The Challenge:
在某些結(jié)構(gòu)相對難以接近的情況下，連續(xù)監(jiān)測長島鐵路高架道路的結(jié)構(gòu)健康。

The Solution:
使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計工具包來測量環(huán)境激勵產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)的模式分析，遠(yuǎn)程捕捉數(shù)據(jù)并分析重要事件。

背景

工程師使用結(jié)構(gòu)振動來評估許多建筑和機(jī)器的狀況，包括建筑物、橋梁、水壩、高塔、起重機(jī)和托架。  盡管多年來我們已經(jīng)都使用了一定工具來監(jiān)控結(jié)構(gòu)振動，但是這些工具所收集到數(shù)據(jù)不是保真度高卻持續(xù)時間短的波形，就是持續(xù)時間長卻在頻段上有功率失真的測量結(jié)果。  許多結(jié)構(gòu)只有在環(huán)境力量，例如風(fēng)、車輛活動，附近的建筑，或者如地震和龍卷風(fēng)存在等隨機(jī)事件的情況下發(fā)生振動才有意義。  因此，數(shù)據(jù)采集在這些情況下都必須保持活躍。

得益于存儲容量、處理器速度和寬帶無線通信技術(shù)上的最新進(jìn)展，我們可以長期采集高保真波形。  我們還可以與匯聚了多個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)的主機(jī)進(jìn)行通訊，從而提供永久的數(shù)據(jù)收集以及高級分析和報告功能。

結(jié)構(gòu)完整性評估的領(lǐng)導(dǎo)者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開發(fā)了可在室外和其他較難接近的地方上運(yùn)作的系統(tǒng)，它同時還保持了可用的基于PC的解決方案的能力。  最終，我們生產(chǎn)出了STRAAM SKG CMS™系統(tǒng)的增強(qiáng)版本，安裝在長島鐵路橋上。

系統(tǒng)要求

系統(tǒng)需要執(zhí)行下列運(yùn)作：

• 從加速度計以及其他環(huán)境傳感器上收集數(shù)據(jù) 
• 以完全采樣率在本地存儲數(shù)周的數(shù)據(jù)
• 實(shí)時分析自定義數(shù)據(jù)
• 定期將統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)布至主機(jī) 
• 按要求將波形上傳至主機(jī)
• 提供堅固、重量輕、高性價比以及可靠的OEM部署 
• 涵蓋靈活的架構(gòu)來應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)
• 確保安全的用戶訪問控制 

系統(tǒng)設(shè)計

我們選擇了一個基于NI CompactRIO平臺和動態(tài)信號采集（DSA）C系列模塊的系統(tǒng)。 CompactRIO和相關(guān)C系列信號調(diào)理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數(shù)安裝地點(diǎn)的典型環(huán)境極值。  此外，CompactRIO控制器沒有移動部件，增加了發(fā)生故障的平均間隔時間，并確保它可以承受在運(yùn)輸和安裝過程中的物理操作不當(dāng)。  在軟件方面，我們決定采用NI LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊�？紤]到基本信號的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動態(tài)信號模塊（DSA）性能的采樣率，我們采用了LabVIEW FPGA。

圖1-安裝在LIRR支撐梁上的設(shè)備

數(shù)據(jù)采集與過濾

DSA模塊通過由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號，輸出有關(guān)傾斜和加速度的信息。  由于大型結(jié)構(gòu)在低頻率產(chǎn)生共振，因此，這些傳感器具有極低的噪聲、高度的動態(tài)范圍和低頻響應(yīng)十分重要，從而可在小于1 Hz情況下收集有關(guān)結(jié)構(gòu)的信息。  低頻率范圍和長期數(shù)據(jù)存儲的特點(diǎn)必須結(jié)合起來，以創(chuàng)造每秒200個樣本 (S/s)的最大的數(shù)據(jù)采集率。  由于擁有delta-sigma轉(zhuǎn)換技術(shù)，NI 9239的采樣速度并不慢，因此我們基于可編程門陣列（FPGA）以2000 S/s速度進(jìn)行采樣并使用低通數(shù)字濾波來產(chǎn)生速率為200S/s的抗混疊信號。通過抽取獲得的簡單二次抽樣會違反Nyquist準(zhǔn)則。我們使用LabVIEW 數(shù)字濾波器設(shè)計工具包生成了28抽頭的無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，其3dB下降節(jié)點(diǎn)是采樣率的0.8倍，阻帶衰減大于90dB.數(shù)字濾波器設(shè)計工具包包括自動生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA。  我們精心選擇定點(diǎn)運(yùn)算，以確保操作正確，從而避免過度使用FPGA資源。  最終的濾波器是一個帶4位尾數(shù)的24位定點(diǎn)數(shù)解決方案。

