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：本文描述了基於PXI總線技術的風電測控係統的軟硬件設計。係統借助LabVIEW虛擬儀器平台開發了性能優越的應用程序；運用PXI硬件的定時觸發性能和集成模塊化特點，提高了係統測試精度，簡化並加速了複雜係統的軟硬件設計開發過程；結合實時操作係統的時間精確性及可靠性，加快了數據實時分析處理的速度。
關鍵詞：PXI總線技術；虛擬儀器；LabVIEW；風力發電機；齒輪箱；噪聲；振動
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，麵向儀器係統的PCI擴展）是一種堅固的基於PC的測量和自動化平台。PXI充分利用了當前最普及的台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，並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係統的高性能、低成本運載平台。
本文描述了基於PXI總zong線xian技ji術shu的de風feng電dian測ce控kong係xi統tong。係xi統tong通tong過guo直zhi流liu調tiao速su設she備bei控kong製zhi電dian機ji對dui風feng力li發fa電dian機ji齒chi輪lun箱xiang產chan品pin進jin行xing實shi際ji運yun行xing環huan境jing模mo擬ni，並bing對dui采cai集ji得de到dao的de環huan境jing參can數shu及ji噪zao聲sheng振zhen動dong數shu據ju進jin行xing分fen析xi，生sheng成cheng檢jian測ce報bao告gao。運yun用yongPXI硬件優越的定時、觸發性能及LabVIEW虛xu擬ni儀yi器qi軟ruan件jian開kai發fa平ping台tai，簡jian化hua並bing加jia速su了le複fu雜za係xi統tong的de開kai發fa過guo程cheng。運yun行xing實shi時shi操cao作zuo係xi統tong對dui複fu雜za的de聲sheng音yin振zhen動dong分fen析xi計ji算suan進jin行xing資zi源yuan分fen流liu，並bing保bao證zheng了le係xi統tong長chang期qi穩wen定ding可ke靠kao的de運yun行xing。
風電測控係統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分鍾，然後再以同樣的速度反轉60分鍾，如此重複三次，每次加載不同的負載，第二三階段的負載分別為566kNm、850kNm。電機穩定運行狀態下，檢測環境參數及振動噪聲相關指標，評定齒輪箱產品質量。
- 係統總體設計
主要包含運動控製子係統、環境參數測試子係統和振動噪聲測試子係統三個部分。
運動控製子係統包含運動決策模塊、分(fen)布(bu)式(shi)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)。決(jue)策(ce)模(mo)塊(kuai)向(xiang)指(zhi)定(ding)的(de)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)發(fa)送(song)指(zhi)令(ling)，控(kong)製(zhi)器(qi)根(gen)據(ju)決(jue)策(ce)模(mo)塊(kuai)指(zhi)令(ling)和(he)電(dian)機(ji)反(fan)饋(kui)參(can)量(liang)調(tiao)整(zheng)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)和(he)旋(xuan)轉(zhuan)方(fang)向(xiang)。
環境參數測試子係統負責在電機轉速穩定期間采集溫度、壓ya力li等deng環huan境jing參can量liang，並bing按an照zhao用yong戶hu指zhi定ding的de報bao警jing範fan圍wei檢jian測ce各ge環huan境jing參can量liang，判pan斷duan電dian機ji狀zhuang態tai是shi否fou正zheng常chang，若ruo環huan境jing參can量liang報bao警jing，係xi統tong通tong過guo數shu字zi量liang輸shu出chu驅qu動dong繼ji電dian器qi和he接jie觸chu器qi關guan斷duan電dian機ji。
振zhen動dong噪zao聲sheng測ce試shi子zi係xi統tong負fu責ze測ce量liang電dian機ji係xi統tong環huan境jing噪zao聲sheng及ji產chan品pin多duo個ge位wei置zhi振zhen動dong信xin號hao的de同tong步bu采cai集ji，並bing對dui聲sheng音yin振zhen動dong信xin號hao進jin行xing實shi時shi分fen析xi和he離li線xian分fen析xi。對dui聲sheng音yin振zhen動dong信xin號hao的de實shi時shi分fen析xi對dui係xi統tong的de計ji算suan能neng力li提ti出chu較jiao高gao的de要yao求qiu。
測控係統采用上下位機架構。上位機為監控終端和人機界麵，包含運動控製決策模塊、數據存儲及離線分析模塊和通信模塊、參數顯示模塊等，運行Windows操作係統。下位機包含嵌入式實時控製器、信號調理模塊、環境參數采集模塊、報警檢測模塊、振動噪聲采集模塊及通信模塊。
- 係統硬件設計
係統硬件包含環境參數信號調理及采集部分、振動噪聲采集部分、數字I/O部分、信號電氣連接器部分、運動控製部分、嵌入式控製器及監控終端等。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，嵌入式控製器為PXI-8106，外設模塊包括4塊動態信號分析儀PXI-4472用來采集振動噪聲信號，1塊數字I/O PXI-6528，1塊數據采集卡PXI-6221。環境參數信號調理部分使用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。數據采集卡通過機箱背板總線控製信號調理模塊，減少了電纜連接，提高了係統的集成度和擴展性。
