基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測控系統(tǒng)設(shè)計

　面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI充分利用了當(dāng)前最普及的臺式計算機(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。這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺。
　　本文設(shè)計了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過直流調(diào)速設(shè)備控制電機(jī)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱產(chǎn)品進(jìn)行實際的運(yùn)行環(huán)境模擬，并對采集到的環(huán)境參數(shù)及噪聲振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后生成檢測報告。本文運(yùn)用PXI硬件優(yōu)越的定時、觸發(fā)性能及LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用實時操作系統(tǒng)對復(fù)雜的聲音振動進(jìn)行分析計算和資源分流，以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
　　風(fēng)電測控系統(tǒng)將兩個齒輪箱產(chǎn)品放置在步進(jìn)電機(jī)主軸的兩側(cè)同時進(jìn)行檢測，依靠步進(jìn)電機(jī)的帶動來模擬齒輪箱實際工作狀況。齒輪箱試驗方法如圖1所示，工作過程分為三個階段驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行：第一個階段給齒輪箱加載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，以檢測環(huán)境參數(shù)及振動噪聲的相關(guān)指標(biāo)來評定齒輪箱產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計
　　整個系統(tǒng)主要包含運(yùn)動控制子系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)測試子系統(tǒng)和振動噪聲測試子系統(tǒng)三個部分。
　　運(yùn)動控制子系統(tǒng)包含運(yùn)動決策模塊、分布式運(yùn)動控制器和步進(jìn)電機(jī)。決策模塊向指定的運(yùn)動控制器發(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警范圍檢測各環(huán)境參量，判斷電機(jī)狀態(tài)是否正常，若環(huán)境參量報警，系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出驅(qū)動繼電器和接觸器關(guān)斷電機(jī)。
　　振動噪聲測試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量電機(jī)系統(tǒng)環(huán)境噪聲及產(chǎn)品多個位置振動信號的同步采集，并對聲音振動信號進(jìn)行實時分析和離線分析。
　　測控系統(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)動控制決策模塊、數(shù)據(jù)存儲及離線分析模塊、通信模塊和參數(shù)顯示模塊等。下位機(jī)包含嵌入式實時控制器、信號調(diào)理模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、報警檢測模塊、振動噪聲采集模塊及通信模塊。
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)硬件包含環(huán)境參數(shù)信號調(diào)理及采集部分、振動噪聲采集部分、數(shù)字I/O部分、信號電氣連接器部分、運(yùn)動控制部分、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塊動態(tài)信號分析儀PXI-4472用來采集振動噪聲信號，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)采集卡通過機(jī)箱背板總線控制信號調(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脩襞渲煤玫脑囼灹鞒绦畔⑹褂肨CP/IP協(xié)議下載到PXI-8106嵌入式實時控制器，運(yùn)行在實時控制器上的應(yīng)用程序按照自動流程信息配置決定當(dāng)前時刻試驗臺應(yīng)該打開的電磁閥，由PXI-6528驅(qū)動繼電器完成。同樣監(jiān)控終端按照流程配置通過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)品處于試驗要求的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)穩(wěn)定后，對環(huán)境參數(shù)和振動噪聲信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

 圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　實時控制器應(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)前時刻哪些環(huán)境參數(shù)需要進(jìn)行報警檢測，如發(fā)生報警按照用戶配置的報警等級決定流程執(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)前時刻是否進(jìn)行振動噪聲采集和實時分析；按照流程配置信息決定哪些試驗數(shù)據(jù)需要存入硬盤。
環(huán)境參數(shù)信號調(diào)理
　　由于現(xiàn)場強(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，這對傳感器變送器等弱電信號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，首先，將試驗臺、數(shù)字量控制柜及測量系統(tǒng)機(jī)柜單點(diǎn)接地，避免地環(huán)干擾；其次，各傳感器信號線及激勵線經(jīng)過屏蔽接入測量系統(tǒng)，減小電磁干擾；最后使用SCXI調(diào)理模塊對傳感器變送器信號進(jìn)行隔離、放大、濾波，最大限度地提高測量精度。

　　在本系統(tǒng)的風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品測試中，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轉(zhuǎn)化為電信號，通過SCXI-1581電流激勵模塊和SCXI-1102放大輸入模塊對鉑電阻信號進(jìn)行信號調(diào)理，通過SCXI-1125隔離輸入模塊對壓力信號進(jìn)行隔離、放大、濾波。為消除線路電阻對鉑電阻信號的影響，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，系統(tǒng)使用4Hz低通濾波器消除50～60Hz工頻干擾。

　　振動噪聲采集
　　對振動噪聲信號的采集，試驗方法關(guān)心24個測試點(diǎn)振動信號的相位關(guān)系，因此要求系統(tǒng)對振動信號進(jìn)行同步采集。系統(tǒng)采用8通道NI PXI-4472動態(tài)信號分析儀對噪聲和振動信號進(jìn)行采集，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)，齒輪箱測試關(guān)心24路振動和2路噪聲信號，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題，如圖2所示，使用PXI-1050背板上的10MHz系統(tǒng)時鐘，將這個統(tǒng)一的時鐘信號通過PXI時鐘觸發(fā)同步總線傳遞到各個模塊。
  要做到模塊間真正的同步，除時鐘信號統(tǒng)一外，還需要觸發(fā)信號觸發(fā)各模塊同時開始工作，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，該信號通過星形觸發(fā)總線(Star Trigger)到達(dá)各從板卡，電路設(shè)計上保證了星形觸發(fā)線傳送到每個模塊的時間相等，觸發(fā)信號偏斜小于1ns，主板卡到各從板卡之間的時延不超過5ns。利用PXI高度集成的時鐘觸發(fā)特性，以較高的性價比，完成了對多個振動噪聲通道的同步數(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LabVIEW編程實現(xiàn)的代碼如圖3所示。

