基于NI CompactRIO为核心的轴承实时监测系统
1. 监控对象和传感器
监控对象我们选用spectraquest 公司的轴承平衡故障仿真器。这个仿真器用于演示和研究运行中轴承故障和非平衡状态。仿真器有一个交流电机驱动旋转设备，交流电机的变频器提供一个面板，用户可以通过面板上的按钮和旋钮改变电机的转速。旋转设备内置一个光电传感器，可提供电机的转速信号。转轴上安装了两个铝制飞轮，在每个飞轮上有大小两圈等间隔的孔，用于安装配重。通过在不同位置安装配重来实现不平衡的旋转效果。整个旋转机构外套有一个玻璃罩子，用以保护使用者。
图 1系统硬件连接实物图
本系统主要监控旋转机械设备的动态特性，因此需要测量轴承振动、轴心偏移以及转速信号。振动信号采用4个iepe振动传感器，分别测量轴前后段水平和垂直两个方向的振动，安装在轴承座上，如图 2左所示。iepe 是振动传感器的一个工业标准，核心由两部分组成：感受力的压电材料和放大信号的集成电路。这种传感器具有灵敏、动态范围大、信噪比高、信号调理方便等特点。这里选用的振动传感器是上海北智技术有限公司的14115 型工业测振传感器，测量范围是250 g，灵敏度是100 mv/g。我们使用电涡流式位移传感器测量转轴偏移，这种传感器通过电磁感应效应测量被测金属导体距探头的距离。转轴恰好是金属体，同时位移传感器是非接触式的，测量时不会影响转轴本身的运动。在垂直于轴线的平面放置一个支架，如图 2右所示，与垂直方向夹角分别是45度和-45度安放两个位移传感器，这样可以测量轴心偏移。这里选用的位移传感器是北京京仪北方仪器仪表有限公司的ϕ8 mm 探头的电涡流传感器。量程是2 mm，灵敏度8mv/um。传感器的输出电压很小，产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 的直流供电。
图 2传感器的安装
转速信号是由故障仿真器自带的光电传感器提供，每转一圈就会有一个脉冲信号。信号脉冲高电平为5v。
2. 系统的设计平台配置（ni compactrio 的选型）
ni compactrio 平台提供了丰富的数据采集模块。振动传感器选择的是iepe 的加速度传感器，系统使用ni 9234 同步动态信号采集卡，ni 9234 作为4 通道c 系列同步动态信号采集模块，可连接iepe 与非iepe 传感器，进行高精度振动/ 音频信号测量。ni 9234具有102 db动态范围，对iepe加速度传感器提供信号调理和交流耦合的功能。采集通道还提供自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2 khz 的速率对信号进行数字化。
对于位移信号和转速信号选择ni 9239 采集卡，ni 9239 模块包括4 条同步采样的模拟输入通道，每通道是24 位模数转换器。转速传感器给出的是脉冲信号，我们把它当作模拟信号采集后在fpga 上提取转速/ 周期信号。
传感器和信号采集卡如表 1所示：
在采集的同时，程序还对各路信号进行监测和分析，当某信号超过阈值，系统会有预警信息，我们通过ni 9474 的do通道控制报警灯闪灭来实现。
控制器选择和机箱分别选择ni 9014 和ni 9103。ni crio-9014 嵌入式实时控制器具有一个400 mhz freescale mpc5200 的工业实时处理器，实现信号处理、网络通信、文件管理等确定可靠的实时应用。目前系统需要3个采集模块，我们使用ni 9103 四槽机箱。实际的机器状态监控平台可能还需要压力、温度、应变，如果采集模块增加，还可以选择8 槽的9104 机箱。
3. 系统的软件架构
整个系统的软件由三部分组成，如图 3所示。运行在fpga芯片的程序负责数据采集和高速信号处理，并对分析结果进行判断预警。实时控制器上的程序负责把数据通过网络接口发送到人机界面，同时接收人机界面送过来的指令。人机界面运行在一台手持的pda 设备上。
图 3 软件架构
运行在fpga上的程序承担了所有的采集和信号处理工作，fpga 程序控制各个采集模块，获得精确同步的采集振动、位移和转速计的信号。然后进行信号处理的工作。首先fpga 从转速计的方波信号中提取转速/ 周期信息，再基于转速/ 周期数据进行高速的重采样处理，把振动和位移信号从等时间间隔采样变换为每个周期内等间隔采样。接着对振动信号做阶次变换和进一步的分析处理， fpga同时对位移信号做轴偏的分析、所有信号的时域分析，计算有效值、直流分量等，并对一些振动、位移信号做门限判断，通过dio 控制led灯指示正常状态或者报警。此外，运行于fpga上的程序还会把处理过程中的中间结果和最终数据通过dma 通道发送到实时控制器上。
运行在实时控制器上的程序把fpga 送上来的数据通过tcp/ip 网络发送给pda。pda运行的人机界面程序会根据用户对控件的点击显示不同的处理结果，用户可以看到瀑布图、轴心偏移轨迹、阶次图、倍频值等数据。另外这个监控系统还有一个短信通知功能，控制器通过串口控制gsm modem，modem中有一张普通的sim卡，控制器通过串口指令可以把监控数据、状态或者报警信息通过短消息的方式发送到手机上。用户可以通过pda 的用户界面来指定发送内容、时间和目标手机。此外，还可以通过gsm modem拨号上网，把ni compactrio 系统接入internet，即使没有网线，网络上任意一台设备也可以建立与ni compactrio 的数据连接。
系统设计结果
这套以ni compactrio为核心的机器状态监控系统，首先，具有高速数据采集处理的能力，保证了监控系统的实时性，对于危险状态能够提前判断并预警。其次控制器运行了实时操作系统，对fpga和对网络都有灵活的接口函数，整个处理过程完全在ni compactrio 上实现，并对外提供数据发布接口，这样既保证了系统的稳定可靠，又使得系统可以方便的加入人机界面功能。此外通过串口控制gsm modem发送短信和无线接入internet，也是本系统的一大亮点。
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图 1系统硬件连接实物图
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图 2传感器的安装
转速信号是由故障仿真器自带的光电传感器提供，每转一圈就会有一个脉冲信号。信号脉冲高电平为5v。
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ni compactrio 平台提供了丰富的数据采集模块。振动传感器选择的是iepe 的加速度传感器，系统使用ni 9234 同步动态信号采集卡，ni 9234 作为4 通道c 系列同步动态信号采集模块，可连接iepe 与非iepe 传感器，进行高精度振动/ 音频信号测量。ni 9234具有102 db动态范围，对iepe加速度传感器提供信号调理和交流耦合的功能。采集通道还提供自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2 khz 的速率对信号进行数字化。
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