基于PXI和SCXI板卡系統(tǒng)的空調(diào)自動檢測和故障診斷

一、系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要用于對空調(diào)設(shè)備的關(guān)鍵器件進(jìn)行自動檢測和故障診斷。該系統(tǒng)由自動檢測系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)兩個分系統(tǒng)組成。自動檢測系統(tǒng)可以進(jìn)行溫度、濕度、制冷劑壓力、強(qiáng)電電壓/電流、標(biāo)準(zhǔn)電流信號等多個信號的測量和數(shù)據(jù)采集處理，并將檢測結(jié)果傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)中；故障診斷系統(tǒng)通過故障診斷系統(tǒng)對自動檢測系統(tǒng)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對空調(diào)設(shè)備所出現(xiàn)的故障進(jìn)行定位并給出具體的解決方法。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1. 系統(tǒng)硬件設(shè)備

本系統(tǒng)主要基于NI公司的信號采集和調(diào)理設(shè)備搭建硬件平臺，它主要由一系列PXI和SCXI板卡組成；同時(shí)，為了方便連接傳感器，自制了集成接線箱。該系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，機(jī)箱PXI-1042Q和SCXI-1000的電源為市電AC/220V；SCXI-1581對RTD溫度傳感器提供電流激勵；其余傳感器分別由集成接線箱中的15V和24V直流電源供電；自動工況模擬由SCXI-1124提供電流輸出。對各傳感器采集到的物理參數(shù)，使用PXI－6123同步采集卡對380V三相交流運(yùn)行電參數(shù)信號進(jìn)行采樣，可獲得各相電壓與相應(yīng)電流初始相角相同的數(shù)據(jù)；使用具有32通道、每一個輸入通道都具有信號放大及低通濾波功能的SCXI－1102板卡完成6路24V直流電源運(yùn)行參數(shù)信號、2路壓力信號、9路RTD溫度信號、1路環(huán)境濕度、1路大氣壓力和5路標(biāo)準(zhǔn)電流信號，共24路電壓信號的調(diào)理工作；SCXI－1102通過背部接線端將所有信號送到PXI－6251采集卡的第一個通道CH0。PXI－6123和 PXI－6251采集到的信號由PXI總線送入PXI-8106控制器進(jìn)行分析處理。

圖1：系統(tǒng)工作原理圖

1.1 信號采集和調(diào)理硬件

信號采集和調(diào)理硬件主要由一系列PXI和SCXI板卡組成，其中PXI-6123同步采集卡用于采集三相交流電的電壓和電流；PXI-6251數(shù)據(jù)采集卡用于控制SCXI板卡，同時(shí)采集經(jīng)SCXI-1102調(diào)理后的溫度、濕度、壓力和24V直流電源運(yùn)行參數(shù)。

1.2 集成接線箱

集成接線箱將前端的模擬信號和采集/調(diào)理設(shè)備的各通道對應(yīng)地連接起來，是自動檢測系統(tǒng)的信號連接中樞。它主要實(shí)現(xiàn)以下四個功能：

1）更好的電氣連接性

前端應(yīng)用航空插頭與傳遞各測量模塊信號的線纜連接，后端是與信號調(diào)理/采集設(shè)備連接的總線接口，如圖3所示。它使信號的輸入輸出連接快速方便、穩(wěn)定可靠。

圖2 集成接線箱外形圖

2）連接電纜的一致性

前端的航空插座有4芯、10芯和24芯三種，每根連接電纜無須與傳感器一一對應(yīng)，只要對應(yīng)的插座相同就可以隨意接插，而且無法接插不同的插座，防止了錯誤連接。由于傳感器種類較多、數(shù)量較大，使用時(shí)前端連接傳感器的線纜很紛繁，線纜長度又較大，因此線纜的一致性使得每次使用時(shí)不必針對不同的傳感器尋找對應(yīng)的線纜，既保證了連接傳感器的方便快捷，又保證了一定的冗余性(在線纜出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)找到替換線纜)。

