RAM電路101結合DSP芯片內置軟件完成振動信號同步采集、數據緩存及特征分析提取以及與管理模塊之間的數據傳輸控制等功能，振動信號調理電路102包括由U6B和U6C構成的振動信號交流/直流信號分離電路、UlO構成的交流信號程控放大電路、UllB構成的交流信號一次積分電路、UllC構成的交流信號二次積分電路、U9構成的A/ D轉換信號選擇電路以及TO、U7A和U8A構成的ICP壓電式振動傳感器恒流供電電路，振動信號調理電路102可接收來自電渦流式振動位移傳感器、磁電式振動速度傳感器、壓電式振動速度或振動加速度傳感器的振動信號，并通過軟件組態選擇合適信號調理方式，如程控放大倍數、積分次數、是否供電等，4通道同步采樣A/D電路103完成4路振動信號的同步采樣，可編程邏輯電路104完成模塊譯碼邏輯、A/D控制邏輯、信號調理配置邏輯以及同步采樣控制仿真信號產生邏輯等功能。如附圖11所示，本實施例各功能模塊上電初始化及即插即用流程圖描述了系統模塊上電啟動或故障熱插拔修復時的工作過程，如前所述，裝置管理模塊及各功能模塊均分散存儲有系統的全部組態信息，系統運行時根據各模塊內部固化的軟件協同運行實現模塊的初始化和即插即用，其具體過程如下安裝于背板總線上的模塊上電后，首先對其自身狀態進行初始化，讀取本模塊存儲的系統組態信息，然后向背板上的CANO接口發送模塊信息索取幀，所有安裝于背板上的模塊，包括主動發出模塊信息索取幀的模塊均需響應模塊信息索取幀，發送各自的模塊信息至CANO接口，模塊信息幀包括模塊所處插槽地址、模塊類型、模塊序列號、組態是否有效、模塊是否已進入正常工作狀態等狀態信息，總線上的各模塊接收到所有模塊的模塊信息幀后，在其內部生成系統已安裝的模塊列表及其狀態， 若無模塊已進入正常工作狀態，則表明系統處于上電初始化狀態，若存在已進入正常工作狀態的模塊，則表明系統處于熱插拔狀態，當系統處于上電初始化狀態時，若所有模塊均無有效系統組態信息，則系統停止運行，提醒用戶組態，此時相當于監視保護裝置未初始化， 例如剛剛購買的監視保護裝置，其內部無組態信息，需要根據最終用戶設備監視保護需要進行配置組態才能運行，故此狀態下，裝置暫停運行，等待用戶配置其工作參數，否則，由該模塊列表中地址最小的模塊根據模塊列表依次向保存有有效系統組態信息的模塊發出系統組態信息請求幀，相應的模塊將其存儲的有效系統組態信息發送至CANO接口，各模塊接收到分散存儲于系統管理模塊和功能模塊中的有效系統組態信息后，對本模塊的組態信息進行校驗，若組態信息一致，則采用現有組態進入正常工作模式，否則，依據投票表決模式， 即少數服從多數的原則，選擇相應的組態信息恢復組態，進入正常工作模式，若投票表決失敗，無法恢復組態，則本模塊停止運行，報警并提醒用戶裝置組態信息存儲出現嚴重錯誤， 需要進行維護處理；當系統處于熱插拔狀態時，由熱插拔模塊根據模塊列表依次向其他已運行模塊發出系統組態信息請求幀，相應的模塊將其存儲的有效系統組態信息通過CANO 接口發送至熱插拔模塊，熱插拔模塊接收到已運行模塊中的有效系統組態信息后，對本模塊系統組態進行校驗，若組態信息一致，則采用現有組態進入正常工作模式，否則，依據投票表決模式，選擇相應的組態信息恢復系統組態，進入正常工作模式，此時，相當于用該模塊替換掉出現故障的模塊，若投票表決失敗，無法恢復系統組態，則熱插拔模塊停止運行， 等待用戶組態，此時該模塊相當于原裝置新增的擴展模塊，裝置內部無該模塊插入插槽對應功能模塊的組態信息，該模塊也未經過外部初始化，需要根據最終用戶設備監視保護需要進行配置組態才能運行，故此狀態下，該模塊暫停運行，等待用戶配置其工作參數。
如附圖12所示，本實施例各功能模塊上電初始化成功并進入正常工作狀態后，其管理模塊21通過背板總線11采用中斷方式與振動模塊23進行數據交換，實現振動監測數據的存儲、管理，并可通過其外部通信接口如網絡、RS485接口等與外部設備如監測數據顯示裝置、監控計算機、組態軟件等之間進行數據通信，實現振動信號在線監測、分析與故障診斷，鍵相/轉速模塊22根據組態設定的監視周期，觸發同步控制信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK#控制振動模塊23進行振動波形采集并完成機組轉速測量以及機組啟停狀態識別和超速保護，振動模塊23根據同步控制信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK#通過中斷方式采集振動位移、速度或加速度信號波形，完成當前采集波形數據分析、特征提取以及報警保護處理后，觸發DATARDY信號通知管理模塊21開始數據通信，將采集的原始波形數據和特征數據傳送至管理模塊21進行存儲、管理。
權利要求
