基于PXI总线技术的风电测控系统

摘要：

      本文描述了基于PXI总线技术的风电测控系统的软硬件设计。系统借助LabVIEW虚拟仪器平台开发了性能优越的应用程序；运用PXI硬件的定时触发性能和集成模块化特点，提高了系统测试精度，简化并加速了复杂系统的软硬件设计开发过程；结合实时操作系统的时间精确性及可靠性，加快了数据实时分析处理的速度。

关键词：

PXI总线技术；虚拟仪器；LabVIEW；风力发电机；齿轮箱；噪声；振动

       PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构——PCI，结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

       本文描述了基于PXI总线技术的风电测控系统。系统通过直流调速设备控制电机对风力发电机齿轮箱产品进行实际运行环境模拟，并对采集得到的环境参数及噪声振动数据进行分析，生成检测报告。运用PXI硬件优越的定时、触发性能及LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，简化并加速了复杂系统的开发过程。运行实时操作系统对复杂的声音振动分析计算进行资源分流，并保证了系统长期稳定可靠的运行。

       风电测控系统将两个齿轮箱产品放置在步进电机主轴的两侧同时进行检测，依靠步进电机的带动模拟齿轮箱实际工作状况。按照图1所示，分为三个阶段驱动电机运行，第一个阶段给齿轮箱加载283kNm的负载，电机首先以1620r/min的转速正转60分钟，然后再以同样的速度反转60分钟，如此重复三次，每次加载不同的负载，第二三阶段的负载分别为566kNm、850kNm。电机稳定运行状态下，检测环境参数及振动噪声相关指标，评定齿轮箱产品质量。

1.系统总体设计

主要包含运动控制子系统、环境参数测试子系统和振动噪声测试子系统三个部分。

      运动控制子系统包含运动决策模块、分布式运动控制器和步进电机。决策模块向指定的运动控制器发送指令，控制器根据决策模块指令和电机反馈参量调整电机的转速和旋转方向。

      环境参数测试子系统负责在电机转速稳定期间采集温度、压力等环境参量，并按照用户指定的报警范围检测各环境参量，判断电机状态是否正常，若环境参量报警，系统通过数字量输出驱动继电器和接触器关断电机。

     振动噪声测试子系统负责测量电机系统环境噪声及产品多个位置振动信号的同步采集，并对声音振动信号进行实时分析和离线分析。对声音振动信号的实时分析对系统的计算能力提出较高的要求。

       测控系统采用上下位机架构。上位机为监控终端和人机界面，包含运动控制决策模块、数据存储及离线分析模块和通信模块、参数显示模块等，运行Windows操作系统。下位机包含嵌入式实时控制器、信号调理模块、环境参数采集模块、报警检测模块、振动噪声采集模块及通信模块。

2.系统硬件设计

     系统硬件包含环境参数信号调理及采集部分、振动噪声采集部分、数字I/O部分、信号电气连接器部分、运动控制部分、嵌入式控制器及监控终端等。硬件结构图如图2所示。总体架构采用NI公司PXI总线设备，机箱为可集成SCXI模块的PXI-1050，嵌入式控制器为PXI-8106，外设模块包括4块动态信号分析仪PXI-4472用来采集振动噪声信号，1块数字I/O PXI-6528，1块数据采集卡PXI-6221。环境参数信号调理部分使用SCXI模块，RTD温度输入使用SCXI-1102和SCXI-1581，压力输入使用2块SCXI-1125。数据采集卡通过机箱背板总线控制信号调理模块，减少了电缆连接，提高了系统的集成度和扩展性。

      监控终端应用程序将用户配置好的试验流程信息使用TCP/IP协议下载到PXI-8106嵌入式实时控制器，运行在实时控制器上的应用程序按照自动流程信息配置决定当前时刻试验台应该打开的电磁阀，由PXI-6528驱动继电器完成，同样监控终端按照流程配置通过Profibus通信卡设定直流调速器转速，控制步进电机运行，使齿轮箱产品处于试验要求的工作状态。工作状态稳定后，对环境参数和振动噪声信号进行数据采集。

      实时控制器应用程序对采集的数据进行处理，按照流程配置信息决定当前时刻哪些环境参数需要进行报警检测；如发生报警按照用户配置的报警等级决定流程执行跳转到不同的安全流程，例如正常停车或紧急停车；按照流程配置信息决定当前时刻是否进行振动噪声采集和实时分析；按照流程配置信息决定哪些试验数据需要存入硬盘。

2.1环境参数信号调理

      由于现场强电弱电环境并存、直流调速器中变频器的使用等，导致电磁环境比较复杂，这对传感器变送器等弱电信号的传输和采集提出了较高要求。为了保证设备及人员安全并准确采集传感器信号，首先，将试验台、数字量控制柜及测量系统机柜单点接地，避免地环干扰；其次，各传感器信号线及激励线经过屏蔽接入测量系统，减小电磁干扰；最后使用SCXI调理模块对传感器变送器信号进行隔离、放大、滤波，最大限度的提高测量精度。

      在本系统风电齿轮箱产品测试中，温度、压力等环境参数分别使用Pt100热电阻、压力变送器将物理信号转化为电信号，通过SCXI-1581电流激励模块和SCXI-1102放大输入模块对铂电阻信号进行信号调理，通过SCXI-1125隔离输入模块对压力信号进行隔离、放大、滤波。为消除线路电阻对铂电阻信号的影响，Pt100热电阻使用4线制接入系统。环境参数属于缓变信号，系统使用4Hz低通滤波器消除50~60Hz工频干扰。

2.2振动噪声采集

    对振动噪声信号的采集，试验方法关心24个测试点振动信号的相位关系，因此要求系统对振动信号进行同步采集。系统采用8通道NIPXI-4472动态信号分析仪对噪声和振动信号进行采集，根据试验标准，齿轮箱测试关心24路振动和2路噪声信号，需要使用4块PXI-4472。PXI-4472通道间可做到同步采集，为解决各模块间的同步问题，如图2所示，使用PXI-1050背板上的10MHz系统时钟，将这个统一的时钟信号通过PXI时钟触发同步总线传递到各个模块。

      要做到模块间真正的同步，除时钟信号统一外，还需要触发信号触发各模块同时开始工作，系统将插在PXI-1050机箱2槽的PXI-4472作为主板卡．ｍａｓｔｅｒDevice)，其它槽位的PXI-4472作为从板卡(Slave Device)，从主板卡发送触发信号，该信号通过星形触发总线(Star Trigger)到达各从板卡，电路设计上保证了星形触发线传送到每个模块的时间相等，触发信号偏斜小于1ns，主板卡到各从板卡之间的时延不超过5ns。利用PXI高度集成的时钟触发特性，以较高的性价比，完成了对多个振动噪声通道的同步数据采集。

以一块主板卡、一块从板卡为例，以上同步触发工作通过LabVIEW编程实现的代码如图3：

2.3嵌入式控制器

      齿轮箱测试试验标准要求试验过程中每隔15分钟进行一次振动噪声信号采集和实时频域傅立叶分析，关心的频率分辨率为0.5Hz，带宽为20kHz，16次谱平均，对于振动信号需要进行频带能量计算，噪声信号需要进行等效声压级计算。这就要求我们每次计算对时域振动噪声信号以80kS/s采样率采集2秒，连续进行16次采集及计算。一次实时处理的程序代码如图4所示。

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