The Challenge:
構建機器狀態監控係統有特定的要求：適應現場惡劣環境
、豐富靈活的傳感器/ 數采接口、信號處理的專業軟件以及實時性可靠性等要求。

The Solution:
係統由旋轉機械平台、傳感器、NI CompactRIO和PDA四大部分組成。NI CompactRIO主要負責信號采集和處理工作
，手持PDA運行人機界麵，提供數據查看和控製指令。運行在CompactRIO FPGA芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)程(cheng)序(xu)負(fu)責(ze)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)和(he)高(gao)速(su)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)，並(bing)對(dui)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)判(pan)斷(duan)預(yu)警(jing)。實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)的(de)程(cheng)序(xu)負(fu)責(ze)把(ba)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)接(jie)口(kou)發(fa)送(song)到(dao)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)，同(tong)時(shi)接(jie)收(shou)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)送(song)過(guo)來(lai)的(de)指(zhi)令(ling)。

1. 監控對象和傳感器

監控對象我們選用Spectraquest 公(gong)司(si)的(de)軸(zhou)承(cheng)平(ping)衡(heng)故(gu)障(zhang)仿(fang)真(zhen)器(qi)。這(zhe)個(ge)仿(fang)真(zhen)器(qi)用(yong)於(yu)演(yan)示(shi)和(he)研(yan)究(jiu)運(yun)行(xing)中(zhong)軸(zhou)承(cheng)故(gu)障(zhang)和(he)非(fei)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)。仿(fang)真(zhen)器(qi)有(you)一(yi)個(ge)交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)旋(xuan)轉(zhuan)設(she)備(bei)
，交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)麵(mian)板(ban)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)麵(mian)板(ban)上(shang)的(de)按(an)鈕(niu)和(he)旋(xuan)鈕(niu)改(gai)變(bian)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)。旋(xuan)轉(zhuan)設(she)備(bei)內(nei)置(zhi)一(yi)個(ge)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可(ke)提(ti)供(gong)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)信(xin)號(hao)。轉(zhuan)軸(zhou)上(shang)安(an)裝(zhuang)了(le)兩(liang)個(ge)鋁(lv)製(zhi)飛(fei)輪(lun)，在(zai)每(mei)個(ge)飛(fei)輪(lun)上(shang)有(you)大(da)小(xiao)兩(liang)圈(quan)等(deng)間(jian)隔(ge)的(de)孔(kong)
，用(yong)於(yu)安(an)裝(zhuang)配(pei)重(zhong)。通(tong)過(guo)在(zai)不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)安(an)裝(zhuang)配(pei)重(zhong)來(lai)實(shi)現(xian)不(bu)平(ping)衡(heng)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)效(xiao)果(guo)。整(zheng)個(ge)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)構(gou)外(wai)套(tao)有(you)一(yi)個(ge)玻(bo)璃(li)罩(zhao)子(zi)，用(yong)以(yi)保(bao)護(hu)使(shi)用(yong)者(zhe)。

本係統主要監控旋轉機械設備的動態特性，因此需要測量軸承振動

、軸心偏移以及轉速信號。振動信號采用4個IEPE振動傳感器
，分別測量軸前後段水平和垂直兩個方向的振動
，安裝在軸承座上，如圖 2左所示。IEPE 是振動傳感器的一個工業標準
，核心由兩部分組成：感受力的壓電材料和放大信號的集成電路。這種傳感器具有靈敏、動態範圍大、信噪比高、信號調理方便等特點。這裏選用的振動傳感器是上海北智技術有限公司的14115 型工業測振傳感器，測量範圍是250 g
，靈敏度是100 mv/g。womenshiyongdianwoliushiweiyichuanganqiceliangzhuanzhoupianyi
，zhezhongchuanganqitongguodianciganyingxiaoyingceliangbeicejinshudaotijutantoudejuli。zhuanzhouqiahaoshijinshuti
，tongshiweiyichuanganqishifeijiechushide，celiangshibuhuiyingxiangzhuanzhoubenshendeyundong。zaichuizhiyuzhouxiandepingmianfangzhiyigezhijia，rutu 2右所示，與垂直方向夾角分別是45度和-45度安放兩個位移傳感器
，這樣可以測量軸心偏移。這裏選用的位移傳感器是北京京儀北方儀器儀表有限公司的ϕ8 mm 探頭的電渦流傳感器。量程是2 mm，靈敏度8mv/um。傳感器的輸出電壓很小，產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 的直流供電。

圖 2傳感器的安裝

轉速信號是由故障仿真器自帶的光電傳感器提供，每轉一圈就會有一個脈衝信號。信號脈衝高電平為5V。

2. 係統的設計平台配置（NI CompactRIO 的選型）

NI CompactRIO 平台提供了豐富的數據采集模塊。振動傳感器選擇的是IEPE 的加速度傳感器，係統使用NI 9234 同步動態信號采集卡，NI 9234 作為4 通道C 係列同步動態信號采集模塊