1.振動監視保護裝置的背板總線式結構，其特征是包括監視保護裝置背板(1)和監視保護裝置功能模塊O)，監視保護裝置背板(1)由背板總線(11)和多個總線插槽(12)組成，背板總線(11)包括電源線(111)、時鐘/復位信號線(112)、并行接口信號線(113)、 采樣控制信號線(114)以及CAN接口信號線(115)，背板總線(11)中的信號同時連接至各總線插槽(12)，監視保護裝置功能模塊O)中的各功能模塊分別對應連接一個總線插槽(12)，進而通過背板總線(11)實現通信，總線插槽(12)為96針歐式連接器，背板總線 (11)和總線插槽(12)之間采用多點低壓差分信號M-LVDS傳輸數據，總線插槽(12)上各自連接有4位插槽地址信號SLOT[3:0]，根據總線插槽(1 在背板總線(11)上的位置不同， SLOT[3:0]中相應序號的信號采用開路或電阻下拉至地，監視保護裝置功能模塊(2)各功能模塊給所連接的總線插槽(1 上的4位插槽地址信號SL0T[3:0]提供弱上拉電阻，將其轉換為邏輯電平信號，供所述功能模塊進行地址譯碼和識別。
2.根據權利要求1所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構，其特征是監視保護裝置功能模塊( 為可擴展模塊，包括管理模塊(21)、鍵相/轉速模塊0 和至少一個振動模塊(23)，所述背板總線(11)中的電源線(111)連接+24V電源，監視保護裝置功能模塊 ⑵的各功能模塊通過電源線(111)供電并由其內部的板載電源模塊將+24V電源轉換為其工作所需的電源。
3.權利要求1或2所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法，其特征是所述監視保護裝置功能模塊O)的各功能模塊均分別存儲有振動監視保護裝置的全部組態信息，振動監視保護裝置上電運行時，各功能模塊相互交換各自存儲的組態信息，并對存儲的組態信息進行一致性檢查，采用投票表決原則，確定最終的系統組態狀態，以提高系統組態信息存儲的安全性和可靠性；監視保護裝置功能模塊(2)各功能模塊功能相對獨立，某一功能模塊故障不影響其他模塊的正常運行，當系統通過熱插拔新增新的功能模塊時，若該功能模塊已經過用戶組態，則其受電后自動向系統其他功能模塊報告其組態信息， 并請求其他已運行模塊的組態信息，實現組態分布存儲并投入運行，若該功能模塊未經過用戶組態，則該功能模塊暫停運行并報警，提醒用戶組態；當某一功能模塊故障進行熱插拔替換時，替換后的模塊受電后，自動獲取存儲于其他功能模塊的原有組態信息并投入運行， 實現功能模塊的即插即用。
4.根據權利要求3所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法，其特征是監視保護裝置功能模塊( 包括管理模塊(21)、鍵相/轉速模塊0 和振動模塊 (23)，各功能模塊上電初始化進入正常工作狀態后，其管理模塊通過背板總線(11) 采用中斷方式與振動監視保護裝置的其他功能模塊進行數據交換，實現振動監測數據的存儲、管理，并可通過管理模塊的外部通信接口與外部設備之間進行數據通信，實現振動信號在線監測、分析與故障診斷；鍵相/轉速模塊0 根據組態設定的監視周期，觸發同步控制信號SYNC#和采樣脈沖信號FSCLK#控制振動模塊進行振動波形采集，并完成機組轉速測量以及機組啟停狀態識別和超速保護；振動模塊根據同步控制信號SYNC# 和采樣脈沖信號FSCLK#通過中斷方式采集振動位移、速度或加速度信號波形，振動模塊 (23)完成當前采集波形數據分析、特征提取以及報警保護處理后，觸發DATARDY信號通知管理模塊開始數據通信，將采集的原始波形數據和特征數據傳送至管理模塊進行存儲、管理。
5.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法， 其特征是所述背板總線(11)中的時鐘/復位信號線(112)包括時鐘信號CLK和復位信號 RESET，時鐘信號CLK由管理模塊驅動，用于監視保護裝置功能模塊(2)各功能模塊的定時和同步控制，復位信號RESET由外部按鈕輸入或管理模塊驅動，用于監視保護裝置各功能模塊的復位控制。
6.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法， 其特征是所述背板總線(11)中的并行接口信號線(113)用于實現管理模塊與其它各功能模塊之間的大容量波形和分析數據高速并行傳輸，并行接口信號線(113)為16位并行接口，采用M-LVDS驅動，每秒傳輸速度達100MB，并行接口信號線(11 包括8位地址信號 A[7:0]、16位雙向數據信號D[15:0]、并行接口讀寫控制信號I0RD#*I0WR#以及中斷請求信號IRQ，其中地址信號A[7:0]由管理模塊驅動，用于其他功能模塊地址譯碼，雙向數據信號D[15:0]由各功能模塊分時驅動，用于管理模塊與其他功能模塊之間的雙向數據傳輸，101 #和IOWRi^f號由管理模塊驅動，用于數據傳輸方向控制，IRQ信號用于向管理模塊請求中斷數據傳輸。