監控終端應用程序將用戶配置好的試驗流程信息使用TCP/IP協議下載到PXI-8106嵌入式實時控製器，運行在實時控製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台應該打開的電磁閥，由PXI-6528驅動繼電器完成，同樣監控終端按照流程配置通過Profibus通(tong)信(xin)卡(ka)設(she)定(ding)直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)器(qi)轉(zhuan)速(su)，控(kong)製(zhi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)，使(shi)齒(chi)輪(lun)箱(xiang)產(chan)品(pin)處(chu)於(yu)試(shi)驗(yan)要(yao)求(qiu)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)。工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)穩(wen)定(ding)後(hou)，對(dui)環(huan)境(jing)參(can)數(shu)和(he)振(zhen)動(dong)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)。
實時控製器應用程序對采集的數據進行處理，按照流程配置信息決定當前時刻哪些環境參數需要進行報警檢測；如發生報警按照用戶配置的報警等級決定流程執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據需要存入硬盤。
- 環境參數信號調理
由於現場強電弱電環境並存、直zhi流liu調tiao速su器qi中zhong變bian頻pin器qi的de使shi用yong等deng，導dao致zhi電dian磁ci環huan境jing比bi較jiao複fu雜za，這zhe對dui傳chuan感gan器qi變bian送song器qi等deng弱ruo電dian信xin號hao的de傳chuan輸shu和he采cai集ji提ti出chu了le較jiao高gao要yao求qiu。為wei了le保bao證zheng設she備bei及ji人ren員yuan安an全quan並bing準zhun確que采cai集ji傳chuan感gan器qi信xin號hao，首shou先xian，將jiang試shi驗yan台tai、數字量控製櫃及測量係統機櫃單點接地，避免地環幹擾；其次，各傳感器信號線及激勵線經過屏蔽接入測量係統，減小電磁幹擾；最後使用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。
在本係統風電齒輪箱產品測試中，溫度、壓力等環境參數分別使用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線製接入係統。環境參數屬於緩變信號，係統使用4Hz低通濾波器消除50~60Hz工頻幹擾。
- 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係，因此要求係統對振動信號進行同步采集。係統采用8通道NI PXI-4472動態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係統時鍾，將這個統一的時鍾信號通過PXI時鍾觸發同步總線傳遞到各個模塊。
要做到模塊間真正的同步，除時鍾信號統一外，還需要觸發信號觸發各模塊同時開始工作，係統將插在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)，從主板卡發送觸發信號，該信號通過星形觸發總線(Star Trigger)到達各從板卡，電路設計上保證了星形觸發線傳送到每個模塊的時間相等，觸發信號偏斜小於1ns，主板卡到各從板卡之間的時延不超過5ns。利用PXI高度集成的時鍾觸發特性，以較高的性價比，完成了對多個振動噪聲通道的同步數據采集。
以一塊主板卡、一塊從板卡為例，以上同步觸發工作通過LabVIEW編程實現的代碼如圖3：
- 嵌入式控製器
齒輪箱測試試驗標準要求試驗過程中每隔15分鍾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，對於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行、環境參數采集、運動控製通信及數字I/O通(tong)信(xin)等(deng)多(duo)項(xiang)任(ren)務(wu)，這(zhe)對(dui)處(chu)理(li)器(qi)的(de)速(su)度(du)和(he)內(nei)存(cun)提(ti)出(chu)了(le)很(hen)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。另(ling)外(wai)由(you)於(yu)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)器(qi)以(yi)及(ji)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)，控(kong)製(zhi)器(qi)必(bi)須(xu)連(lian)續(xu)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)，對(dui)危(wei)險(xian)狀(zhuang)況(kuang)具(ju)備(bei)緊(jin)急(ji)決(jue)斷(duan)能(neng)力(li)，因(yin)此(ci)為(wei)保(bao)證(zheng)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)時(shi)間(jian)精(jing)確(que)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)可(ke)靠(kao)性(xing)，在(zai)PXI-8106嵌入式控製器上運行實時操作係統，負責流程執行、數據采集、數據實時處理等時間緊急任務，使用TCP/IP協議通過千兆以太網卡與上位監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控終端程序進行處理。
