大佬講解測(cè)控系統(tǒng)(四)，風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案(上篇)

測(cè)控系統(tǒng)是重要系統(tǒng)之一，缺少測(cè)控系統(tǒng)，諸多系統(tǒng)的安全性無(wú)法得以保障。對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)，小編在往期文章中有所介紹。為增進(jìn)大家對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案予以介紹。此外，本文僅為上篇，剩余內(nèi)容請(qǐng)參考下篇。如果你對(duì)本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展PXI(PCIeXtensionsforInstrumentaTIon)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)接口——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)。

本文設(shè)計(jì)了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)。該系統(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)際的運(yùn)行環(huán)境模擬，并對(duì)采集到的環(huán)境參數(shù)及噪聲振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后生成檢測(cè)報(bào)告。本文運(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)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的聲音振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算和資源分流，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(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)來(lái)模擬齒輪箱實(shí)際工作狀況。齒輪箱試驗(yàn)方法如圖1所示，工作過(guò)程分為三個(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)60min，然后再以同樣的速度反轉(zhuǎn)60min，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。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，以檢測(cè)環(huán)境參數(shù)及振動(dòng)噪聲的相關(guān)指標(biāo)來(lái)評(píng)定齒輪箱產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)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。

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、通信模塊和參數(shù)顯示模塊等。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)如圖2所示，總體架構(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/OPXI-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(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，像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。

3.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的要求。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，最大限度地提高測(cè)量精度。

在本系統(tǒng)的風(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。

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