7.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法，其特征是所述背板總線(11)中的采樣控制信號線(114)包括4路采樣同步控制信號 SYNC#[3:0]、4路采樣脈沖信號FSCLK#[3:0]和4路數據準備好信號DATRDY [3 0]，相應序號的采樣同步控制信號、采樣脈沖信號和數據準備好信號構成一個分組，用于多轉子旋轉機械系統按轉子對振動模塊進行分組組態，實現基于各轉子轉速/鍵相信號的振動信號整周期同步數據采集，采樣同步控制信號SYNC#[3:0]和采樣脈沖信號FSCLK#[3:0]為雙向信號，由鍵相/轉速模塊0 根據其外部傳感器輸入的鍵相/轉速信號通過鎖相倍頻產生并驅動，或在無鍵相/轉速模塊0 或鍵相/轉速模塊0 故障時由選定的振動模塊 (23)按照組態設定的仿真鍵相/轉速頻率產生并驅動，數據準備好信號DATRDY[3:0]為單向信號，高電平有效，采用線或邏輯，由各振動模塊同時驅動，用于振動模塊向管理模塊報告采樣數據狀態。
8.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法， 其特征是所述背板總線(11)中的采樣控制信號線(114)的信號由鍵相/轉速模塊02)或振動模塊中的采樣控制信號產生電路生成，采樣控制信號產生電路包括4個D觸發器 Ul U4、計數器U5和或門U6，觸發器Ul的CLK輸入端為振動監視觸發脈沖TRIG信號，其 Q端輸出采樣脈沖信號FSCLK#和同步控制信號SYNC#的輸出使能控制信號，并連接至觸發器U2和U3的D輸入端，觸發器U2和U3的CLK端均連接鎖相倍頻電路的輸出信號PLLVC0， 以保證采樣脈沖信號FSCLK#和同步控制信號SYNC#與PLLVCO信號上升沿同步，觸發器U4 用于產生與PLLVCO信號上升沿同步的復位信號，復位觸發器Ul和U3的輸出，，或門TO用于采樣脈沖信號FSCLK#的輸出，計數器U5對或門U6輸出的采樣脈沖信號FSCLK#計數，當計數值達到組態設定的振動波形采集點數后，復位觸發器U2，禁止采樣脈沖信號FSCLK#輸出ο
9.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法，其特征是所述背板總線(11)中的采樣控制信號線(114)的同步采樣控制由采樣同步控制信號SYNC#的下降沿觸發，即各振動模塊根據SYNC#信號的下降沿，啟動一次波形采集，由相應的FSCLK#信號觸發其A/D轉換，完成組態設置的波形采樣點數后，各振動模塊對當前采樣波形數據進行緩存和分析處理，處理結束后，觸發數據準備好信號DATRDY，通知管理模塊讀取波形及其特征數據，完成一次波形采樣監視周期，下一次波形采樣的啟動采用兩種方式，一是等待處于同一分組的振動模塊完成當前波形數據處理且數據傳輸結束后啟動，另一方式是在上一次波形數據緩存完成后即開始下一次波形采樣，以提高系統監視的實時性，但此種方式的前提是波形數據傳輸過程在下一次波形采樣結束之前完成。
10.根據權利要求3或4所述的振動監視保護裝置的背板總線式結構的通信控制方法， 其特征是所述背板總線(11)中的CAN接口信號線(115)包括兩路CAN接口，其中一路用于系統各功能模塊的組態配置、即插即用控制以及功能模塊間的冗余控制，實現冗余保護功能，另一路用于旋轉機械超速保護及機組狀態實時報警控制，以實現機組聯鎖保護。
全文摘要
振動監視保護裝置的背板總線式結構及其通信控制方法，包括監視保護裝置背板和監視保護裝置功能模塊，監視保護裝置背板由背板總線和多個總線插槽組成，背板總線同時連接至各總線插槽，監視保護裝置功能模塊中的各功能模塊分別對應連接一個總線插槽，進而通過背板總線實現通信。發明提供了一種背板總線式振動監視保護裝置及其內部功能模塊間的通信控制方法，實現機械振動信號的實時大容量全波形數據整周期同步采集、振動故障特征提取、監視保護和在線分析診斷，并實現模塊熱插拔和即插即用，克服現有裝置或產品難以實現大容量全波形數據實時處理的不足。
文檔編號G05B19/048GK102508456SQ201110291290
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者劉桂興, 胡建中, 許飛云, 賈民平, 黃鵬 申請人:東南大學