摘要：
本文描述了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)借助LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)了性能優(yōu)越的應(yīng)用程序；運用PXI硬件的定時觸發(fā)性能和集成模塊化特點，提高了系統(tǒng)測試精度，簡化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計開發(fā)過程；結(jié)合實時操作系統(tǒng)的時間精確性及可靠性，加快了數(shù)據(jù)實時分析處理的速度。
關(guān)鍵詞：
PXI總線技術(shù)；虛擬儀器；LabVIEW；風(fēng)力發(fā)電機；齒輪箱；噪聲；振動
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）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高速標準結(jié)構(gòu)——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、低成本運載平臺。
本文描述了基于PXI總線技術(shù)的風(fēng)電測控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過直流調(diào)速設(shè)備控制電機對風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱產(chǎn)品進行實際運行環(huán)境模擬，并對采集得到的環(huán)境參數(shù)及噪聲振動數(shù)據(jù)進行分析，生成檢測報告。運用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，簡化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)過程。運行實時操作系統(tǒng)對復(fù)雜的聲音振動分析計算進行資源分流，并保證了系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠的運行。
風(fēng)電測控系統(tǒng)將兩個齒輪箱產(chǎn)品放置在步進電機主軸的兩側(cè)同時進行檢測，依靠步進電機的帶動模擬齒輪箱實際工作狀況。按照圖1所示，分為三個階段驅(qū)動電機運行，第一個階段給齒輪箱加載283kNm的負載，電機首先以1620r/min的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)60分鐘，然后再以同樣的速度反轉(zhuǎn)60分鐘，如此重復(fù)三次，每次加載不同的負載，第二三階段的負載分別為566kNm、850kNm。電機穩(wěn)定運行狀態(tài)下，檢測環(huán)境參數(shù)及振動噪聲相關(guān)指標，評定齒輪箱產(chǎn)品質(zhì)量。
1.系統(tǒng)總體設(shè)計
主要包含運動控制子系統(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。
運動控制子系統(tǒng)包含運動決策模塊、分布式運動控制器和步進電機。決策模塊向指定的運動控制器發(fā)送指令，控制器根據(jù)決策模塊指令和電機反饋參量調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。
環(huán)境參數(shù)測試子系統(tǒng)負責(zé)在電機轉(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。
振動噪聲測試子系統(tǒng)負責(zé)測量電機系統(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行實時分析和離線分析。對聲音振動信號的實時分析對系統(tǒng)的計算能力提出較高的要求。
測控系統(tǒng)采用上下位機架構(gòu)。上位機為監(jiān)控終端和人機界面，包含運動控制決策模塊、數(shù)據(jù)存儲及離線分析模塊和通信模塊、參數(shù)顯示模塊等，運行Windows操作系統(tǒng)。下位機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。
2.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、運動控制部分、嵌入式控制器及監(jiān)控終端等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？傮w架構(gòu)采用NI公司PXI總線設(shè)備，機箱為可集成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，控制步進電機運行，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)和振動噪聲信號進行數(shù)據(jù)采集。
實時控制器應(yīng)用程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行處理，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，例如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。
2.1環(huán)境參數(shù)信號調(diào)理
由于現(xiàn)場強電弱電環(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要求。為了保證設(shè)備及人員安全并準確采集傳感器信號，首先，將試驗臺、數(shù)字量控制柜及測量系統(tǒng)機柜單點接地，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行隔離、放大、濾波，最大限度的提高測量精度。
在本系統(tǒng)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行信號調(diào)理，通過SCXI-1125隔離輸入模塊對壓力信號進行隔離、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。
2.2振動噪聲采集
對振動噪聲信號的采集，試驗方法關(guān)心24個測試點振動信號的相位關(guān)系，因此要求系統(tǒng)對振動信號進行同步采集。系統(tǒng)采用8通道NIPXI-4472動態(tài)信號分析儀對噪聲和振動信號進行采集，根據(jù)試驗標準，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機箱2槽的PXI-4472作為主板卡．ｍａｓｔｅｒDevice)，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：
2.3嵌入式控制器
齒輪箱測試試驗標準要求試驗過程中每隔15分鐘進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行頻帶能量計算，噪聲信號需要進行等效聲壓級計算。這就要求我們每次計算對時域振動噪聲信號以80kS/s采樣率采集2秒，連續(xù)進行16次采集及計算。一次實時處理的程序代碼如圖4所示。
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