专利名称：振动监视保护装置的背板总线式结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械振动信号监视保护和设备故障分析与诊断领域，特别涉及一种背板总线式振动监视保护装置的背板总线式结构。
背景技术：
旋转机械监视保护与故障分析诊断装置是保障设备安全、稳定、高效运行的重要工具，随着现代企业设备管理智能化、信息化水平的不断提高，对设备进行监视保护与故障诊断，并在此基础上实现设备的视情维修与预知维护已成为企业的迫切需求。传统的以监测仪表为主体的状态监测与报警装置，可以在线监测设备的振动以及温度、压力、流量等信息，并根据人工设定的报警门限对异常的监测参数作出报警提示直至联锁停车，但其缺点 是报警参数及报警方式单一，缺乏对故障的分析诊断能力，而以便携式仪器或便携式计算机为主的故障分析仪器，主要提供常见的信号处理与故障分析方法，如频谱分析、波形分析、轴心轨迹分析等，此类装置主要用于设备状态的巡检，其缺点是不能完整记录设备运行的状态信息，缺乏在线监视保护和预防突发故障的能力；以工业控制计算机或嵌入式计算机为主体的在线状态监测与故障诊断装置是故障分析仪器的进一步发展，可以实现面向企业内部网甚至面向因特网的远程状态监测与故障分析、诊断，但主要作为监视保护装置的后级系统，缺乏实时联锁保护能力。开发智能化监视保护装置，实现基于多种故障特征的监视报警与分析诊断，为旋转机械提供更为全面的实时监控与联锁保护，已成为本领域技术发展的方向之一。提高旋转机械振动监视保护与分析诊断精度的关键是同一转子振动信号根据其旋转速度实现整周期同步波形数据采集，整周期波形数据可以消除频谱分析时能量泄露，获得准确的故障特征频率及其幅值，而基于键相/转速信号触发的同步振动波形采集则可以保证获得准确的、可比较的相位信息，上述信息不仅为故障识别提供依据还可以用于进行转子现场动平衡。已授权的中国实用新型专利《嵌入式旋转机械运行监控保护装置与设置方法》(专利号200710132811.7)由嵌入式管理模块和多个功能模块、显示器和触摸屏控制电路组成，每个功能模块对旋转机械的各通路传感器信号进行采集处理，管理模块通过高速异步串口(UART)电路连接各功能模块进行数据传递和控制，通过网络接口、RS232或RS485接口连接上位机，接收上位机的组态、数据巡检和采集命令，嵌入式管理模块同时直接连接触摸屏液晶显示器，显示图表数据。该实用新型主要针对振动峰峰值、烈度等特征量进行监测，无波形数据同步采集和分析功能，也未实现功能模块的即插即用，管理模块工作负荷较小。若需要对全波形数据进行监测、处理以及分析诊断，则由于模块间通信数据量庞大，采用异步串口方式难以满足实时性要求，同时管理模块的工作负荷也将大大提高，难以满足应用要求。已授权的中国实用新型专利《大型旋转机械设备智能采集监测装置及采集监测方法》(专利号200410026179. 4)采用基于CPCI总线和DSP处理器，八通道同步高速数据采集的硬件设备，依据被监测设备自身动态运行数据所构建的设备运行状态，实现该实用新型监测参数的动态自适应设置和调整，以及监测数据的智能存储，形成一套针对大型旋转机械设备的智能状态监测装置。但该实用新型监测参数相对单一，监测通道固定为8通道，对多于8通道的转子振动信号未提供同步采集控制功能，系统配置的灵活性、可扩展性不够，同时CPCI总线实现复杂，成本 相对较高，限制了其应用范围。中国实用新型专利《小型旋转机械安全监视装置》(专利号200820223476. I)采用总线式结构，各监视模块用螺钉固定在铝制机箱的面板上，模块以高性能CPU为核心，配套LED作为人机接口，外部系统及监视、组态软件通过电源模块上的通讯单元访问各监视模块，各模块通过系统总线组成RS485网络，通过总线板设定各监视模块的通讯地址，各种输入信号经不同的功能子板送至主板的数据处理单元，数据处理单元的数模转换器和模数转换器与CPU采用SPI总线通讯，系统功能软件固化在芯片内，自动实现数据的采集、故障判断、信号偏置/增益、线性度校正及信号传输。该实用新型同样仅针对振动峰峰值、烈度等特征量进行监测，无波形数据同步采集和分析功能，同样由于RS485通信速率的限制，难以实现大容量全波形数据实时监测、处理及分析诊断。
