便携式离线监测控制系统设计

AaronSpark

　　作者：马子余来源：浙江轻纺职业技术学院

　　[摘要]：本课题是针对中小型机构设备状态监测和故障诊断的需要，设计了一套离线式运行监测控制系统的硬件平台。在设备故障诊断和检测上有较大的使用价值和经济效益。?

　　[关键词]：离线监测;抗混滤波;信号调理?

　　设备故障诊断技术是七、八十年代得到迅速发展的一项新技术。随着现代大生产的发展和科技的进步，设备的复杂程度日益提高，如何保证设备的安全运行，已成为一个十分迫切的问题，设备故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之一，它能对设备故障的发展作出早期预报，对出现故障的原因作出判断，提出对策建议，避免或减少事故的发生。故障诊断技术的普遍应用将改变设备的维修体制，从现行的“定期维修”向更合理的“视情维修”转变，因此，设备故障诊断技术的应用会带来巨大的经济效益，日益得到国内外的广泛重视。

　　虽然，实时在线监测已成为现代设备状态监测和故障诊断技术发展的趋势和必然要求。但在国内，电力、化工、石化等行业的大型机构往往安装在厂区的不同位置，比较分散，这对在线系统来说存在地域性局限，因此，一般的在线监测和诊断系统都采用了分布式计算机网络，或主、从计算机并行工作方式。建立一套功能完备的国产在线监测和诊断系统，往往需上百万的巨额花费。采用进口系统就更不用说。而一般在工厂中的各个设备，同时出现故障的机会很少，同时对每套设备都备监测系统不但花费大，也没有必要。因此采用离线系统进行定时或不定时的巡检对一般的中小型机械来说就能满足要求，可见，离线监测系统对大量面广的中小型机器来说具有极大的优势。离线系统适用面广、系统构成灵活，有较好的扩展性和通用性，它能弥补在线式监测及故障诊断系统的地域性局限等不足。离线监测系统有着广泛的应有前景。?

　　本课题是针对中小型机构设备状态监测和故障诊断的需要，设计一套离线式运行监测控制系统的硬件平台。

　　?一、硬件平台的设计思想

　　1、计算机结构?

　　离线系统的一个主要特点就是要重量轻，便于携带，这样才能便于定时或不定时的巡检。因此在计算机的选择上不外乎有两种方案：便携式笔记本电脑和便携式工控机。笔记本电脑由于体积方面的原因，机身没有扩展槽，需靠专用的扩展箱才能插入数据采集卡。目前，只有少数笔记本电脑带有扩展箱，而且，扩展箱的PC总线接口并无统一标准，这给笔记本电脑的选型、升级带来了诸多的问题，从而影响产品的推广。另外，笔记本电脑本身不是为工业现场用而设计的，因此好多现场可能出现的情况它并没有在结构上加于考虑，这样用于工业现场测试时就会出很多的问题，如现场静电、电磁、振动等现象的干扰。但上述问题对便携式工控机来说就不存在了，它以工业级PC总线CPU主板为核心，采用了无源总线底板结构，可以提供多个PC总线I/0扩展槽，用于安装标准PC总线I/0接口板，这样就克服了普通便携机扩展性差的缺点;采用LCD液晶显示系统，体积小，重量轻，辐射少，低功耗，克服了台式机不便携带和移动的缺点;它充分考虑了工业现场的特殊情况，一般采用自然散热式的真正工业级电源，以及特殊的铝合金机箱，在硬盘的固定上也采用了防震设计和固定压条，键盘设计也充分考虑了防尘要求。所有这些使计算机耐冲击，抗振动，防尘埃，抗电磁辐射干扰，不会受外界电子设备的电磁干扰而产生异常动作，保障了系统的高可靠性，可以实用于各种恶劣的工业环境。另外便携式工控机系统都可选择内建式不断电源供应器，使瞬间断电下系统仍可正常操作，选择便携式工控机为佳。

　　?2、串行、并行口和网卡通信?

　　随着企业的发展和技术的进步，一方面设备种类和复杂程度都大大增加，需要监测的参量的及其种类也相应增多，(例如通用设备一般包括风机、水泵、电机、冷却系统、液压系统、润滑系统等，一种设备所需监测的参量可能是电压、电流、速度、加速度、振动、压力、流量、油样等一种或几种)，监测分析设备的类型和数量也相应的增加，因而使离线监测设备的管理变得复杂起来;另一方面，随着科研、生产经营任务的日益繁重，要求设备管理的组织力量、运作方式和管理手段逐步加以完善和提高。对单机系统，因其所属部门、工作地点、操作人员、实现功能等都不尽相同，有时我们要对其进行统一管理，比较好的一种方法就是使用计算机网络。利用单机系统的计算机构造成局域网，在服务器内创建一个统一的数据库，对设备及设备状态情况等进行管理。任何部门的数据变更，只要发送一条消息到网上，相关部门以及服务器内的数据库就可以得知并作出响应。这样就可以在一定程度上避免了投入大量的人力物力进行设备清单、运行状态的整理、保存、修改、更新、汇总等工作，在相当程度上解决了各部门之间的工作步调失调和信息的重复、阻塞、遗漏等问题，同时也使决策者在一定范围内减少了由于信息的不完整、不及时而出现的失误。在某种意义上实现了各个部门自成体系，部门之间又可以通过网络方便快捷的交换数据，从而使整个离线监测系统分工明确、条理清晰、扩展方便、管理容易。既可以实现在各个部门进行部门内部的数据管理、诊断分析、结果打印，也可以实现在超级用户，考虑系统与外界通讯的需要，充分利用了计算机本身的串口和并口，应配上网卡，丰富系统和提高系统的性能，使系统具有很大的通用性。?

