行業(yè)：機(jī)械設(shè)備
應(yīng)用需求：機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)（Machine Condition Monitoring）是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備維護(hù)的重要手段，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于每一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控，它一般通過(guò)振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變等信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)分析，了解長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，一方面可以預(yù)防災(zāi)難式故障，另一方面可以有針對(duì)性制定維護(hù)計(jì)劃，進(jìn)而還可為提高機(jī)器運(yùn)行效率提供參考。由此可見(jiàn)，機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控可幫助企業(yè)消除計(jì)劃外的儲(chǔ)運(yùn)損耗、優(yōu)化機(jī)器性能、縮短返修時(shí)間并降低維護(hù)成本。因此，各種機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、船舶、冶金、制造等領(lǐng)域。
面臨的挑戰(zhàn)：能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取能耗數(shù)據(jù)，并“無(wú)縫”接入現(xiàn)場(chǎng)的信息展示系統(tǒng)中。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝必須在場(chǎng)館落成之后進(jìn)行，不能對(duì)已建成的電氣線路和建筑結(jié)構(gòu)造成任何影響當(dāng)然也不能接入銀行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。此外，系統(tǒng)的待測(cè)線路位于不同機(jī)房的兩個(gè)配電箱中，需要完成分布式采集。
解決方案：構(gòu)建機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有特定的要求：適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境、豐富靈活的傳感器/ 數(shù)采接口、信號(hào)處理的專(zhuān)業(yè)軟件以及實(shí)時(shí)性可靠性等要求。
具體實(shí)現(xiàn)方法 本系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)機(jī)械平臺(tái)、傳感器、CompactRIO和PDA四大部分組成。CompactRIO主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集和處理工作，并附加一個(gè)GSM Modem，可以發(fā)送短信。手持PDA運(yùn)行人機(jī)界面，提供數(shù)據(jù)查看和控制指令。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示 1. 監(jiān)控對(duì)象和傳感器 監(jiān)控對(duì)象我們選用Spectraquest 公司的軸承平衡故障仿真器。這個(gè)仿真器用于演示和研究運(yùn)行中軸承故障和非平衡狀態(tài)。仿真器有一個(gè)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，交流電機(jī)的變頻器提供一個(gè)面板，用戶可以通過(guò)面板上的按鈕和旋鈕改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)置一個(gè)光電傳感器，可提供電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。轉(zhuǎn)軸上安裝了兩個(gè)鋁制飛輪，在每個(gè)飛輪上有大小兩圈等間隔的孔，用于安裝配重。通過(guò)在不同位置安裝配重來(lái)實(shí)現(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)效果。整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外套有一個(gè)玻璃罩子，用以保護(hù)使用者。 本系統(tǒng)主要監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，因此需要測(cè)量軸承振動(dòng)、軸心偏移以及轉(zhuǎn)速信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)采用4個(gè)IEPE振動(dòng)傳感器，分別測(cè)量軸前后段水平和垂直兩個(gè)方向的振動(dòng)，安裝在軸承座上，如圖2左所示。IEPE 是振動(dòng)傳感器的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，核心由兩部分組成：感受力的壓電材料和放大信號(hào)的集成電路。這種傳感器具有靈敏、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比高、信號(hào)調(diào)理方便等特點(diǎn)。這里選用的振動(dòng)傳感器是上海北智技術(shù)有限公司的14115 型工業(yè)測(cè)振傳感器，測(cè)量范圍是250 g，靈敏度是100 mv/g。我們使用電渦流式位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸偏移，這種傳感器通過(guò)電磁感應(yīng)效應(yīng)測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭的距離。轉(zhuǎn)軸恰好是金屬體，同時(shí)位移傳感器是非接觸式的，測(cè)量時(shí)不會(huì)影響轉(zhuǎn)軸本身的運(yùn)動(dòng)。在垂直于軸線的平面放置一個(gè)支架，如圖2右所示，與垂直方向夾角分別是45度和-45度安放兩個(gè)位移傳感器，這樣可以測(cè)量軸心偏移。這里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(chǎn)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。 轉(zhuǎn)速信號(hào)是由故障仿真器自帶的光電傳感器提供，每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)有一個(gè)脈沖信號(hào)。信號(hào)脈沖高電平為5 V。 2. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)配置（NI CompactRIO 的選型） NI CompactRIO 平臺(tái)提供了豐富的數(shù)據(jù)采集模塊。振動(dòng)傳感器選擇的是IEPE 的加速度傳感器，系統(tǒng)使用NI 9234 同步動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，NI 9234 作為4 通道C 系列同步動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，可連接IEPE 與非IEPE 傳感器，進(jìn)行高精度振動(dòng)/ 音頻信號(hào)測(cè)量。NI 9234具有102 dB動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)IEPE加速度傳感器提供信號(hào)調(diào)理和交流耦合的功能。采集通道還提供自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2 kHz 的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。 對(duì)于位移信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)速傳感器給出的是脈沖信號(hào)，我們把它當(dāng)作模擬信號(hào)采集后在FPGA 上提取轉(zhuǎn)速/ 周期信號(hào)。 傳感器和信號(hào)采集卡如下表對(duì)應(yīng)：
