作者：黃鑫1，汪海波1，王延明2，曹磊2（1，北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100083；2，歌美颯風(fēng)電（天津）有限公司，天津 300384）
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，并增加了專門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虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(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。
- 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。
- 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脩襞渲煤玫脑囼?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，例如正常停車或緊急停車；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。
- 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。
- 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NI PXI-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)開始工作，系統(tǒng)將插在PXI-1050機(jī)箱2槽的PXI-4472作為主板卡(Master Device)，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，以較高的性價(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：
- 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。
除上述振動(dòng)噪聲采集計(jì)算外，處理器還要同時(shí)進(jìn)行流程執(zhí)行、環(huán)境參數(shù)采集、運(yùn)動(dòng)控制通信及數(shù)字I/O通信等多項(xiàng)任務(wù)，這對(duì)處理器的速度和內(nèi)存提出了很高的要求。另外由于系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控直流調(diào)速器以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，控制器必須連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)危險(xiǎn)狀況具備緊急決斷能力，因此為保證控制器的時(shí)間精確性和性能可靠性，在PXI-8106嵌入式控制器上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)流程執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理等時(shí)間緊急任務(wù)，使用TCP/IP協(xié)議通過(guò)千兆以太網(wǎng)卡與上位監(jiān)控終端工控機(jī)進(jìn)行通信，將配置、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)表及查詢等非實(shí)時(shí)任務(wù)轉(zhuǎn)移到監(jiān)控終端程序進(jìn)行處理。
如果將監(jiān)控終端應(yīng)用程序和嵌入式實(shí)時(shí)控制器程序合并到一臺(tái)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)（配置和PXI-8106相同）上運(yùn)行，采集程序和圖4所示的計(jì)算代碼連續(xù)運(yùn)行16次需要4~5分鐘，計(jì)算過(guò)程中，資源基本耗盡，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況。系統(tǒng)應(yīng)用程序在實(shí)時(shí)控制器中可獨(dú)立運(yùn)行，保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，而且實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不需要外圍設(shè)備，單任務(wù)運(yùn)行平臺(tái)，后臺(tái)程序和服務(wù)少，在這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證下，內(nèi)存和CPU資源得到分流，上述代碼執(zhí)行16次僅需40秒，應(yīng)用程序的時(shí)間精確性和穩(wěn)定性得到提高，另外由于運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序使用多線程技術(shù)編程，與監(jiān)控終端的通信在計(jì)算執(zhí)行過(guò)程中基本不受影響，系統(tǒng)的性能得到大大的改善。
- 信號(hào)電氣連接器
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制部分基于PXI總線設(shè)計(jì)，具有設(shè)備高度集成模塊化特性及隨之帶來(lái)的靈活性和擴(kuò)展性。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可更換性、維修簡(jiǎn)易性，測(cè)試系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)傳感器執(zhí)行器之間必須具備擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性強(qiáng)的信號(hào)電氣連接器。
為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)資源與被測(cè)件測(cè)試信號(hào)的可靠連接，信號(hào)電氣連接器裝置必須具有測(cè)試要求的功率容率、信號(hào)頻率和使用壽命，由電氣連接器所引入的附加信號(hào)衰減和干擾必須控制在測(cè)試所允許的范圍內(nèi)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了混裝模塊連接器實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)的電氣連接。將信號(hào)分為環(huán)境參數(shù)、數(shù)字I/O信號(hào)及噪聲振動(dòng)信號(hào)三組電氣連接，使用DIN標(biāo)準(zhǔn)外殼和鋁制框分別封裝，接口采用線簧連接器。插拔次數(shù)大于20000次，具有模塊化可擴(kuò)展性強(qiáng)、接觸電阻小、負(fù)載電流大、抗震性能好及插拔力輕等優(yōu)點(diǎn)。使用耐高溫的高質(zhì)量屏蔽線纜進(jìn)行連接。如圖5所示。
- 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件使用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)合而為一。系統(tǒng)分為監(jiān)控終端程序、嵌入式控制器程序兩部分。
為了保證程序結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和可延續(xù)性，系統(tǒng)將整個(gè)軟件劃分為如圖6所示的層次結(jié)構(gòu)。以通信層為界，用戶界面層和管理層在程序結(jié)構(gòu)處于監(jiān)控終端，而測(cè)試流程控制層、硬件驅(qū)動(dòng)層屬于嵌入式控制器。通信層為監(jiān)控終端和嵌入式控制器建立數(shù)據(jù)引擎和標(biāo)準(zhǔn)接口。
用戶界面層：負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話和數(shù)據(jù)顯示等。
- 管理層：包括對(duì)系統(tǒng)硬件資源、標(biāo)定信息、試驗(yàn)流程配置、試驗(yàn)操作以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。
- 通信層：為主控終端提供原始數(shù)據(jù)引擎和狀態(tài)數(shù)據(jù)引擎。為實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)提供配置信息和命令數(shù)據(jù)引擎。
- 測(cè)試流程控制層：這一層是執(zhí)行端層次的核心結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)解析管理層的配置信息和命令參數(shù)并控制程序按照用戶配置的測(cè)試流程執(zhí)行。同時(shí)向硬件驅(qū)動(dòng)層發(fā)送指令和提取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果傳送到通信層。
- 硬件驅(qū)動(dòng)層：為測(cè)試流程控制層和數(shù)據(jù)采集輸入設(shè)備、振動(dòng)噪聲采集設(shè)備、數(shù)字I/O設(shè)備等建立標(biāo)準(zhǔn)接口，從輸入設(shè)備采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到試驗(yàn)流程控制層。
系統(tǒng)軟件可以適應(yīng)多種試驗(yàn)方法，具有配置靈活，功能強(qiáng)大，界面美觀等特點(diǎn)。監(jiān)控終端程序主界面及報(bào)表如圖7所示。
- 總結(jié)
本文運(yùn)用PXI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)利用PXI硬件、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LabVIEW虛擬儀器編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高精度同步觸發(fā)特性，縮短了開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)測(cè)試精度及可靠性，加快了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理的速度。滿足風(fēng)電齒輪箱測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已成功應(yīng)用于歌美颯風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品生產(chǎn)線檢測(cè)并大大提高了生產(chǎn)效率。
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