　　3、信号的多样性?

　　在实际工程中，设备种类繁多，复杂程度也高，能反映机械设备运行状态的物理量也很多，如力、扭矩、功率、位移、振动、转速、温度、压力等。为使系统具有较大的通用性，设计系统采集开关量、振动位移、振动转速、振动加速度、转速五种信号和满足客户有时要求远距离传输信号的需要。在硬件平台中要设计滤波、积分和键相信号的获取电路，还有电压/电流转换电路。?

　　4、信号的多路同时采集?

　　对振动信号，为了获得可比较的相位信号以便能对故障进行精确诊断、转子动平衡，这就必须对振动信号同时采集，以便获得各振动信号的绝对相位值。但做到理论上的完全同时是不可能的，因此，只要使由采集时间差产生的相位差在可接受的误差范围内就可以了。这可以通过两个途径来解决：一、采用高速A/D板，但随着A/D板的采集速率和分辨率的提高，价格也随之直线上升。二、通过改善算法，提高采集速率。设计采集速率为40KHz的A/D板，在算法上充分考虑了计算机的指令周期的时序，分时互采，这样大大提高了采集速率，可对8或16路信号同时采集。?

　　二、系统硬件平台总体结构?

　　根据上述系统设计思想，系统硬件平台总体结构图如下：?

　　三、系统硬件平台各模块功能描述?

　　如总结构图所描述，系统主要包括五个功能模块：端子功能模块、信号调理模块、模数转换模块、主CPU模块和通讯模块。其各自的功能为：?

　　1、端子功能模块：?

　　完成把所要测的信号引入系统，一般来说是传感器测得的信号，端子采用了标准的计算机接口形式——扁平电缆，这样可以使计算机内部完全密封，起到防尘的作用。另一方面，采用扁平电缆形式还可以增强信号的抗干扰能力，使信号更稳定。?

　　2、信号调理模块?

　　信号调理是数字化测量系统中保证信号的准确性、可靠性和安全性的关键措施。信号的调理的目的在于提高信号测量的精确性，并保护测量系统，防止外界异常信号或异常变化可能给系统造成的损害。因此，从端子引入的信号都要经信号调理模块进行预处理：?

　　(1)信号隔直?

　　对不同种类的传感器，其信号成分各不相同，如电涡流位移传感器信号中就含有较大的直流分量，所以必须把交、直流分离，以便分别处理和采集，这就需要一隔直电路。?

　　(2)信号积分?

　　在很多情况下，振动速度传感器给出的是速度信号，而在监测中往往需要振动位移信号，因此，需要一积分电路把速度信号转化成位移信号。?

　　(3)电压/电流转换?

　　在现场很多时候需要把电压信号转换成电流信号进行远距离传输。因此，这模块还包含有电压/电流转换电路把电压信号转化成符合工业标准的电流信号。?

　　(4)抗混滤波?

　　抗混滤波电路是数字信号处理设备中不可缺少的部分。根据采样定理只有当采样信号的频率大于或等于输入信号最高频率的2.56倍时，其采样后信号的频率才与原信号的频谱一致，否则，就要发生混叠，这不仅影响分析精度，甚至还会影响分析结果，更重要的是混叠后的信号不能再复原。因此，当采样信号一定时，需对输入信号的最高频率加以限制，这就是抗混滤波的作用。抗混滤波的性能如何将直接决定数字处理的精度。?

　　3、模数转换模块?

　　在数据采集系统，模数转换是一必不可少的部分，它是要把连续的模拟信号转换成离散的数字信号，便于计算机的采集和处理。它的性能如何，将直接关系到数据的真实性、准确性。也将影响系统的可靠性。?

　　4、主CPU模块?

　　它由便携式工控机组成，主要完成输入、输出、运算、数据存储等功能，关键的是它要作为系统软件的载体。?

　　5、通讯模块?

　　主要负责对外交换数据，包括RS232-C接口、RS-458接口和网络接口，使系统具有开放性，和别的系统实现资源共享。

frogfish

　　这篇文章有点泛泛，很多问题都可以展开来讨论

　　比如抗混滤波等等，都是很大的课题，估计这个系统采用的都是比较常规的

张三分