发明内容本实用新型的目的是提供一种背板总线式振动监视保护装置内部功能模块间的通信及控制方法，实现机械振动信号的实时大容量全波形数据整周期同步采集、振动故障特征提取、监视保护和在线分析诊断，并实现模块热插拔和即插即用，克服现有装置或产品难以实现大容量全波形数据实时处理的不足。本实用新型的技术方案为振动监视保护装置的背板总线式结构，包括监视保护装置背板和监视保护装置功能模块，监视保护装置背板由背板总线和多个总线插槽组成，背板总线包括电源线、时钟/复位信号线、并行接口信号线、采样控制信号线以及CAN接口信号线，背板总线中的信号同时连接至各总线插槽，监视保护装置功能模块中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽，进而通过背板总线实现通信，总线插槽为96针欧式连接器，背板总线和总线插槽之间采用多点低压差分信号M-LVDS传输数据，总线插槽上各自连接有4位插槽地址信号SL0T[3:0]，根据总线插槽在背板总线上的位置不同，SL0T[3:0]中相应序号的信号采用开路或电阻下拉至地，监视保护装置功能模块各功能模块给所连接的总线插槽上的4位插槽地址信号SLOT [3:0]提供弱上拉电阻，将其转换为逻辑电平信号，供所述功能模块进行地址译码和识别。监视保护装置功能模块为可扩展模块，包括管理模块、键相/转速模块和至少一个振动模块，所述背板总线中的电源线连接+24V电源，监视保护装置功能模块的各功能模块通过电源线供电并由其内部的板载电源模块将+24V电源转换为其工作所需的电源。所述背板总线中的时钟/复位信号线包括时钟信号CLK和复位信号RESET，时钟信号CLK由管理模块驱动，复位信号RESET由外部按钮输入或管理模块驱动。所述背板总线中的并行接口信号线包括8位地址信号A[7:0]、16位双向数据信号D[15:0]、并行接口读写控制信号I0RD#和I0WR#以及中断请求信号IRQ，其中地址信号A[7:0]由管理模块驱动，双向数据信号D[15:0]由各功能模块分时驱动，I0RD#和IOWRi^f号由管理模块驱动，IRQ信号输入管理模块请求中断数据传输。[0011 ] 所述背板总线中的采样控制信号线包括4路采样同步控制信号SYNC# [3:0]、4路采样脉冲信号FSCLK# [3:0]和4路数据准备好信号DATRDY [3:0]，相应序号的采样同步控制信号、采样脉冲信号和数据准备好信号构成一个分组，采样同步控制信号SYNC#[3:0]和采样脉冲信号FSCLK#[3:0]为双向信号，由键相/转速模块根据其外部传感器输入的键相/转速信号通过锁相倍频产生并驱动，或由选定的振动模块按照组态设定的仿真键相/转速频率产生并驱动，数据准备好信号DATRDY[3:0]为单向信号，由各振动模块同时驱动。所述背板总线中的采样控制信号线的信号由键相/转速模块或振动模块中的采样控制信号产生电路生成，采样控制信号产生电路包括4个D触发器Ul U4、计数器U5和或门U6,触发器Ul的CLK输入端为振动监视触发脉冲TRIG信号，其Q端输出采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#的输出使能控制信号，并连接至触发器U2和U3的D输入端，触发器U2和U3的CLK端均连接锁相倍频电路的输出信号PLLVC0，触发器U4产生与PLLVCO信号上升沿同步的复位信号，复位信号输入触发器Ul和U3的复位端，用于复位触发器Ul和U3的输出，或门U6输出采样脉冲信号FSCLK#，计数器U5对或门U6输出的采样脉冲信号FSCLK#计数。·所述背板总线中的CAN接口信号线包括两路CAN接口。本实用新型针对旋转机械监视保护与故障分析诊断装置，对应提供了一种背板总线结构，通过设计的背板电路及其信号之间的协同工作，实现大容量全波形数据的传输，并保证了数据采集的同步处理，以保证精确的实时监测、处理及分析诊断，与现有技术相比，本实用新型的优点在于(I)背板总线信号均采用M-LVDS多点低压差分信号传输，其传输时钟频率可达125MHz，传输速率可达250Mbps，具有高速、无源、热插拔等特点，现场使用和维护方便。(2)背板总线集成有16位并行数据接口和两路高速CAN总线接口，实现了基于并行接口的大容量振动波形数据的高速传输和基于CAN总线的旋转机械超速保护和振动报警数据等的实时传输。(3)背板总线提供了 4组用于采样控制的同步信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#，对多转子机组，可通过软件组态对振动模块按转子进行分组，由键相/转速功能模块依据相应转子的键相/转速信号通过锁相倍频产生其同步采样控制信号，输入处于相应分组的振动模块实现多转子机组按转子进行整周期同步采集。