第49卷第1期 2007年2月 汽轮机技术 Vo1.49 No.1 Feb.2O07 TURBINE TECHNOLOGY 嵌入式旋转机械状态监测系统的设计与研究 王金平,邓艾东,曹 浩 (东南大学火电机组振动国家工程中心,南京210096) 摘要:旋转机械状态监测对旋转设备运行安全,降低设备维修费用,提高设备利用率有重大意义。介绍了一种基于 ARM的嵌入式监测装置,通过该装置实现对旋转机械的在线监测。同时,为建立旋转机械的故障诊断和维护系统 奠定了基础。 关键词:旋转机械;嵌入式系统;状态监测 分类号:TP216+.1 . 文献标识码:A 文章编号:1001—5884(2007)01-0021-02 Design and Research Based on Embedded Rotating Machinery Condition Monitoring System WANG Jin—ping,DENG Ai—dong,CAO Hao (National Engineering Research Center of Turbogenerator Vibration,Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract:The rotating machinery condition monitoring system can reduce the cost of devices maintenance,keep the securi— ty of manufacture and increase the use of devices.A kind of embedded condition monitoring system based on ARM is intro— duced.The device has realized online monitoring and control to equipment.Meanwhile,it has established the foundation of fault diagnosis and maintenance to rotating machinery. Key words:ARM;rotating machinery;embedded system;condition monitoring 理器核。ARM7TDMI是目前使用最广泛的16/32位嵌入式 0前言 RISC处理器,属低端ARM处理器核,最适合用于对价格及 功耗敏感的应用场合。ARM7TDMI不带内存管理单元MMU (Memory Management Unit),所以不支持Windows CE和标准 Linux,但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系统可 运行于ARM7TDMI硬件平台之上,并在稳定性和其它方面 近年来,随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌 入式系统越来越多的应用到人们的生产、生活中来。嵌入式 系统是专门为完成某一特定任务而设计的,具有很强的专用 性。它具有经济性好、结构灵活、稳定、体积小、功耗低、安全 性强、可靠性高、集成度高等特点。其软件代码要求高质量, 高可靠性,固态化存储。嵌入式系统可以工作在许多空间狭 窄、条件恶劣的环境中,嵌入式系统在办公设备、建筑物设 计、制造和流程设计、医疗、监视、卫生设备、交通运输、通信、 金融、银行等系统中有着广泛的应用。 都有上佳表现。本系统中微处理器外围电路设计主要包括 存储系统、以太网接口、晶振、复位和电源电路,与CPU Core 起构成一个完整的嵌入式目标系统。 一1.2嵌入式旋转机械状态监测系统硬件设计 硬件设计结构图如图1所示。主要组成部分如下: (1)电源部分:外接12V直流电源(误差(5%),外挂3V 在电力、石化、冶金、机械行业中,旋转机械处于举足轻 重的关键地位,此类机械一旦发生故障将造成巨大的经济损 失和严重的社会影响。由此,本文提出了将嵌入式引入到旋 转机械状态监测系统中,利用嵌入式系统来实现振动信号的 电池,以提高系统可靠性能。用MAX1692和MAX6365将电 源转换成3.3V和5V,3.3V提供主CPU供电,5V提供AD供 电。 (2)CPU部分:采用¥3CA510高速芯片,外部时钟频率 50MHz,一个10/100Mbps自适应以太网控制器,提供MII接 口。 采集分析与传输…。 1 嵌入式旋转机械状态监测系统硬件设计 1.1主控制器CPU的选择 (3)存储器部分:Flash存储器选用两片SST公司的 CMOS多功能Flash存储芯片SST39VF040和SST39VF160来 分别存储Bootloader和uClinux操作系统。SST39VF040单片 存储容量为4M,SST39VF160的单片存储容量为16M。与 Flash存储器相比较,SDRAM不具有掉电保持数据的特性, 本文硬件核心是Samsung公司的¥3C4510B芯片。该芯 片是一款基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微 收稿日期:2006-04-14 ash存储器,且具有读/写的属性, 控制器,由盒△ 公 设i土的16/32位ARM7TDMI RISC处 但其存取速度大大高于Fl作者简介:王金平(1977-),男,安徽马鞍山人,助理工程师,从事工业控制,嵌入式仪表的研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
