[NI技术]轴承实时监测系统.doc

NI技术轴承实时监测系统使用NI CompactRIO 可以灵活配置采集系 统，FPGA 的强 大处理能力提升了系 统的性能。此外基于 LabVIEW 的 图形化开发环境使得 本系统开发时间大大 缩短。而且与传统解 决方案相比，节约了 系统开发的成本。- 徐 驰, 上海 聚星仪器有限公司The Challenge:构建机器状态监控系 统有特定的要求：适 应现场恶劣环境、丰 富灵活的传感器/ 数采接口、信号处理 的专业软件以及实时 性可靠性等要求。The Solution:系统由旋转机械平 台、传感器、NI CompactRIO 和PDA四大部分组 成。NI CompactRIO 主要负责信号采集和 处理工作，手持 PDA运行人机界 面，提供数据查看和 控制指令。运行在 CompactRIO FPGA芯片上的程 序负责数据采集和高 速信号处理，并对分 析结果进行判断预 警。实时控制器上的 程序负责把数据通过 网络接口发送到人机 界面，同时接收人机 界面送过来的指 令。图 1系统硬件连接 实物图Author (s):徐 驰 - 上海聚 星仪器有限公司1. 监控对象和传 感器监控对象我们选用 Spectraquest 公司的轴承平衡故障 仿真器。这个仿真器 用于演示和研究运行 中轴承故障和非平衡 状态。仿真器有一个 交流电机驱动旋转设 备，交流电机的变频 器提供一个面板，用 户可以通过面板上的 按钮和旋钮改变电机 的转速。旋转设备内 置一个光电传感器， 可提供电机的转速信 号。转轴上安装了两 个铝制飞轮，在每个 飞轮上有大小两圈等 间隔的孔，用于安装 配重。通过在不同位 置安装配重来实现不 平衡的旋转效果。整 个旋转机构外套有一 个玻璃罩子，用以保 护使用者。本系统主要监控旋转 机械设备的动态特 性，因此需要测量轴 承振动、轴心偏移以 及转速信号。振动信 号采用4个IEPE 振动传感器，分别测 量轴前后段水平和垂 直两个方向的振动， 安装在轴承座上，如 图 2左所示。 IEPE 是振动传 感器的一个工业标 准，核心由两部分组 成：感受力的压电材 料和放大信号的集成 电路。这种传感器具 有灵敏、动态范围 大、信噪比高、信号 调理方便等特点。这 里选用的振动传感器 是上海北智技术有限 公司的14115 型工业测振传感器， 测量范围是250 g，灵敏度是 100 mv/g。 我们使用电涡流式位 移传感器测量转轴偏 移，这种传感器通过 电磁感应效应测量被 测金属导体距探头的 距离。转轴恰好是金 属体，同时位移传感 器是非接触式的，测 量时不会影响转轴本 身的运动。在垂直于 轴线的平面放置一个 支架，如图 2右所 示，与垂直方向夹角 分别是45度和- 45度安放两个位移 传感器，这样可以测 量轴心偏移。这里选 用的位移传感器是北 京京仪北方仪器仪表 有限公司的8 mm 探头的电涡流 传感器。量程是2 mm，灵敏度 8mv/um。传感 器的输出电压很小， 产品中包括了配套的 前置放大器，前置放 大器需要提供-12 和+12V 的直流 供电。图 2传感器的安装转速信号是由故障仿 真器自带的光电传感 器提供，每转一圈就 会有一个脉冲信号。 信号脉冲高电平为 5V。2. 系统的设计平 台配置（NI CompactRIO 的选型）NI CompactRIO 平台提供了丰富的数 据采集模块。振动传 感器选择的是 IEPE 的加速度 传感器，系统使用 NI 9234 同 步动态信号采集卡， NI 9234 作 为4 通道C 系列 同步动态信号采集模 块，可连接 IEPE 与非 IEPE 传感器， 进行高精度振动/ 音频信号测量。 NI 9234具有 102 dB动态范 围，对IEPE加速 度传感器提供信号调 理和交流耦合的功 能。采集通道还提供 自动调节采样率的内 置抗混叠滤波器，同 时以每通道高达 51.2 kHz 的速率对信号进行数 字化。对于位移信号和转速 信号选择NI 9239 采集卡， NI 9239 模 块包括4 条同步采 样的模拟输入通道， 每通道是24 位模 数转换器。转速传感 器给出的是脉冲信 号，我们把它当作模 拟信号采集后在 FPGA 上提取转 速/ 周期信号。