作者：黃鑫1，汪海波1，王延明2，曹磊2（1，北京中科泛華測控技術有限公司，北京 100083；2，歌美颯風電（天津）有限公司，天津 300384）
摘要：本文描述了基于PXI總線技術的風電測控系統(tǒng)的軟硬件設計。系統(tǒng)借助LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)了性能優(yōu)越的應用程序；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，簡化并加速了復雜系統(tǒng)的軟硬件設計開發(fā)過程；結合實時操作系統(tǒng)的時間精確性及可靠性，加快了數(shù)據實時分析處理的速度。
關鍵詞：PXI總線技術；虛擬儀器；LabVIEW；風力發(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充分利用了當前最普及的臺式計算機高速標準結構——PCI，結合了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總線技術的風電測控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過直流調速設備控制電機對風力發(fā)電機齒輪箱產品進行實際運行環(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，簡化并加速了復雜系統(tǒng)的開發(fā)過程。運行實時操作系統(tǒng)對復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。
風電測控系統(tǒng)將兩個齒輪箱產品放置在步進電機主軸的兩側同時進行檢測，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的轉速正轉60分鐘，然后再以同樣的速度反轉60分鐘，如此重復三次，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)及振動噪聲相關指標，評定齒輪箱產品質量。
- 系統(tǒng)總體設計
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，控制器根據決策模塊指令和電機反饋參量調整電機的轉速和旋轉方向。
環(huán)境參數(shù)測試子系統(tǒng)負責在電機轉速穩(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)字量輸出驅動繼電器和接觸器關斷電機。
振動噪聲測試子系統(tǒng)負責測量電機系統(tǒng)環(huán)境噪聲及產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。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)硬件設計
系統(tǒng)硬件包含環(huán)境參數(shù)信號調理及采集部分、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。硬件結構圖如圖2所示。總體架構采用NI公司PXI總線設備，機箱為可集成SCXI模塊的PXI-1050，嵌入式控制器為PXI-8106，外設模塊包括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)據采集卡PXI-6221。環(huán)境參數(shù)信號調理部分使用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)據采集卡通過機箱背板總線控制信號調理模塊，減少了電纜連接，提高了系統(tǒng)的集成度和擴展性。
監(jiān)控終端應用程序將用戶配置好的試驗流程信息使用TCP/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用程序按照自動流程信息配置決定當前時刻試驗臺應該打開的電磁閥，由PXI-6528驅動繼電器完成，同樣監(jiān)控終端按照流程配置通過Profibus通信卡設定直流調速器轉速，控制步進電機運行，使齒輪箱產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)據采集。
實時控制器應用程序對采集的數(shù)據進行處理，按照流程配置信息決定當前時刻哪些環(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)據需要存入硬盤。
- 環(huán)境參數(shù)信號調理
由于現(xiàn)場強電弱電環(huán)境并存、直流調速器中變頻器的使用等，導致電磁環(huán)境比較復雜，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過屏蔽接入測量系統(tǒng)，減小電磁干擾；最后使用SCXI調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)風電齒輪箱產品測試中，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。
- 振動噪聲采集
對振動噪聲信號的采集，試驗方法關心24個測試點振動信號的相位關系，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NI PXI-4472動態(tài)信號分析儀對噪聲和振動信號進行采集，根據試驗標準，齒輪箱測試關心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(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)到達各從板卡，電路設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：
- 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。
除上述振動噪聲采集計算外，處理器還要同時進行流程執(zhí)行、環(huán)境參數(shù)采集、運動控制通信及數(shù)字I/O通信等多項任務，這對處理器的速度和內存提出了很高的要求。另外由于系統(tǒng)需要實時監(jiān)控直流調速器以及電機運行狀態(tài)，控制器必須連續(xù)穩(wěn)定運行，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嵌入式控制器上運行實時操作系統(tǒng)，負責流程執(zhí)行、數(shù)據采集、數(shù)據實時處理等時間緊急任務，使用TCP/IP協(xié)議通過千兆以太網卡與上位監(jiān)控終端工控機進行通信，將配置、顯示、存儲、報表及查詢等非實時任務轉移到監(jiān)控終端程序進行處理。
如果將監(jiān)控終端應用程序和嵌入式實時控制器程序合并到一臺運行Windows操作系統(tǒng)的PC機（配置和PXI-8106相同）上運行，采集程序和圖4所示的計算代碼連續(xù)運行16次需要4~5分鐘，計算過程中，資源基本耗盡，有時還會出現(xiàn)內存溢出的情況。系統(tǒng)應用程序在實時控制器中可獨立運行，保證高優(yōu)先級的數(shù)據采集和控制任務優(yōu)先執(zhí)行，而且實時操作系統(tǒng)不需要外圍設備，單任務運行平臺，后臺程序和服務少，在這樣的系統(tǒng)設計保證下，內存和CPU資源得到分流，上述代碼執(zhí)行16次僅需40秒，應用程序的時間精確性和穩(wěn)定性得到提高，另外由于運行在實時操作系統(tǒng)上的應用程序使用多線程技術編程，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)的性能得到大大的改善。
- 信號電氣連接器
系統(tǒng)數(shù)據采集及控制部分基于PXI總線設計，具有設備高度集成模塊化特性及隨之帶來的靈活性和擴展性。為了保證整個系統(tǒng)的可擴展性、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展性強，可靠性強的信號電氣連接器。
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。
系統(tǒng)設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標準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20000次，具有模塊化可擴展性強、接觸電阻小、負載電流大、抗震性能好及插拔力輕等優(yōu)點。使用耐高溫的高質量屏蔽線纜進行連接。如圖5所示。
- 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的軟件使用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW是高效圖形化應用開發(fā)環(huán)境，結合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言的優(yōu)勢合而為一。系統(tǒng)分為監(jiān)控終端程序、嵌入式控制器程序兩部分。
為了保證程序結構的可擴展性和可延續(xù)性，系統(tǒng)將整個軟件劃分為如圖6所示的層次結構。以通信層為界，用戶界面層和管理層在程序結構處于監(jiān)控終端，而測試流程控制層、硬件驅動層屬于嵌入式控制器。通信層為監(jiān)控終端和嵌入式控制器建立數(shù)據引擎和標準接口。
用戶界面層：負責人機對話和數(shù)據顯示等。
- 管理層：包括對系統(tǒng)硬件資源、標定信息、試驗流程配置、試驗操作以及試驗數(shù)據進行管理。
- 通信層：為主控終端提供原始數(shù)據引擎和狀態(tài)數(shù)據引擎。為實時采集系統(tǒng)提供配置信息和命令數(shù)據引擎。
- 測試流程控制層：這一層是執(zhí)行端層次的核心結構，負責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。同時向硬件驅動層發(fā)送指令和提取數(shù)據、分析數(shù)據，將原始數(shù)據和處理結果傳送到通信層。
- 硬件驅動層：為測試流程控制層和數(shù)據采集輸入設備、振動噪聲采集設備、數(shù)字I/O設備等建立標準接口，從輸入設備采集數(shù)據并發(fā)送到試驗流程控制層。
系統(tǒng)軟件可以適應多種試驗方法，具有配置靈活，功能強大，界面美觀等特點。監(jiān)控終端程序主界面及報表如圖7所示。
- 總結
本文運用PXI總線技術實現(xiàn)了風電測控系統(tǒng)的軟硬件設計。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)據實時分析處理的速度。滿足風電齒輪箱測試試驗標準。整個系統(tǒng)現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，已成功應用于歌美颯風電齒輪箱產品生產線檢測并大大提高了生產效率。
參考文獻
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