同步信号SYNC#和采样脉冲信号FSCLK#也可在无键相/转速模块或键相/转速模块故障时通过选定的振动模块根据设定的键相频率仿真产生并驱动，以实现振动信号同步采集。(4)背板总线上各功能模块的组态信息分散存储于所有功能模块中，系统上电运行时，各功能模块相互交换各自的组态信息，并对所有存储的组态信息进行一致性检查，基于投票表决原则，确定最终的系统组态状态，提高了系统组态信息存储的安全性和可靠性，各功能模块功能相对独立，某一功能模块故障不影响其他模块正常运行。当系统通过热插拔新增新的功能模块时，若该功能模块已由用户组态，则其受电后自动向系统其他功能模块报告其组态信息并请求其他已运行模块的组态信息，实现组态分布存储并投入运行，否贝U，暂停运行并提醒用户组态；当某一功能模块故障进行热插拔替换时，替换后的模块受电后，也可自动获取系统上存储于其他模块的原有组态信息并投入运行，实现了功能模块的即插即用。[0019](5)背板总线所有插槽的物理结构及其引脚电气信号完全相同，各功能模块可安装于任意选定的插槽中。
图I为本实用新型背板总线式振动监视保护装置结构框图。图2为本实用新型背板总线信号连接至96针欧式连接器构成的总线插槽上。图3为本实用新型背板总线采样控制信号产生电路及其时序图。图4为本实用新型背板总线采样控制及数据传输时序图，其中A为为采样控制及数据传输时序，B为采样控制及数据传输时序。图5为本实用新型背板并行总线电路原理图。 图6为本实用新型管理模块总线接口电路原理图。图7为本实用新型管理模块CPU核心板接口电路原理图。图8为本实用新型键相/转速和振动等功能模块总线接口电路原理图。图9为本实用新型键相/转速模块锁相倍频及转速测量电路原理图。图10为本实用新型振动模块A/D及CPU等电路原理图。图11为本实用新型各功能模块上电初始化及即插即用流程图。图12为本实用新型各功能模块工作流程图，(a)为管理模块工作流程图，(b)为键相/转速模块工作流程图，(C)为振动模块工作流程图。
具体实施方式
本实施例是背板式旋转机械监视保护装置内部模块通信及控制方法实现示例，包括14个背板总线插槽，插槽上安装有I块管理模块、I块4通道键相/转速模块、12块4通道振动模块，可实现48通道振动位移/速度/加速度信号的整周期同步采集。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方案作进一步阐述。如附图I所示，本实施例包括由背板总线11和总线插槽12构成的监视保护装置背板1，以及监视保护装置功能模块2组成，安装于总线背板插槽上监视保护装置功能模块2包括诸如管理模块21、键相/转速模块22、振动模块23等但又不限于此类功能模块的若干监视保护装置功能模块2组成，并可扩展其他类型功能模块，如温度采集模块等，各功能模块安装于总线背板插槽上，各功能模块通过背板总线11实现相互通信，背板总线信号采用M-LVDS多点低压差分信号传输，具有无源、热插拔、组态化、即插即用等特点，使用、维护和扩展方便。如附图2所示，本实施例背板总线信号连接至96针欧式连接器构成的总线插槽上，包括+24V电源、插槽地址信号SLOT [3:0]、CANO和CANl接口信号、复位信号RESET、时钟信号CLK、并行接口读信号I0RD#、并行接口写信号I0WR#、并行接口地址信号A[7:0]、并行接口数据信号D [15:0]、中断请求信号IRQ、4组同步控制信号SYNC# [3:0]、4组采样脉冲信号FSCLK# [3:0],4组数据准备信号DATRDY [3:0],如下表所示背板总线信号
权利要求1.振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是包括监视保护装置背板(I)和监视保护装置功能模块(2)，监视保护装置背板(I)由背板总线(11)和多个总线插槽(12)组成，背板总线(11)包括电源线(111)、时钟/复位信号线(112)、并行接口信号线(113)、采样控制信号线(114)以及CAN接口信号线(115)，背板总线(11)中的信号同时连接至各总线插槽(12)，监视保护装置功能模块(2)中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽(12)，进而通过背板总线(11)实现通信，总线插槽(12)为96针欧式连接器，背板总线(11)和总线插槽(12)之间采用多点低压差分信号M-LVDS传输数据，总线插槽(12)上各自连接有4位插槽地址信号SLOT[3:0]，根据总线插槽(12)在背板总线(11)上的位置不同，SLOT[3:0]中相应序号的信号采用开路或电阻下拉至地，监视保护装置功能模块(2)各功能模块给所连接的总线插槽(12)上的4位插槽地址信号SL0T[3:0]提供弱上拉电阻，将其转换为逻辑电平信号，供所述功能模块进行地址译码和识别。
