摘要：

      本文描述了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)借助LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)了性能優(yōu)越的應(yīng)用程序；運(yùn)用PXI硬件的定時(shí)觸發(fā)性能和集成模塊化特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)測(cè)試精度，簡(jiǎn)化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程；結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)間精確性及可靠性，加快了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理的速度。

關(guān)鍵詞：

PXI總線技術(shù)；虛擬儀器；LabVIEW；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；齒輪箱；噪聲；振動(dòng)

       PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）是一種堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)——PCI，結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，并增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線和主要軟件特性。這使它成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。

       本文描述了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)直流調(diào)速設(shè)備控制電機(jī)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行環(huán)境模擬，并對(duì)采集得到的環(huán)境參數(shù)及噪聲振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成檢測(cè)報(bào)告。運(yùn)用PXI硬件優(yōu)越的定時(shí)、觸發(fā)性能及LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的聲音振動(dòng)分析計(jì)算進(jìn)行資源分流，并保證了系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

       風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)將兩個(gè)齒輪箱產(chǎn)品放置在步進(jìn)電機(jī)主軸的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，依靠步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)模擬齒輪箱實(shí)際工作狀況。按照?qǐng)D1所示，分為三個(gè)階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，第一個(gè)階段給齒輪箱加載283kNm的負(fù)載，電機(jī)首先以1620r/min的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)60分鐘，然后再以同樣的速度反轉(zhuǎn)60分鐘，如此重復(fù)三次，每次加載不同的負(fù)載，第二三階段的負(fù)載分別為566kNm、850kNm。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，檢測(cè)環(huán)境參數(shù)及振動(dòng)噪聲相關(guān)指標(biāo)，評(píng)定齒輪箱產(chǎn)品質(zhì)量。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

主要包含運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)測(cè)試子系統(tǒng)和振動(dòng)噪聲測(cè)試子系統(tǒng)三個(gè)部分。

      運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)決策模塊、分布式運(yùn)動(dòng)控制器和步進(jìn)電機(jī)。決策模塊向指定的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，控制器根據(jù)決策模塊指令和電機(jī)反饋參量調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。

      環(huán)境參數(shù)測(cè)試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定期間采集溫度、壓力等環(huán)境參量，并按照用戶(hù)指定的報(bào)警范圍檢測(cè)各環(huán)境參量，判斷電機(jī)狀態(tài)是否正常，若環(huán)境參量報(bào)警，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)繼電器和接觸器關(guān)斷電機(jī)。

     振動(dòng)噪聲測(cè)試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量電機(jī)系統(tǒng)環(huán)境噪聲及產(chǎn)品多個(gè)位置振動(dòng)信號(hào)的同步采集，并對(duì)聲音振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和離線分析。對(duì)聲音振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)分析對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力提出較高的要求。

       測(cè)控系統(tǒng)采用上下位機(jī)架構(gòu)。上位機(jī)為監(jiān)控終端和人機(jī)界面，包含運(yùn)動(dòng)控制決策模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及離線分析模塊和通信模塊、參數(shù)顯示模塊等，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)。下位機(jī)包含嵌入式實(shí)時(shí)控制器、信號(hào)調(diào)理模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、報(bào)警檢測(cè)模塊、振動(dòng)噪聲采集模塊及通信模塊。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

     系統(tǒng)硬件包含環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理及采集部分、振動(dòng)噪聲采集部分、數(shù)字I/O部分、信號(hào)電氣連接器部分、運(yùn)動(dòng)控制部分、嵌入式控制器及監(jiān)控終端等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？傮w架構(gòu)采用NI公司PXI總線設(shè)備，機(jī)箱為可集成SCXI模塊的PXI-1050，嵌入式控制器為PXI-8106，外設(shè)模塊包括4塊動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀PXI-4472用來(lái)采集振動(dòng)噪聲信號(hào)，1塊數(shù)字I/O PXI-6528，1塊數(shù)據(jù)采集卡PXI-6221。環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理部分使用SCXI模塊，RTD溫度輸入使用SCXI-1102和SCXI-1581，壓力輸入使用2塊SCXI-1125。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)機(jī)箱背板總線控制信號(hào)調(diào)理模塊，減少了電纜連接，提高了系統(tǒng)的集成度和擴(kuò)展性。

      監(jiān)控終端應(yīng)用程序?qū)⒂脩?hù)配置好的試驗(yàn)流程信息使用TCP/IP協(xié)議下載到PXI-8106嵌入式實(shí)時(shí)控制器，運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器上的應(yīng)用程序按照自動(dòng)流程信息配置決定當(dāng)前時(shí)刻試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該打開(kāi)的電磁閥，由PXI-6528驅(qū)動(dòng)繼電器完成，同樣監(jiān)控終端按照流程配置通過(guò)Profibus通信卡設(shè)定直流調(diào)速器轉(zhuǎn)速，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，使齒輪箱產(chǎn)品處于試驗(yàn)要求的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)穩(wěn)定后，對(duì)環(huán)境參數(shù)和振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

