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。
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ϕ8 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。

        传感器和信号采集卡如表 1所示：

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(暂不可见) 查看更多产品和应用案例，或联系聚星仪器CompactRIO技术支持。

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