虛擬儀器環(huán)境下PXI總線遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)研究

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)滲透到儀器領(lǐng)域。虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)是現(xiàn)代化測(cè)量的重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的不足:自動(dòng)化程度低，操作復(fù)雜，可靠性差，故障率高;對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)未能進(jìn)行及時(shí)和必要的綜合與分析，不能充分利用歷次的數(shù)據(jù);不能及時(shí)分析排除測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題;不能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)控以及技術(shù)和數(shù)據(jù)資源的共享。針對(duì)一般的測(cè)試系統(tǒng)無法滿足以上幾點(diǎn)需求的情況，本文提出一種基于PXI的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)方案，目的就是滿足系統(tǒng)各種信號(hào)的采集與調(diào)理、測(cè)試數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)與管理共享。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 PXI簡(jiǎn)介

PXI是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專業(yè)特性。PXI(PCI eXtension for Instrumentation) 總線技術(shù)依據(jù)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線是一種新型的模塊化儀器系統(tǒng)，PXI產(chǎn)品具有技術(shù)指標(biāo)和性能價(jià)格比高、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活、技術(shù)更新快以及易于系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)。PXI提供了較多的擴(kuò)展槽，有很強(qiáng)的I/O能力，增加了觸發(fā)總線，用于高速定時(shí)的系統(tǒng)參考時(shí)鐘，用于進(jìn)行多板同步的星形觸發(fā)總線及相鄰儀器模板進(jìn)行高速通訊的局部總線。利用PXI產(chǎn)品可以在較短周期內(nèi)開發(fā)出理想的計(jì)算機(jī)測(cè)控儀器系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮工業(yè)生產(chǎn)中涉及到多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和儀器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也存在著對(duì)傳感器參數(shù)的調(diào)整和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)惡劣等因素，因此整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)必須充分體現(xiàn)該系統(tǒng)的柔性特點(diǎn)，要求有很強(qiáng)的適應(yīng)性。同時(shí)，為了保證信號(hào)采集的穩(wěn)定性及可靠性，采用基于PXI總線的系統(tǒng)架構(gòu)完成對(duì)各種監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集。系統(tǒng)選用PXI-1010機(jī)箱，PXI-8176嵌入式控制器、信號(hào)采集及調(diào)理模塊SCXI-1102和SCXI-1125、PXI數(shù)據(jù)采集卡PXI-6070及PXI-6040E，可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。針對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的需要，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要注意到當(dāng)前信息特征變化規(guī)律，又要注意到故障發(fā)生、發(fā)展過程。為此系統(tǒng)采用如圖1所示的4層結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

第1層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由多路振動(dòng)信號(hào)并行采集卡、工藝參數(shù)(溫度、電壓、電流等)采集卡、轉(zhuǎn)速采集卡、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出控制卡以及相應(yīng)的信號(hào)切換、調(diào)理電路組成。利用振動(dòng)、溫度、電壓、電流等監(jiān)測(cè)傳感器在線獲取機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息，且對(duì)于振動(dòng)信號(hào)利用轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)現(xiàn)整周期同步采集。

第2層狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用具有PXI架構(gòu)的嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。主要對(duì)設(shè)備的振動(dòng)烈度及振動(dòng)各主要頻率分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，實(shí)現(xiàn)異常工控自動(dòng)報(bào)警。該層具有故障初步診斷功能，以滿足運(yùn)行工程師的需要。

第3層故障診斷系統(tǒng)。由一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的頻譜分析及設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。該子系統(tǒng)接受第2層實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊的初步分析結(jié)果，利用第2層獲得的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)分析以判斷機(jī)組的工況狀態(tài)、故障狀態(tài)及遠(yuǎn)程診斷。在設(shè)備因故障停機(jī)時(shí)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行歷史進(jìn)行回放及各種分析。

第4層遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)。該層通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)及Internet實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)很多，主要有NI公司的LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)和測(cè)量軟件工作組件，NI公司的LabWin2dows/CVI可視化開發(fā)平臺(tái)，Agilent公司的HP-VEE圖形化開發(fā)平臺(tái)，Microsoft公司的VisualC++及VisualBasic可視化開發(fā)組件等。選用LabVIEW系統(tǒng)作為系統(tǒng)開發(fā)軟件平臺(tái)。LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域優(yōu)秀的軟件開發(fā)工具，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個(gè)環(huán)境中，是一種基于圖形編程的開放式軟件開發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

虛擬儀器系統(tǒng)軟件中最靠近硬件的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件。為了支持其豐富的硬件接口設(shè)備，美國(guó)國(guó)家儀器公司提供了各種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這些驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件與硬件接口之間的橋梁，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中硬件設(shè)備的控制。系統(tǒng)的各個(gè)軟件模塊都是在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的。在信號(hào)采集模塊中設(shè)定采樣的通道號(hào)和設(shè)備號(hào)，采樣數(shù)據(jù)通過PXI總線寫入內(nèi)存;PXI-8176控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、實(shí)時(shí)傳送和分析，同時(shí)利用以太網(wǎng)接口，通過通訊和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，實(shí)現(xiàn)與其他分析系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

2.1 基于DataSocket技術(shù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測(cè)控工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題之一就是測(cè)控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng)上的發(fā)布和共享。NI公司推出的DataSocket技術(shù)是一種基于TCP/IP協(xié)議、面向測(cè)量和自動(dòng)化工程的網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換的編程新技術(shù)。采用DataSocket可以方便地實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)或本機(jī)上的各種應(yīng)用程序之間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(livedata)的共享。DataSocket整合了各種已有的用于測(cè)量或自動(dòng)化的通訊協(xié)議，可以提供比TCP/IP更高層的編程接口。DataSocket通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)自描述格式提供自由的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以直接傳送字符串形式、數(shù)據(jù)量化形式、布爾值形式的數(shù)據(jù)或者直接對(duì)采集到的波形進(jìn)行傳輸，省去了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的大量工作。