22 汽轮机技术 第49卷 S3C4510B I墨些皇堕J E 广= :: —J\ 键相信号 l ! 竺l 信 信 I l 』I 控 霎D 号调整 一 茵 制器 模 块 CPU . I 蒋 K )l< ) I竺l I 器 制 电源Input:12V Output:3.3V、5V 图1系统总体结构框图 因此,SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间,数据及堆 的键相信号进行分频,输出的脉冲用来启动每一次AD转 栈区。当系统启动时,CPU首先从复位地址0×0处读取启 换。 动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般应调入 SDRAM中运行,以提高系统的运行速度,同时,系统及用户 2嵌入式旋转机械状态监测系统软件设计 ] 堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。在本文中选用Sam. sung公司的K4S281632C—TL75芯片,其单片存储容量为4 2.1 uClinux简介 组×32M位。 本文下位机平台上的嵌入式操作系统选用uClinux。 (4)以太网接口:¥3C4510B内嵌一个以太网控制器,支 uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统,它是一 持媒体独立接口(Media Independent Interface,MII)和带缓冲 个免费软件,并且完全开放代码。uClinux是从Linux2.0/2.4 DMA接口(Buffered DMA Interface,BDI)。可在半双工或全 内核派生而来,沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专 双上模式下提供10M/100Mbps的以太网接入。在半双工模 门针对没有MMU的CPU,并且为嵌入式系统做了许多小型 式下,控制器支持CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路 化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的 存取)协议,在全双工模式下支持IEEE802.3MAC层控制协 处理器,例如ARM7TDMI。因为没有MMU,所以其多任务的 议。因为S3CA510B并未提供物理层接口,因此,需外接一片 实现需要一定的技巧。由于uClinux在标准的Linux基础上 物理层芯片以提供以太网的接入通道。在本文中选用 进行了适当的裁剪和优化,形成了一个高度优化的、代码紧 RT 201作为以太网的物理层接口。 凑的嵌入式Linux,虽然它的体积很小,uClinux仍然保留了 (5)数据采集与处理:本文的传感器采用电涡流型、速度 Linux的大多数的优点:稳定、良好的移植性、优秀的网络功 能、完备的对各种文件系统的支持以及标准丰富的API等。 型、加速度型。状态监测需要对多路信号进行相位相关特性 分析,所以要求对多个传感器通道进行多路同步采样。同步 由于uClinux源码的公开性,用户还可以针对自己的硬件优 数据采集系统用于保证全部测量的多路信号是在同一时刻 化代码,以获得更好的性能。 2.2 uClinux开发环境的建立 下获得,采集系统由采样保持器(S/H)、多路转换开关 为了实现基于uClinux的应用系统的开发,首先需要建 (MUX)、模数转换器(ADC)和控制器组成。控制器向采样 立或拥有一个完备的uClinux开发环境。基于uClinux操作 保持器发送采样/保持脉冲,同时得到多路信号并保持在采 系统的应用开发环境一般是由目标系统硬件开发板和宿主 样电容上,然后依次选通相应的信号并启动模数转换器进行 Pc机所构成。目标硬件开发板(在本课题中为基于 转换。由于同步采样能够使系统的输入输出信号相位匹配 ¥3CA5 10B的开发板)用于运行操作系统和系统应用软件,而 的误差降到最小,所以AD转换器采用两片12位多路同步采 目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调 样的AD转换器AD7874以保证对多个通道振动信号的同步 试则需要通过宿主Pc机来完成。双方之间一般通过串口, 采样。该转换芯片4个通道都带有采样保持器,采样时可以 并rI或以太网接口建立连接关系。 保证每个通道采集的为同一时刻的信号。通过一个多路开 首先在宿主机上安装标准的Linux发行版,本课题使用 关来逐一选择对4个通道分别进行模数转换,转换后的数据 的是RedHat7.2版本。接下来就可以建立交叉开发环境。 存储在片内的数据寄存器里,当4个通道全部转换完成后, 交叉编译是指在一个平台上生成町以在另一个平台上执行 发出中断请求通知控制器将数据取走。根据频谱分析的要 的代码。这里的平台包含两个概念:体系结构、操作系统。 求,为避免傅立叶变换时出现泄漏效应 栅栏效应,对信号 同一个体系结构可以运行不同的操作系统;同样,同一个操 采集必须进行整周期采样 J。整周期采样时,当键相信号频 作系统也可以在不同的体系结构上运行。 率lOHz以上时一个周期采样64点,连续采样l6个周期,即 2.3 uClinux编译和移植 l 024点;10Hz以下时一个周期采样128点,连续采样8个周 (1)uClinux编译本文采用的uClinux内核代码uClinux 期。为保证整周期采样,本系统采用CD4046锁相环对输入 (下转第26页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
26 汽轮机技术 第49卷 的MUDY结果更接近Lindsey实验结果,这对流体机械密封 动特性计算分析方法的深入研究具有一定的实际意义。 参考文献 [1]Childs D W.Finite—len h solution for ertordvnamic co娟cients of turbulent annular seals[J].ASME Journal of Lubricati0n Tech— nology,1983,105:437—44_4. 压力/MPa [2] Antunes J。Axisa F,Grneanwald T.Dynamics of l'Otol ̄immersed in eccentirc annular flow.Part I:TheoryfJ].Joumal of Fluid and 图9涡动比随压力变化 Structures,1996,10:893~918. 