2.根据权利要求I所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是监视保护装置功能模块(2)为可扩展模块，包括管理模块(21)、键相/转速模块(22)和至少一个振动模块(23)，所述背板总线(11)中的电源线(111)连接+24V电源，监视保护装置功能模块(2)的各功能模块通过电源线(111)供电并由其内部的板载电源模块将+24V电源转换为其工作所需的电源。
3.根据权利要求2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是所述背板总线(11)中的时钟/复位信号线(112)包括时钟信号CLK和复位信号RESET，时钟信号CLK由管理模块(21)驱动，复位信号RESET由外部按钮输入或管理模块(21)驱动。
4.根据权利要求2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是所述背板总线(11)中的并行接口信号线(113)包括8位地址信号A[7:0]、16位双向数据信号D[15:0]、并行接口读写控制信号I0RD#和I0WR#以及中断请求信号IRQ，其中地址信号A[7:0]由管理模块(21)驱动，双向数据信号D[15:0]由各功能模块分时驱动，I0RD#和I0WR#信号由管理模块(21)驱动，IRQ信号输入管理模块(21)请求中断数据传输。
5.根据权利要求2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是所述背板总线(11)中的采样控制信号线(114)包括4路采样同步控制信号SYNC#[3:0]、4路采样脉冲信号FSCLK# [3:0]和4路数据准备好信号DATRDY [3:0]，相应序号的采样同步控制信号、采样脉冲信号和数据准备好信号构成一个分组，采样同步控制信号SYNC#[3:0]和采样脉冲信号FSCLK#[3:0]为双向信号，由键相/转速模块(22)根据其外部传感器输入的键相/转速信号通过锁相倍频产生并驱动，或由选定的振动模块(23)按照组态设定的仿真键相/转速频率产生并驱动，数据准备好信号DATRDY[3:0]为单向信号，由各振动模块(23)同时驱动。
6.根据权利要求2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构，其特征是所述背板总线(11)中的采样控制信号线(114)的信号由键相/转速模块(22)或振动模块(23)中的采样控制信号产生电路生成，采样控制信号产生电路包括4个D触发器Ul U4、计数器U5和或门U6,触发器Ul的CLK输入端为振动监视触发脉冲TRIG信号，其Q端输出采样脉冲信号FSCLK#和同步控制信号SYNC#的输出使能控制信号，并连接至触发器U2和U3的D输入端，触发器U2和U3的CLK端均连接锁相倍频电路的输出信号PLLVC0，触发器U4产生与PLLVCO信号上升沿同步的复位信号，复位信号输入触发器Ul和U3的复位端，用于复位触发器Ul和U3的输出，或门U6输出采样脉冲信号FSCLK#，计数器U5对或门U6输出的采样脉冲信号FSCLK#计数。
7.根据权利要求2所述的振动监视保护装置的背板总线式结构的通信控制方法，其特征是所述背板总线(11)中的CAN接口信号线(115)包括两路CAN接口。
专利摘要振动监视保护装置的背板总线式结构，包括监视保护装置背板和监视保护装置功能模块，监视保护装置背板由背板总线和多个总线插槽组成，背板总线同时连接至各总线插槽，监视保护装置功能模块中的各功能模块分别对应连接一个总线插槽，进而通过背板总线实现通信。实用新型提供了一种背板总线式振动监视保护装置及其内部功能模块间的通信控制方法，实现机械振动信号的实时大容量全波形数据整周期同步采集、振动故障特征提取、监视保护和在线分析诊断，并实现模块热插拔和即插即用，克服现有装置或产品难以实现大容量全波形数据实时处理的不足。
文档编号G05B19/048GK202710986SQ20112036700
公开日2013年1月30日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者许飞云, 贾民平, 胡建中, 黄鹏, 刘桂兴 申请人:东南大学, 江阴众和电力仪表有限公司