The Challenge:
構(gòu)建機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有特定的要求：適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境、豐富靈活的傳感器/ 數(shù)采接口、信號(hào)處理的專(zhuān)業(yè)軟件以及實(shí)時(shí)性可靠性等要求。

The Solution:
系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)機(jī)械平臺(tái)、傳感器、NI CompactRIO和PDA四大部分組成。NI CompactRIO主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集和處理工作，手持PDA運(yùn)行人機(jī)界面，提供數(shù)據(jù)查看和控制指令。運(yùn)行在CompactRIO FPGA芯片上的程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和高速信號(hào)處理，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷預(yù)警。實(shí)時(shí)控制器上的程序負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到人機(jī)界面，同時(shí)接收人機(jī)界面送過(guò)來(lái)的指令。

1. 監(jiān)控對(duì)象和傳感器

監(jiān)控對(duì)象我們選用Spectraquest 公司的軸承平衡故障仿真器。這個(gè)仿真器用于演示和研究運(yùn)行中軸承故障和非平衡狀態(tài)。仿真器有一個(gè)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，交流電機(jī)的變頻器提供一個(gè)面板，用戶(hù)可以通過(guò)面板上的按鈕和旋鈕改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)置一個(gè)光電傳感器，可提供電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。轉(zhuǎn)軸上安裝了兩個(gè)鋁制飛輪，在每個(gè)飛輪上有大小兩圈等間隔的孔，用于安裝配重。通過(guò)在不同位置安裝配重來(lái)實(shí)現(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)效果。整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外套有一個(gè)玻璃罩子，用以保護(hù)使用者。

本系統(tǒng)主要監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，因此需要測(cè)量軸承振動(dòng)、軸心偏移以及轉(zhuǎn)速信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)采用4個(gè)IEPE振動(dòng)傳感器，分別測(cè)量軸前后段水平和垂直兩個(gè)方向的振動(dòng)，安裝在軸承座上，如圖 2左所示。IEPE 是振動(dòng)傳感器的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，核心由兩部分組成：感受力的壓電材料和放大信號(hào)的集成電路。這種傳感器具有靈敏、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比高、信號(hào)調(diào)理方便等特點(diǎn)。這里選用的振動(dòng)傳感器是上海北智技術(shù)有限公司的14115 型工業(yè)測(cè)振傳感器，測(cè)量范圍是250 g，靈敏度是100 mv/g。我們使用電渦流式位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸偏移，這種傳感器通過(guò)電磁感應(yīng)效應(yīng)測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭的距離。轉(zhuǎn)軸恰好是金屬體，同時(shí)位移傳感器是非接觸式的，測(cè)量時(shí)不會(huì)影響轉(zhuǎn)軸本身的運(yùn)動(dòng)。在垂直于軸線(xiàn)的平面放置一個(gè)支架，如圖 2右所示，與垂直方向夾角分別是45度和-45度安放兩個(gè)位移傳感器，這樣可以測(cè)量軸心偏移。這里選用的位移傳感器是北京京儀北方儀器儀表有限公司的ϕ8 mm 探頭的電渦流傳感器。量程是2 mm，靈敏度8mv/um。傳感器的輸出電壓很小，產(chǎn)品中包括了配套的前置放大器，前置放大器需要提供-12和+12V 的直流供電。

圖 2傳感器的安裝

轉(zhuǎn)速信號(hào)是由故障仿真器自帶的光電傳感器提供，每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)有一個(gè)脈沖信號(hào)。信號(hào)脈沖高電平為5V。

2. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)配置（NI CompactRIO 的選型）

NI CompactRIO 平臺(tái)提供了豐富的數(shù)據(jù)采集模塊。振動(dòng)傳感器選擇的是IEPE 的加速度傳感器，系統(tǒng)使用NI 9234 同步動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，NI 9234 作為4 通道C 系列同步動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，可連接IEPE 與非IEPE 傳感器，進(jìn)行高精度振動(dòng)/ 音頻信號(hào)測(cè)量。NI 9234具有102 dB動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)IEPE加速度傳感器提供信號(hào)調(diào)理和交流耦合的功能。采集通道還提供自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2 kHz 的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

對(duì)于位移信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)選擇NI 9239 采集卡，NI 9239 模塊包括4 條同步采樣的模擬輸入通道，每通道是24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)速傳感器給出的是脈沖信號(hào)，我們把它當(dāng)作模擬信號(hào)采集后在FPGA 上提取轉(zhuǎn)速/ 周期信號(hào)。

傳感器和信號(hào)采集卡如表 1所示：

信號(hào)	傳感器	通道數(shù)	信號(hào)調(diào)理	采集卡
振動(dòng)	加速度計(jì)	4	采集卡提供4mA激勵(lì)	NI 9234
位移	電渦流傳感器	2	前置放大器	NI 9239
轉(zhuǎn)速	轉(zhuǎn)速計(jì)	1	不需要