如果將監控終端應用程序和嵌入式實時控製器程序合並到一台運行Windows操作係統的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運行16次需要4~5fenzhong，jisuanguochengzhong，ziyuanjibenhaojin，youshihaihuichuxianneicunyichudeqingkuang。xitongyingyongchengxuzaishishikongzhiqizhongkeduliyunxing，baozhenggaoyouxianjideshujucaijihekongzhirenwuyouxianzhixing，erqieshishicaozuoxitongbuxuyaowaiweishebei，danrenwuyunxingpingtai，houtaichengxuhefuwushao，zaizheyangdexitongshejibaozhengxia，neicunheCPU資源得到分流，上述代碼執行16次僅需40miao，yingyongchengxudeshijianjingquexinghewendingxingdedaotigao，lingwaiyouyuyunxingzaishishicaozuoxitongshangdeyingyongchengxushiyongduoxianchengjishubiancheng，yujiankongzhongduandetongxinzaijisuanzhixingguochengzhongjibenbushouyingxiang，xitongdexingnengdedaodadadegaishan。
- 信號電氣連接器
係統數據采集及控製部分基於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。為了保證整個係統的可擴展性、可更換性、維修簡易性，測試係統到現場傳感器執行器之間必須具備擴展性強，可靠性強的信號電氣連接器。
為實現測試係統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幹擾必須控製在測試所允許的範圍內。
係統設計了混裝模塊連接器實現到現場的電氣連接。將信號分為環境參數、數字I/O信號及噪聲振動信號三組電氣連接，使用DIN標準外殼和鋁製框分別封裝，接口采用線簧連接器。插拔次數大於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點。使用耐高溫的高質量屏蔽線纜進行連接。如圖5所示。
- 係統軟件設計
本係統的軟件使用LabVIEW開發。LabVIEW是高效圖形化應用開發環境，結合了簡單易用的圖形化開發方式和靈活強大的編程語言的優勢合而為一。係統分為監控終端程序、嵌入式控製器程序兩部分。
為了保證程序結構的可擴展性和可延續性，係統將整個軟件劃分為如圖6所示的層次結構。以通信層為界，用戶界麵層和管理層在程序結構處於監控終端，而測試流程控製層、硬件驅動層屬於嵌入式控製器。通信層為監控終端和嵌入式控製器建立數據引擎和標準接口。
用戶界麵層：負責人機對話和數據顯示等。
- 管理層：包括對係統硬件資源、標定信息、試驗流程配置、試驗操作以及試驗數據進行管理。
- 通信層：為主控終端提供原始數據引擎和狀態數據引擎。為實時采集係統提供配置信息和命令數據引擎。
- 測試流程控製層：這zhe一yi層ceng是shi執zhi行xing端duan層ceng次ci的de核he心xin結jie構gou，負fu責ze解jie析xi管guan理li層ceng的de配pei置zhi信xin息xi和he命ming令ling參can數shu並bing控kong製zhi程cheng序xu按an照zhao用yong戶hu配pei置zhi的de測ce試shi流liu程cheng執zhi行xing。同tong時shi向xiang硬ying件jian驅qu動dong層ceng發fa送song指zhi令ling和he提ti取qu數shu據ju、分析數據，將原始數據和處理結果傳送到通信層。
- 硬件驅動層：為測試流程控製層和數據采集輸入設備、振動噪聲采集設備、數字I/O設備等建立標準接口，從輸入設備采集數據並發送到試驗流程控製層。
係統軟件可以適應多種試驗方法，具有配置靈活，功能強大，界麵美觀等特點。監控終端程序主界麵及報表如圖7所示。
- 總結
本文運用PXI總線技術實現了風電測控係統的軟硬件設計。係統利用PXI硬件、實時操作係統和LabVIEW虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)編(bian)程(cheng)平(ping)台(tai)實(shi)現(xian)了(le)係(xi)統(tong)高(gao)精(jing)度(du)同(tong)步(bu)觸(chu)發(fa)特(te)性(xing)，縮(suo)短(duan)了(le)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)，提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)，加(jia)快(kuai)了(le)數(shu)據(ju)實(shi)時(shi)分(fen)析(xi)處(chu)理(li)的(de)速(su)度(du)。滿(man)足(zu)風(feng)電(dian)齒(chi)輪(lun)箱(xiang)測(ce)試(shi)試(shi)驗(yan)標(biao)準(zhun)。整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)現(xian)場(chang)運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)，已(yi)成(cheng)功(gong)應(ying)用(yong)於(yu)歌(ge)美(mei)颯(sa)風(feng)電(dian)齒(chi)輪(lun)箱(xiang)產(chan)品(pin)生(sheng)產(chan)線(xian)檢(jian)測(ce)並(bing)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)。
參考文獻
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- NI PXI 白皮書. 上海，2008.
