測控系統(tǒng)是重要系統(tǒng)之一，缺少測控系統(tǒng)，諸多系統(tǒng)的安全性無法得以保障。對于測控系統(tǒng)，小編在往期文章中有所介紹。為增進大家對測控系統(tǒng)的認識，本文將對基于PXI總線技術的風電測控系統(tǒng)的設計方案予以介紹。
面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展PXI(PCIeXtensionsforInstrumentaTIon)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接口——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(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。
本文設計了基于PXI總線技術的風電測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過直流調速設備控制電機對風力發(fā)電機齒輪箱產品進行實際的運行環(huán)境模擬，并對采集到的環(huán)境參數及噪聲振動數據進行分析，最后生成檢測報告。本文運用PXI硬件優(yōu)越的定時、觸發(fā)性能及LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺設計系統(tǒng)的軟硬件結構，并運用實時操作系統(tǒng)對復雜的聲音振動進行分析計算和資源分流，以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。
風電測控系統(tǒng)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來模擬齒輪箱實際工作狀況。齒輪箱試驗方法如圖1所示，工作過程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60min，然后再以同樣的速度反轉60min，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。在電機穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，以檢測環(huán)境參數及振動噪聲的相關指標來評定齒輪箱產品的質量。
1.系統(tǒng)總體設計
整個系統(tǒng)主要包含運動控制子系統(tǒng)、環(huán)境參數測試子系統(tǒng)和振動噪聲測試子系統(tǒng)三個部分。
運動控制子系統(tǒng)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(fā)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(huán)境參數測試子系統(tǒng)負責在電機轉速穩(wěn)定期間采集溫度、壓力等環(huán)境參量，并按照用戶指定的報警范圍檢測各環(huán)境參量，判斷電機狀態(tài)是否正常，若環(huán)境參量報警，系統(tǒng)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(tǒng)負責測量電機系統(tǒng)環(huán)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。
測控系統(tǒng)采用上下位機架構。上位機為監(jiān)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、通信模塊和參數顯示模塊等。下位機包含嵌入式實時控制器、信號調理模塊、環(huán)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(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件包含環(huán)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(jiān)控終端等。硬件結構如圖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(tài)信號分析儀PXI-4472用來采集振動噪聲信號，1塊數字I/OPXI-6528，1塊數據采集卡PXI-6221。環(huán)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(tǒng)的集成度和擴展性。
監(jiān)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(xié)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(jiān)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(tài)。工作狀態(tài)穩(wěn)定后，對環(huán)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(huán)境參數需要進行報警檢測，如發(fā)生報警按照用戶配置的報警等級決定流程執(zhí)行跳轉到不同的安全流程，像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。
3.環(huán)境參數信號調理
由于現場強電弱電環(huán)境并存、直流調速器中變頻器的使用等，導致電磁環(huán)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的要求。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(tǒng)機柜單點接地，避免地環(huán)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(tǒng)，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，最大限度地提高測量精度。
在本系統(tǒng)的風電齒輪箱產品測試中，溫度、壓力等環(huán)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(tǒng)。環(huán)境參數屬于緩變信號，系統(tǒng)使用4Hz低通濾波器消除50～60Hz工頻干擾。