查银朋12
1、国电南京自动化股份有限公司 江苏南京 210032；2、南京河海南自水电自动化有限公司 江苏南京 210032
摘要：解旋转机械故障诊断技术是随着现代工业大生产的发展而发展起来的一项设备诊断技术。它是研究设备运行中或停机时基本不拆卸的情况下，掌握设备的运行现状，判定设备故障的部位、原因、严重程度和状态，预测设备可靠性和寿命，并提出解决方案的技术。其研究的内容涉及模式识别、现代控制理论、信号处理技术、人工智能、电子技术、统计数学、模糊数学、计算机科学、灰色系统理论等多方面的内容。对旋转机械进行诊断包括对设备的性能进行诊断和对设备的故障进行诊断两方面内容。大型旋转机械如风机、压缩机、汽轮机和燃气轮机等设备，是石油、化工、冶金、航天及电力等现代重要生产部门中的关键生产工具，对这些设备开展性能监测与故障诊断工作，具有重要的意义。
关键词：旋转机械；现代控制理论；信号处理技术；SPI总线
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0.引言
旋转机械在当今电力，煤炭，船舶等行业运用十分广泛，但是如果在运行过程中各种振动，位移等参数超过允许范围，都会引起设备损坏，导致重大财产损失或者人员伤亡，因此，就需要这种监测仪表对设备进行监测保护，并在必要时使设备停止工作。旋转机械监测保护装置提供连续监测功能，适用于所有工业旋转机械设备的应用。该系统采用框架式结构的形式，可连接多种传感器（加速度、速度、位移、涡流等类型）以及过程量传感器（流量、压力、温度、模拟量等），对机组或机器提供实时状态监控和保护，并具备强大的扩展能力和兼容性，安装方便。具有其它系统所不具备的多种性能和功能。旋转机械监测保护装置，是智能化的系统，具有配套组态软件，可对监测参数进行组态，并且采用冗余电源设计，使系统更加稳定、更的运行。
1.系统结构
旋转机械监视保护装置可为各种类型的旋转机械的运行提供连续的在线参数测量和安全保护，特别适合于电力、冶金、石化等行业的现场使用。该装置从元器件的选用、电路设计、软件设计、SPI总线以及结构设计等多方面进行了技术改进。使得整个系统的性能有了很大的提升，测量精度更高，运行更加可靠，更易于操作管理。它主要由振动、超速、轴向位移、胀差、偏心、热膨胀、油动机、油箱油位、温度等监控模块组成。通道内容自由组合、通道数量自由组合、单双通道任意选择。为汽轮机的安全运行提供多种参数的测量和早期故障的预报。总体框图如下：
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主控制器功能：与监控系统数据交换、本地液晶显示以及IO模块的数据交换。振动模块用于连续监视和测量各种旋转机械的绝对振动，如轴瓦振动，机壳振动、机架振动，以及监测由于转子的不平衡、不对中、机件松动、滚珠轴承损坏、齿轮损坏等引起的振动增大；轴振动模块用于连续监视和测量各种旋转机械的轴的径向振动幅值；轴向位移模块，用于监测旋转机械的轴向位移；胀差模块监视汽缸与转子因热膨胀所引起的膨胀差；转速模块用于检测机组转速、超速、反转、零转速等信号；油箱油位模块对油箱油位进行连续监视；热膨胀监视器，对汽缸的膨胀进行连续的监视。温度模块可为电力行业的油、汽温控制提供连续的监视测量，也可以用于其他使用热电阻传感器进行的温度测量。主控制器模块与IO模块之间通过总线进行数据交换，所以总线安全稳定对整个系统起到至关重要的作用。本系统中采用差分SPI总线模式，大大提高了系统安全性、可靠性。
2.基于差分SPI总线系统电路设计
2.1 SPI的通信协议
SPI(Serial Peripheral Interface)是一种串行同步通讯协议,由一个主设备和一个或多个从设备组成,主设备启动一个与从设备的同步通讯,从而完成数据的交换。SPI 接口一般由4根线组成,CS片选信号(有的单片机上也称为NSS),SCLK时钟信号线,MISO数据线(主机输入从机输出),MOSI数据线(主机输出从机输入),CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备,如没有CS 信号,则只能存在一个从设备,主设备通过产生移位时钟信号来发起通讯。通讯时主机的数据由MISO输入,由MOSI 输出,输入的数据在时钟的上升或下降沿被采样,输出数据在紧接着的下降或上升沿被发出(具体由SPI的时钟相位和极性的设置而决定)。