圖3 模塊間同步觸發(fā)程序

    嵌入式控制器
    齒輪箱測試試驗標(biāo)準(zhǔn)要求試驗過程中每隔15min進(jìn)行一次振動噪聲信號采集和實時頻域傅立葉分析，關(guān)心的頻率分辨率為0.5Hz，帶寬為20kHz，16次譜平均，對于振動信號需要進(jìn)行頻帶能量計算，噪聲信號需要進(jìn)行等效聲壓級計算。這就要求每次計算對時域振動噪聲信號以80kS/s采樣率采集2s，連續(xù)進(jìn)行16次采集及計算。一次實時處理的程序代碼如圖4所示。
 除上述振動噪聲采集計算外，處理器還要同時進(jìn)行流程執(zhí)行、環(huán)境參數(shù)采集、運(yùn)動控制通信及數(shù)字I/O通信等多項任務(wù)，這對處理器的速度和內(nèi)存提出了更高的要求。另外由于系統(tǒng)需要實時監(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，對危險狀況具備緊急決斷能力，因此為保證控制器的時間精確性和性能可靠性，在PXI-8106嵌入式控制器上運(yùn)行實時操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)流程執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時處理等時間緊急任務(wù)，使用TCP/IP協(xié)議通過千兆以太網(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、報表及查詢等非實時任務(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)用程序和嵌入式實時控制器程序合并到一臺運(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所示的計算代碼連續(xù)運(yùn)行16次需要4～5min，計算過程中，資源基本耗盡，有時還會出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況。系統(tǒng)應(yīng)用程序在實時控制器中可獨(dú)立運(yùn)行，保證高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，而且實時操作系統(tǒng)不需要外圍設(shè)備，單任務(wù)運(yùn)行平臺，后臺程序和服務(wù)少，在這樣的系統(tǒng)設(shè)計保證下，內(nèi)存和CPU資源得到分流，上述代碼執(zhí)行16次僅需40s，應(yīng)用程序的時間精確性和穩(wěn)定性得到提高，另外由于運(yùn)行在實時操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序使用多線程技術(shù)編程，與監(jiān)控終端的通信在計算執(zhí)行過程中基本不受影響，系統(tǒng)的性能得到大大改善。

圖4 振動噪聲信號一次實時處理的程序代碼

    信號電氣連接器
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制部分基于PXI總線設(shè)計，具有設(shè)備高度集成模塊化特性及隨之帶來的靈活性和擴(kuò)展性。為了保證整個系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可更換性、維修簡易性，測試系統(tǒng)到現(xiàn)場傳感器執(zhí)行器之間必須具備擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的信號電氣連接器。
    為實現(xiàn)測試系統(tǒng)資源與被測件測試信號的可靠連接，信號電氣連接器裝置必須具有測試要求的功率容率、信號頻率和使用壽命，由電氣連接器所引入的附加信號衰減和干擾必須控制在測試所允許的范圍內(nèi)。
    系統(tǒng)設(shè)計了混裝模塊連接器實現(xiàn)到現(xiàn)場的電氣連接。將信號分為環(huán)境參數(shù)、數(shù)字I/O信號及噪聲振動信號三組電氣連接，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2萬次，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。
    系統(tǒng)軟件設(shè)計
    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，將簡單易用的圖形化開發(fā)方式與靈活強(qiáng)大的編程語言的優(yōu)勢合二為一。系統(tǒng)分為監(jiān)控終端程序和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)將整個軟件劃分為如圖5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)中處于監(jiān)控終端，而測試流程控制層和硬件驅(qū)動層屬于嵌入式控制器。通信層為監(jiān)控終端與嵌入式控制器建立數(shù)據(jù)引擎和標(biāo)準(zhǔn)的接口。

      (1)用戶界面層：負(fù)責(zé)人機(jī)對話和數(shù)據(jù)顯示等。
　　(2)管理層：包括對系統(tǒng)硬件資源、標(biāo)定信息、試驗流程配置、試驗操作以及試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。
　　(3)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，為實時采集系統(tǒng)提供配置信息和命令數(shù)據(jù)引擎。
　　(4)測試流程控制層：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試流程執(zhí)行。同時向硬件驅(qū)動層發(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。
　　(5)硬件驅(qū)動層：為測試流程控制層和數(shù)據(jù)采集輸入設(shè)備、振動噪聲采集設(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)送到試驗流程控制層。
    系統(tǒng)軟件可以適應(yīng)多種試驗方法，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表如圖6所示。

圖6 程序界面及結(jié)果報表

　　本文運(yùn)用PXI總線技術(shù)實現(xiàn)了風(fēng)電測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)利用PXI硬件、實時操作系統(tǒng)和LabVIEW虛擬儀器編程平臺實現(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)測試精度及可靠性，加快了數(shù)據(jù)實時分析處理的速度。通過實驗該系統(tǒng)滿足風(fēng)電齒輪箱測試試驗的標(biāo)準(zhǔn)，整個系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定可靠，現(xiàn)已成功應(yīng)用于歌美颯風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品生產(chǎn)線的檢測并大大提高了生產(chǎn)效率。