5总结 1 3]Hsu Y,Brennen C E.F1uid flow equations for rotordynamic flows in seals and leakage paths[J],ASME Journal of Fluids Engineer- ing,2002,Vol,124. 本文使用CFD方法计算分析环形密封动力特性,对该 [4] 孙启国,虞烈,谢友柏.间隙环流中同心涡动转子动特性的 密封环形间隙区域内使用Gambit划分网格时,经过计算比 研究[J].机械强度,2003,25(1):021—024. 较。最终确定最佳的三维网格密度和两边对称的等比网格结 [5] 张新敏,于慎波,李良,等.锅炉给水泵密封间隙力的数值分 构;同时,迭代计算发现,必须选择耦合求解器解才会收敛, 析[J].沈阳工业大学学报,1995,17(3). 且残差设置能够满足计算精度要求。 [6]Toshlo Hirano,Zcnglin Gno R,Gordon Kirk.Application of conr— putational fluid dynamics analysis for rotating machinery—part II: 本文的CFD—Fluent计算结果同Lindsey的实验结果以 labyrinth seal analysis[J],ASME Journal of Engineering for Gas 及Childs的理论计算结果的比较显示,泄漏量都随△p增加 Turbines and Power。2005,Vo1.127:820—826. 而线性增加,计算值低于实验值,但Fluent理论预测值较接 【7]Lindsey W T,Childs D W,The effect of conve唧ng and diverging 近于实验值。主刚度的实验值大于计算值,随压力增大,实 axial taper on the rotordynamic coe伍cients of liquid annular pres— 验值和计算值逐渐逼近。交叉刚度的实验值偏小,计算值偏 sure seals:Theory Vemus Experiment f J 1.ASME]numal Vi— 大,Fluent计算值与实验值较为接近。 bmfion and Acoustics,2000,Vo1.122. 对于主阻尼,3种方法的结果基本接近。从涡动比的角 I 8 l Satoru Kaneko,Takashi Ikeda,Takuro Saito et al,Experimental study on static and dynamic characteristics of liquid annulra con— 度看,随压力增加,密封稳定性有所提高,理论预测值都明显 vergcnt—tapered damper seals with honeycomb roughness pattern 高于实验值,其中Fluent预测值较为接近实验值。 [J].ASME Journal ofTribology,2003,Vo1.125:592—599. 各项计算结果表明,本文CFD—Fluent的结果较Childs (上接第22页J Samsung一20020318.tar,gz,内核编译完成以 载,通常做法是将应用程序和uClinux的内核编译在一起。 后,在/uClinux—Samsung/images目录下看到两个内核文件: 其步骤如图2所示。 image.ram和image.tom,其中,可将image.rom烧写到ROM/ SRAM/FLASH Bank0对应的Flash存储器中,当系统复位或 H Ma姗kelfle酣. ̄i%的H 0n hIp 上电时,内核自解压到SDRAM,并开始运行。 (2)BootLoader的移植 。在嵌入式系统中,BootLoader 的作用相当于Pc机上的BIOS。它是在操作系统内核运行 修改 H 嚣簇徽荐H将映 ̄1]像F文las件h写烧 之前运行的一段小程序。通过这段小程序可以初始化硬件 图2 uClinux下应用程序加载流程 设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带 到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正 3结束语 确的工作环境。在本文中,BootLoader存储在一片Flash芯片 中。BootLoader作为系统复位或上电后首先运行的代码,从 在电力、石化、冶金、机械行业中,旋转机械处于举足轻 起始物理地址0×0开始。Bios—it是一种适合于S3C4510B 重的关键地位,将嵌入式系统技术引入到旋转机械状态监测 的BootLoader,支持Flash、串口、网络3种装载方式,Bios—h 中来,研制成功嵌入式旋转机械状态监测系统,将会具有广 默认系统配置为: 阔的应用场景和较高的市场价值。 ROM BANK0:512K×8 Flash(SST39VF040) ROM BANK1:1M X16 Flash(SST39VF160) 参考文献 SDRAM BANK0:2M×16 x4BankSDRAM(K4S281632C— [1] 崔福东.汽轮机发电机组振动故障诊断数据库及其网络化研 TL75) 究[D].南京:东南大学动力工程系,2003. CPU CLOCK: 50MHz [2] ARM应用系统开发详解基于¥3C4510B的系统设计[M].北 因为默认设置与本系统所选硬件适合,可以直接输入 京:清华大学出版社,2003. “Make”命令,得到影像文件:/imgtools/img/bios.img,将文件 [3]东南大学自控系.数字信号处理[M].南京:东南大学出版 烧写到ROM BANK0即可。 社,2001. 2.4 uClinux下应用程序的开发 [4] 基于ARM嵌入式系统的通用bootloadcr的设计与实现(doc 应用程序一般用C语言编写,编写完成后,需耍将其加 55)[DB/OL].http://www.3726.cn/softdown/,2005.
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容