2.2本系统中SPI通信介绍
旋转机械监视保护装置中采用STM32f103作为主处理器， 有3个SPI控制器，包含SPI0、SPI1和SPI2 ,用于连接支持SPI协议的设备。SPI0控制器专 门用于访问Flash高速缓存单元接口，SPI1连接外围A/D，SPI2用作内部差分通讯，其特性如下:
初始化SPI 主要是对SPI要使用到的引脚以及SPI通信协议中时钟相位和极性进行设置,其实STM32的工程师已经帮我们做好了这些工作,调用库函数,根据自己的需要来修改其中的参量来完成自己的配置即可,主要的配置是如下几项: 引脚的配置
SPI2的SCLK, MISO ,MOSI分别是PB13,PB14,PB15引脚,这几个引脚的模式都配置成GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出,本系统中采用是单主多从模式, 主控制器中CS引脚可以不配置,都设置成软件模式即可，而IO模块中CS引脚配置成硬件模式。
通信参数的设置：【1】SPI_Direction_2Lines_FullDuplex把SPI设置成全双工通信; 【2】在SPI_Mode 里设置你的模式(主机或者从机)；【3】
SPI_DataSize是来设置数据传输的帧格式的SPI_DataSize_8b是指8 位数据帧格式,也可以设置为SPI_DataSize_16b,即16位帧格式 【4】SPI_CPOL和SPI_CPHA是两个很重要的参数,是设置SPI通信时钟 的极性和相位的,一共有四种模式，本系统中中主、从机的这两位设置的相同都是设置成1,即空闲时时钟是高电平,数据在第二个时钟沿被采样,实验显示数据收发都正常。 (要特别注意极性和相位的设置否则,数据传输会出现错位的现象)。
2.3本系统差分SPI总线实现的原理（一主多从模式）：
主控制器作为SPI总线通讯的主机端，SPI2的SCLK, MISO ,MOSI三根线通过差分信号芯片转化成差分信号，转化后的6根差分信号线分别与IO模件的差分信号芯片相连，同时主控制器模块4根GPIO口通过译码器分别与不同的从端（IO模件）的SPI总线的片选（CS）引脚相连。
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振动模块、轴向位移模块、轴振模块、热膨胀、转速模块等作为SPI总线通讯的从站，从站端通过差分芯片把6根差分信号转化成3根SCLK, MISO ,MOSI后与想对应引脚相连。
3.差分SPI总线通讯技术和难点
【1】主控制器与IO模块之间通过SPI 总线进行通信。通信帧格式和应用层报文格式是独立的。控制器和IO模块之间传输报文的长度因报文类型的不同而变化，当传输的报文长度大于单帧允许最大数据长度，则需要通过多次帧传输。这时需要将应用层报文按照一定的帧格式组成若个帧后顺序发送。
【2】考虑到SPI通信及其它原因，本系统中一帧报文长度最多不能超过16字。应用层报文总长度小于256字节。
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【3】在控制器程序中，为IO模块维护1个发送缓冲区和接收缓冲区。发送帧放到发送缓冲区。同样，IO模块的回复帧放到接收缓冲区中。
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【4】SPI通信中，控制器工作在主模式下，IO模块工作在从模式下。每次通信都是由控制器发起，IO模件作为从机无法向控制器主动发送信息。根据该通信特点，本通讯机制将控制器和IO的报文信息分为以下两种类型：(1)发送（写） (2)请求/响应（读） 。
4.系统实验结果
本文所介绍的基于差分SPI总线的旋转机械监视保护装置，由于采用了差分SPI总线模式，极大提高了通讯的可靠性、实时性。经过现场验证,其试验结果表明，该硬件设计电路能够满足旋转机械监视保护装置安全稳定运行、实时控制要求。
参考文献
[1 ] 许克明，田怀智. 电力系统自动化装置：重庆大学出版社 1996
[2]黄梅. 电力系统自动化装置：中国电力重庆大学出版社 2002
作者简介：
查银朋（1975年—），男，安徽安庆，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电自动化设备的研究。