3）傳感器直流供電

運(yùn)行電參數(shù)測量模塊的傳感器需要直流±15V供電，壓力、濕度、大氣壓力以及標(biāo)準(zhǔn)直流信號測量模塊需要直流24V供電，集成接線箱內(nèi)安放了直流電源，通過線纜給不同的傳感器供電。

4）電流信號的轉(zhuǎn)換

由于連接線纜較長，為了增強(qiáng)抗干擾能力，傳感器輸出信號都選擇了4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，電流信號進(jìn)入集成接線箱后，通過高精度的取樣電阻（阻值250Ω和100Ω、精度1‰、功率1/4W），電阻上的壓降供給調(diào)理/采集設(shè)備進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

1.3 信號調(diào)理附件

由于數(shù)據(jù)采集卡PXI-6123的電壓輸入范圍是±10V，而要檢測的380V三相供電參數(shù)超出PXI-6123的測試范圍。我們通過分壓的辦法將其轉(zhuǎn)化到±10V的范圍內(nèi)。被測電參數(shù)（A相N相間電壓、B相N相間電壓、C相N相間電壓、A相電流、B相電流、C相電流）通過電壓互感器和電流互感器，將大電壓和大電流衰減為采集系統(tǒng)允許值范圍內(nèi)的小信號。所選用的傳感器是LEM（萊姆電子）生產(chǎn)的應(yīng)用霍爾原理閉環(huán)補(bǔ)償?shù)腖V25-P/SP2電壓傳感器和LA55-P/SP50電流傳感器。

為便于使用，設(shè)計(jì)制造了“交流380V三相供電測量盒”，測量盒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，盒體的左右兩側(cè)裝配的是用于與被測系統(tǒng)相連接的航空插座，左側(cè)為輸入端，連接系統(tǒng)的380V供電電源，測量電纜從電流傳感器中心孔穿過后連接到右側(cè)的航空插座（輸出端），再通過線纜連接到被測系統(tǒng)用電設(shè)備。衰減后的信號由信號輸出接口經(jīng)線纜傳送到集成接線箱，再供數(shù)據(jù)采集卡采集。

圖3交流380V三相供電測量盒結(jié)構(gòu)示意圖

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用虛擬儀器的思想，以NI LabVIEW8.5為開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)自動檢測與故障診斷軟件(以下簡稱“檢測診斷軟件”)，該軟件與系統(tǒng)硬件一起構(gòu)成完整的測試診斷系統(tǒng)。

檢測診斷軟件按空調(diào)設(shè)備的三大類試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了自動工況模擬、調(diào)溫特性和電參數(shù)特性三個試驗(yàn)?zāi)K。每個試驗(yàn)?zāi)K具有選擇被測通道、設(shè)置采樣參數(shù)和處理采集數(shù)據(jù)的功能，使用者可根據(jù)具體試驗(yàn)項(xiàng)目所測的物理量，選擇采集卡上相應(yīng)的被測通道；通過改變采樣參數(shù)（采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率）來改善試驗(yàn)效果；通過LabVIEW8.5中自帶的信號分析、數(shù)學(xué)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)分析等子VI將這些原始數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際工程量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、濕度、電壓和電流等，然后與這些參數(shù)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，如超出閾值界限，則及時(shí)以紅燈閃爍的報(bào)警形式通知用戶。同時(shí)，報(bào)警結(jié)果可自動保存到數(shù)據(jù)庫，供故障診斷系統(tǒng)分析。為了完成上述功能，主要需要如下功能模塊：

圖4檢測診斷軟件架構(gòu)圖

1）   硬件配置與管理模塊：主要完成對硬件的配置與管理，是連接測試系統(tǒng)硬件與軟件的橋梁，

2）   硬件自檢模塊：測試系統(tǒng)自身功能的正確性，確保不會因?yàn)闇y試設(shè)備的故障導(dǎo)致產(chǎn)品測試工作失敗。

3）   校準(zhǔn)模塊：實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)所用硬件的校準(zhǔn)。