      實(shí)時(shí)控制器應(yīng)用程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照流程配置信息決定當(dāng)前時(shí)刻哪些環(huán)境參數(shù)需要進(jìn)行報(bào)警檢測(cè)；如發(fā)生報(bào)警按照用戶(hù)配置的報(bào)警等級(jí)決定流程執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到不同的安全流程，例如正常停車(chē)或緊急停車(chē)；按照流程配置信息決定當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行振動(dòng)噪聲采集和實(shí)時(shí)分析；按照流程配置信息決定哪些試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要存入硬盤(pán)。

2.1環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理

      由于現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電弱電環(huán)境并存、直流調(diào)速器中變頻器的使用等，導(dǎo)致電磁環(huán)境比較復(fù)雜，這對(duì)傳感器變送器等弱電信號(hào)的傳輸和采集提出了較高要求。為了保證設(shè)備及人員安全并準(zhǔn)確采集傳感器信號(hào)，首先，將試驗(yàn)臺(tái)、數(shù)字量控制柜及測(cè)量系統(tǒng)機(jī)柜單點(diǎn)接地，避免地環(huán)干擾；其次，各傳感器信號(hào)線及激勵(lì)線經(jīng)過(guò)屏蔽接入測(cè)量系統(tǒng)，減小電磁干擾；最后使用SCXI調(diào)理模塊對(duì)傳感器變送器信號(hào)進(jìn)行隔離、放大、濾波，最大限度的提高測(cè)量精度。

      在本系統(tǒng)風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品測(cè)試中，溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)分別使用Pt100熱電阻、壓力變送器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)SCXI-1581電流激勵(lì)模塊和SCXI-1102放大輸入模塊對(duì)鉑電阻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過(guò)SCXI-1125隔離輸入模塊對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行隔離、放大、濾波。為消除線路電阻對(duì)鉑電阻信號(hào)的影響，Pt100熱電阻使用4線制接入系統(tǒng)。環(huán)境參數(shù)屬于緩變信號(hào)，系統(tǒng)使用4Hz低通濾波器消除50~60Hz工頻干擾。

2.2振動(dòng)噪聲采集

    對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)的采集，試驗(yàn)方法關(guān)心24個(gè)測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的相位關(guān)系，因此要求系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采集。系統(tǒng)采用8通道NIPXI-4472動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，齒輪箱測(cè)試關(guān)心24路振動(dòng)和2路噪聲信號(hào)，需要使用4塊PXI-4472。PXI-4472通道間可做到同步采集，為解決各模塊間的同步問(wèn)題，如圖2所示，使用PXI-1050背板上的10MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，將這個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)PXI時(shí)鐘觸發(fā)同步總線傳遞到各個(gè)模塊。

      要做到模塊間真正的同步，除時(shí)鐘信號(hào)統(tǒng)一外，還需要觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)各模塊同時(shí)開(kāi)始工作，系統(tǒng)將插在PXI-1050機(jī)箱2槽的PXI-4472作為主板卡．ｍａｓｔｅｒDevice)，其它槽位的PXI-4472作為從板卡(Slave Device)，從主板卡發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)星形觸發(fā)總線(Star Trigger)到達(dá)各從板卡，電路設(shè)計(jì)上保證了星形觸發(fā)線傳送到每個(gè)模塊的時(shí)間相等，觸發(fā)信號(hào)偏斜小于1ns，主板卡到各從板卡之間的時(shí)延不超過(guò)5ns。利用PXI高度集成的時(shí)鐘觸發(fā)特性，以較高的性?xún)r(jià)比，完成了對(duì)多個(gè)振動(dòng)噪聲通道的同步數(shù)據(jù)采集。

以一塊主板卡、一塊從板卡為例，以上同步觸發(fā)工作通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)的代碼如圖3：

2.3嵌入式控制器

      齒輪箱測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)過(guò)程中每隔15分鐘進(jìn)行一次振動(dòng)噪聲信號(hào)采集和實(shí)時(shí)頻域傅立葉分析，關(guān)心的頻率分辨率為0.5Hz，帶寬為20kHz，16次譜平均，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)需要進(jìn)行頻帶能量計(jì)算，噪聲信號(hào)需要進(jìn)行等效聲壓級(jí)計(jì)算。這就要求我們每次計(jì)算對(duì)時(shí)域振動(dòng)噪聲信號(hào)以80kS/s采樣率采集2秒，連續(xù)進(jìn)行16次采集及計(jì)算。一次實(shí)時(shí)處理的程序代碼如圖4所示。

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