1/4传感器和信号采集卡 如表 1所示：信号传感器通道数信号调理采集卡振动加速度计4采集卡提供4mA激 励NI 9234位移电涡流传感器2前置放大器NI 9239转速转速计1不需要表 1传感器-信号采集 卡对照表在采集的同时，程序 还对各路信号进行监 测和分析，当某信号 超过阈值，系统会有 预警信息，我们通过 NI 9474 的 DO通道控制报警灯 闪灭来实现。控制器选择和机箱分 别选择NI 9014 和NI 9103。NI cRIO- 9014 嵌入式实 时控制器具有一个 400 MHz Freescale MPC5200 的 工业实时处理器，实 现信号处理、网络通 信、文件管理等确定 可靠的实时应用。目 前系统需要3个采集 模块，我们使用 NI 9103 四 槽机箱。实际的机器 状态监控平台可能还 需要压力、温度、应 变，如果采集模块增 加，还可以选择8 槽的9104 机 箱。3. 系统的软件架 构整个系统的软件由三 部分组成，如图 3 所示。运行在 FPGA芯片的程序 负责数据采集和高速 信号处理，并对分析 结果进行判断预警。 实时控制器上的程序 负责把数据通过网络 接口发送到人机界 面，同时接收人机界 面送过来的指令。人 机界面运行在一台手 持的PDA 设备 上。图 3 软件架构运行在FPGA上的 程序承担了所有的采 集和信号处理工作， FPGA 程序控制 各个采集模块，获得 精确同步的采集振 动、位移和转速计的 信号。然后进行信号 处理的工作。首先 FPGA 从转速计 的方波信号中提取转 速/ 周期信息，再 基于转速/ 周期数 据进行高速的重采样 处理，把振动和位移 信号从等时间间隔采 样变换为每个周期内 等间隔采样。接着对 振动信号做阶次变换 和进一步的分析处 理， FPGA同时 对位移信号做轴偏的 分析、所有信号的时 域分析，计算有效 值、直流分量等，并 对一些振动、位移信 号做门限判断，通过 DIO 控制LED 灯指示正常状态或者 报警。此外，运行于 FPGA上的程序还 会把处理过程中的中 间结果和最终数据通 过DMA 通道发送 到实时控制器上。运行在实时控制器上 的程序把FPGA 送上来的数据通过 TCP/IP 网络 发送给PDA。 PDA运行的人机界 面程序会根据用户对 控件的点击显示不同 的处理结果，用户可 以看到瀑布图、轴心 偏移轨迹、阶次图、 倍频值等数据。另外 这个监控系统还有一 个短信通知功能，控 制器通过串口控制 GSM Modem， Modem中有一张 普通的SIM卡，控 制器通过串口指令可 以把监控数据、状态 或者报警信息通过短 消息的方式发送到手 机上。用户可以通过 PDA 的用户界面 来指定发送内容、时 间和目标手机。此 外，还可以通过GSM Modem 拨号上网，把NI CompactRIO 系统接入 Internet， 即使没有网线，网络 上任意一台设备也可 以建立与NI CompactRIO 的数据连接。系统设计结果这套以NI CompactRIO 为核心的机器状态监 控系统，首先，具有 高速数据采集处理的 能力，保证了监控系 统的实时性，对于危 险状态能够提前判断 并预警。其次控制器 运行了实时操作系 统，对FPGA和对 网络都有灵活的接口 函数，整个处理过程 完全在NI CompactRIO 上实现，并对外提供 数据发布接口，这样 既保证了系统的稳定 可靠，又使得系统可 以方便的加入人机界 面功能。此外通过串 口控制GSM Modem发送短信 和无线接入 Internet， 也是本系统的一大亮 点。聚星仪器是NI的金 牌系统联盟伙伴，同 时也是NI CompactRIO 大陆地区独家代理商 和增值服务商。聚星 仪器拥有一支全球顶 尖的LabVIEW 开发团队，以NI CompactRIO 为核心开发了许多创 新应用，您可登陆聚 星仪器主页www.vi- china. 查看更多产品和应 用案例，或联系聚星 仪器 CompactRIO 技术支持。Author Information:徐 驰 上海聚星仪器有限公 司2/4图 1系统硬件连接 实物图3/4图 2传感器的安装图 3 软件架构LegalThis case study (this case study) was developed by a Natio