4）   閾值設(shè)置模塊：主要完成對被測參數(shù)顯示范圍(顯示下限和顯示上限)和報(bào)警閾值(報(bào)警下限和報(bào)警上限)的設(shè)置，為數(shù)據(jù)顯示和故障判斷提供執(zhí)行依據(jù)。

5）   信號控制和采集模塊：完成對被測信號的控制和采集。

6）   數(shù)據(jù)保存模塊：完成對采集信號的保存。

7）   數(shù)據(jù)庫模塊：實(shí)現(xiàn)對故障形式和故障狀態(tài)的存儲，并在故障存在的情況下，自動啟動故障診斷系統(tǒng)。

8）   數(shù)據(jù)回放模塊：實(shí)現(xiàn)對保存數(shù)據(jù)的回放，方便用戶觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢。

9）   幫助模塊：對整個測試軟件進(jìn)行說明，方便用戶使用。

其中硬件配置與管理模塊的界面如圖5所示。它由四個部分組成，分別是任務(wù)管理、配置管理、SCALE管理和設(shè)備管理，其中任務(wù)管理的功能是顯示已配置好的任務(wù)，以及實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的選定、改名和刪除等操作；配置管理的功能是添加或修改配置，使之滿足測試需求，然后將選定的配置轉(zhuǎn)換為任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)硬件通道合理配置的主戰(zhàn)場；SCALE管理的功能是實(shí)現(xiàn)對測試信號的標(biāo)定，使物理信號以其實(shí)際單位（比如：Mpa、m/s等）存儲和顯示，而不是以電信號的單位（比如：V、mA等）存儲和顯示；設(shè)備管理的功能是顯示所有插入的板卡及其在本測試系統(tǒng)的功能信息等。

圖5 硬件配置與管理模塊

圖6是信號采集和控制的界面。在通道配置之前，對相應(yīng)的硬件進(jìn)行自檢，可確保不會因?yàn)闇y試設(shè)備的故障導(dǎo)致產(chǎn)品測試工作失敗。在進(jìn)行通道配置時(shí)，用戶可根據(jù)測試需要，自定義測試信號類型(溫度、濕度、壓力或運(yùn)行電參數(shù))和通道數(shù)量，具有很強(qiáng)的通用性和靈活性。

圖6 信號采集和控制的界面

3. 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能是否完全滿足設(shè)計(jì)要求，開展了功能測試試驗(yàn)、平均無故障時(shí)間試驗(yàn)等。在報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲及回放的功能試驗(yàn)中，首先通過軟件閾值設(shè)置窗口完成測試參數(shù)報(bào)警閾值的設(shè)置，然后人為地改變冷凝器和蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)溫度，當(dāng)溫度值高于或低于設(shè)置的閾值時(shí)，報(bào)警燈變亮，溫度的變化曲線則如圖7所示。

圖7 冷凝器和蒸發(fā)器溫度變化曲線

    通過各項(xiàng)測試，證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)置方便，功能齊全，完全滿足項(xiàng)目的技術(shù)要求。

三、總結(jié)與展望

空調(diào)設(shè)備自動檢測與故障診斷系統(tǒng)主要是通過虛擬儀器技術(shù)對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，給出故障信號及測試數(shù)據(jù)，通過故障診斷系統(tǒng)推理進(jìn)行故障診斷，給出故障模式。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)對多種信號（溫度、壓力、高電壓、大電流）的控制和測量，對測試數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)和離線分析。

本套系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工業(yè)使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測試任務(wù)靈活方便，分析模塊功能強(qiáng)大，很好地滿足了對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的需求，提高了測試效率。

該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，在故障診斷行業(yè)具有良好的推廣意義。