摘要：

      本文描述了基于PXI總線技術的風電測控系統的軟硬件設計。系統借助LabVIEW虛擬儀器平臺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，提高了系統測試精度，簡化并加速了復雜系統的軟硬件設計開發過程；結合實時操作系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，面向儀器系統的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。系統通過直流調速設備控制電機對風力發電機齒輪箱產品進行實際運行環境模擬，并對采集得到的環境參數及噪聲振動數據進行分析，生成檢測報告。運用PXI硬件優越的定時、觸發性能及LabVIEW虛擬儀器軟件開發平臺，簡化并加速了復雜系統的開發過程。運行實時操作系統對復雜的聲音振動分析計算進行資源分流，并保證了系統長期穩定可靠的運行。

       風電測控系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。

1.系統總體設計

主要包含運動控制子系統、環境參數測試子系統和振動噪聲測試子系統三個部分。

      運動控制子系統包含運動決策模塊、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。

      環境參數測試子系統負責在電機轉速穩定期間采集溫度、壓力等環境參量，并按照用戶指定的報警范圍檢測各環境參量，判斷電機狀態是否正常，若環境參量報警，系統通過數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負責測量電機系統環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的計算能力提出較高的要求。

       測控系統采用上下位機架構。上位機為監控終端和人機界面，包含運動控制決策模塊、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操作系統。下位機包含嵌入式實時控制器、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。

2.系統硬件設計

     系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、運動控制部分、嵌入式控制器及監控終端等。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，嵌入式控制器為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制信號調理模塊，減少了電纜連接，提高了系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。工作狀態穩定后，對環境參數和振動噪聲信號進行數據采集。

      實時控制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。

2.1環境參數信號調理

      由于現場強電弱電環境并存、直流調速器中變頻器的使用等，導致電磁環境比較復雜，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、數字量控制柜及測量系統機柜單點接地，避免地環干擾；其次，各傳感器信號線及激勵線經過屏蔽接入測量系統，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線制接入系統。環境參數屬于緩變信號，系統使用4Hz低通濾波器消除50~60Hz工頻干擾。

2.2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，因此要求系統對振動信號進行同步采集。系統采用8通道NIPXI-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系統時鐘，將這個統一的時鐘信號通過PXI時鐘觸發同步總線傳遞到各個模塊。

      要做到模塊間真正的同步，除時鐘信號統一外，還需要觸發信號觸發各模塊同時開始工作，系統將插在PXI-1050機箱2槽的PXI-4472作為主板卡．ｍａｓｔｅｒDevice)，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：

2.3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。

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