圖2: 遠(yuǎn)程前面板顯示加速度波形捕獲

配置、信號處理和警告

基于結(jié)構(gòu)的共振頻率，STRAAM采用專有的分析程序，從連續(xù)的加速度數(shù)據(jù)流中提取相關(guān)信息。  由于環(huán)境能量能夠激發(fā)結(jié)構(gòu)變化，我們分析了一些初步的數(shù)據(jù)來定位共振。  在初期階段之后，我們配置CompactRIO來執(zhí)行基于共振位置的專有分析。  初始設(shè)置的所有活動都是通過遠(yuǎn)程無線通信進(jìn)行的。  我們通過無線方式連接到CompactRIO，然后連接至最初獲取和分配共振頻帶的LabVIEW遠(yuǎn)程面板。

信號處理需要共振頻帶內(nèi)的功率譜和時域波形結(jié)構(gòu)。  CompactRIO處理器和FPGA模塊可以基于快速傅里葉變換（FFT）計算功率譜，并進(jìn)行時域濾波計算，因此我們可以在STRAAM提供的復(fù)雜算法基礎(chǔ)上進(jìn)行計算。  此外， CompactRIO 的大容量RAM可以存檔原始加速波形以供日后檢索。  LabVIEW開發(fā)環(huán)境大大簡化了調(diào)整這些計算的步驟。  我們進(jìn)行更多的計算來辨別值得注意的事件，從而在重要狀況發(fā)​​生時提醒工程師：這些狀況可能意味著存在一個有意義的環(huán)境激勵或結(jié)構(gòu)已發(fā)生很大的變化。

主機(jī)通信

為了成功運(yùn)作，該系統(tǒng)需要與主機(jī)進(jìn)行有效地通訊。  由于該系統(tǒng)部署的地方在幾乎不可訪問的地方和室外場所，因此所有的系統(tǒng)交互都需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。  憑借蜂窩式調(diào)制解調(diào)器，系統(tǒng)通過TCP/IP上傳重要信息、發(fā)布事件警報并允許遠(yuǎn)程配置。  我們設(shè)計的LabVIEW應(yīng)用程序，定期以自定義二進(jìn)制信息方式將概要信息發(fā)送至主機(jī)，它包含結(jié)構(gòu)狀況及CompactRIO系統(tǒng)的信息。  主機(jī)然后將信息與所有其他部署在該區(qū)域的SKG CMS™系統(tǒng)進(jìn)行匹配。 除了本概要信息，主機(jī)還可以從CompactRIO RAM獲取原始波形數(shù)據(jù)。  為了避免被篡改和未經(jīng)授權(quán)的訪問，我們的密碼保護(hù)所有連接。

Figure 3 - 數(shù)據(jù)文件配置屏幕

總結(jié)

我們已經(jīng)成功地安裝了幾個基于CompactRIO平臺的功能型SKG CMS™系統(tǒng)。  通過將這些系統(tǒng)連接至主機(jī)，即便在惡劣的天氣下，我們也可以監(jiān)視持續(xù)的振動活動以及各種結(jié)構(gòu)的警報條件。在驗證結(jié)構(gòu)狀態(tài)上，我們的客戶享有現(xiàn)代以太網(wǎng)驅(qū)動及基于網(wǎng)絡(luò)連接帶來的裨益，而在數(shù)據(jù)收集方面，我們能夠享受堅固、可靠、低成本和可重復(fù)編程CompactRIO系統(tǒng)所帶來的好處。