表 1傳感器-信號(hào)采集卡對(duì)照表

在采集的同時(shí)，程序還對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，當(dāng)某信號(hào)超過(guò)閾值，系統(tǒng)會(huì)有預(yù)警信息，我們通過(guò)NI 9474 的DO通道控制報(bào)警燈閃滅來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制器選擇和機(jī)箱分別選擇NI 9014 和NI 9103。NI cRIO-9014 嵌入式實(shí)時(shí)控制器具有一個(gè)400 MHz Freescale MPC5200 的工業(yè)實(shí)時(shí)處理器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、文件管理等確定可靠的實(shí)時(shí)應(yīng)用。目前系統(tǒng)需要3個(gè)采集模塊，我們使用NI 9103 四槽機(jī)箱。實(shí)際的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)可能還需要壓力、溫度、應(yīng)變，如果采集模塊增加，還可以選擇8 槽的9104 機(jī)箱。

3. 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件由三部分組成，如圖 3所示。運(yùn)行在FPGA芯片的程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和高速信號(hào)處理，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷預(yù)警。實(shí)時(shí)控制器上的程序負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到人機(jī)界面，同時(shí)接收人機(jī)界面送過(guò)來(lái)的指令。人機(jī)界面運(yùn)行在一臺(tái)手持的PDA 設(shè)備上。

圖 3 軟件架構(gòu)

運(yùn)行在FPGA上的程序承擔(dān)了所有的采集和信號(hào)處理工作，F(xiàn)PGA 程序控制各個(gè)采集模塊，獲得精確同步的采集振動(dòng)、位移和轉(zhuǎn)速計(jì)的信號(hào)。然后進(jìn)行信號(hào)處理的工作。首先FPGA 從轉(zhuǎn)速計(jì)的方波信號(hào)中提取轉(zhuǎn)速/ 周期信息，再基于轉(zhuǎn)速/ 周期數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的重采樣處理，把振動(dòng)和位移信號(hào)從等時(shí)間間隔采樣變換為每個(gè)周期內(nèi)等間隔采樣。接著對(duì)振動(dòng)信號(hào)做階次變換和進(jìn)一步的分析處理， FPGA同時(shí)對(duì)位移信號(hào)做軸偏的分析、所有信號(hào)的時(shí)域分析，計(jì)算有效值、直流分量等，并對(duì)一些振動(dòng)、位移信號(hào)做門(mén)限判斷，通過(guò)DIO 控制LED燈指示正常狀態(tài)或者報(bào)警。此外，運(yùn)行于FPGA上的程序還會(huì)把處理過(guò)程中的中間結(jié)果和最終數(shù)據(jù)通過(guò)DMA 通道發(fā)送到實(shí)時(shí)控制器上。

運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器上的程序把FPGA 送上來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PDA。PDA運(yùn)行的人機(jī)界面程序會(huì)根據(jù)用戶(hù)對(duì)控件的點(diǎn)擊顯示不同的處理結(jié)果，用戶(hù)可以看到瀑布圖、軸心偏移軌跡、階次圖、倍頻值等數(shù)據(jù)。另外這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)還有一個(gè)短信通知功能，控制器通過(guò)串口控制GSM Modem，Modem中有一張普通的SIM卡，控制器通過(guò)串口指令可以把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、狀態(tài)或者報(bào)警信息通過(guò)短消息的方式發(fā)送到手機(jī)上。用戶(hù)可以通過(guò)PDA 的用戶(hù)界面來(lái)指定發(fā)送內(nèi)容、時(shí)間和目標(biāo)手機(jī)。此外，還可以通過(guò)GSM Modem撥號(hào)上網(wǎng)，把NI CompactRIO 系統(tǒng)接入Internet，即使沒(méi)有網(wǎng)線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)上任意一臺(tái)設(shè)備也可以建立與NI CompactRIO 的數(shù)據(jù)連接。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

這套以NI CompactRIO為核心的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，首先，具有高速數(shù)據(jù)采集處理的能力，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)于危險(xiǎn)狀態(tài)能夠提前判斷并預(yù)警。其次控制器運(yùn)行了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)FPGA和對(duì)網(wǎng)絡(luò)都有靈活的接口函數(shù)，整個(gè)處理過(guò)程完全在NI CompactRIO 上實(shí)現(xiàn)，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)發(fā)布接口，這樣既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，又使得系統(tǒng)可以方便的加入人機(jī)界面功能。此外通過(guò)串口控制GSM Modem發(fā)送短信和無(wú)線(xiàn)接入Internet，也是本系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)。

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