，可連接IEPE 與非IEPE 傳感器，進行高精度振動/ 音頻信號測量。NI 9234具有102 dB動態範圍，對IEPE加速度傳感器提供信號調理和交流耦合的功能。采集通道還提供自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器，同時以每通道高達51.2 kHz 的速率對信號進行數字化。

對於位移信號和轉速信號選擇NI 9239 采集卡，NI 9239 模塊包括4 條同步采樣的模擬輸入通道

，每通道是24 位模數轉換器。轉速傳感器給出的是脈衝信號，我們把它當作模擬信號采集後在FPGA 上提取轉速/ 周期信號。

傳感器和信號采集卡如表 1所示：

信號	傳感器	通道數	信號調理	采集卡
振動	加速度計	4	采集卡提供4mA激勵	NI 9234
位移	電渦流傳感器	2	前置放大器	NI 9239
轉速	轉速計	1	不需要

表 1傳感器-信號采集卡對照表

在采集的同時
，程序還對各路信號進行監測和分析
，當某信號超過閾值
，係統會有預警信息，我們通過NI 9474 的DO通道控製報警燈閃滅來實現。

控製器選擇和機箱分別選擇NI 9014 和NI 9103。NI cRIO-9014 嵌入式實時控製器具有一個400 MHz Freescale MPC5200 的工業實時處理器，實現信號處理、網絡通信
、文件管理等確定可靠的實時應用。目前係統需要3個采集模塊
，我們使用NI 9103 四槽機箱。實際的機器狀態監控平台可能還需要壓力
、溫度、應變，如果采集模塊增加，還可以選擇8 槽的9104 機箱。

3. 係統的軟件架構

整個係統的軟件由三部分組成，如圖 3所示。運行在FPGA芯(xin)片(pian)的(de)程(cheng)序(xu)負(fu)責(ze)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)和(he)高(gao)速(su)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)
，並(bing)對(dui)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)判(pan)斷(duan)預(yu)警(jing)。實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)的(de)程(cheng)序(xu)負(fu)責(ze)把(ba)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)接(jie)口(kou)發(fa)送(song)到(dao)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)，同(tong)時(shi)接(jie)收(shou)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)送(song)過(guo)來(lai)的(de)指(zhi)令(ling)。人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)運(yun)行(xing)在(zai)一(yi)台(tai)手(shou)持(chi)的(de)PDA 設備上。

圖 3 軟件架構

運行在FPGA上的程序承擔了所有的采集和信號處理工作，FPGA 程序控製各個采集模塊
，獲得精確同步的采集振動、位移和轉速計的信號。然後進行信號處理的工作。首先FPGA 從轉速計的方波信號中提取轉速/ 周期信息
，再基於轉速/ zhouqishujujinxinggaosudezhongcaiyangchuli
，bazhendongheweiyixinhaocongdengshijianjiangecaiyangbianhuanweimeigezhouqineidengjiangecaiyang。jiezheduizhendongxinhaozuojiecibianhuanhejinyibudefenxichuli
， FPGA同時對位移信號做軸偏的分析
、所有信號的時域分析，計算有效值、直流分量等，並對一些振動
、位移信號做門限判斷，通過DIO 控製LED燈指示正常狀態或者報警。此外，運行於FPGA上的程序還會把處理過程中的中間結果和最終數據通過DMA 通道發送到實時控製器上。

運行在實時控製器上的程序把FPGA 送上來的數據通過TCP/IP 網絡發送給PDA。PDA運行的人機界麵程序會根據用戶對控件的點擊顯示不同的處理結果，用戶可以看到瀑布圖
、軸心偏移軌跡、階次圖、倍頻值等數據。另外這個監控係統還有一個短信通知功能
，控製器通過串口控製GSM Modem，Modem中有一張普通的SIM卡，控製器通過串口指令可以把監控數據
、狀態或者報警信息通過短消息的方式發送到手機上。用戶可以通過PDA 的用戶界麵來指定發送內容、時間和目標手機。此外
，還可以通過GSM Modem撥號上網，把NI CompactRIO 係統接入Internet，即使沒有網線，網絡上任意一台設備也可以建立與NI CompactRIO 的數據連接。

係統設計結果

這套以NI CompactRIO為(wei)核(he)心(xin)的(de)機(ji)器(qi)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)，首(shou)先(xian)，具(ju)有(you)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)處(chu)理(li)的(de)能(neng)力(li)，保(bao)證(zheng)了(le)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)，對(dui)於(yu)危(wei)險(xian)狀(zhuang)態(tai)能(neng)夠(gou)提(ti)前(qian)判(pan)斷(duan)並(bing)預(yu)警(jing)。其(qi)次(ci)控(kong)製(zhi)器(qi)運(yun)行(xing)了(le)實(shi)時(shi)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)，對(dui)FPGA和對網絡都有靈活的接口函數，整個處理過程完全在NI CompactRIO 上實現，並對外提供數據發布接口
，這樣既保證了係統的穩定可靠，又使得係統可以方便的加入人機界麵功能。此外通過串口控製GSM Modem發送短信和無線接入Internet
，也是本係統的一大亮點。

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