基于LabVIEW和PXI的軋機(jī)振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)

　　介紹：在鋼鐵業(yè)，軋機(jī)的振動會導(dǎo)致帶鋼及軋輥表面產(chǎn)生振動紋，這不僅嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量而且降低生產(chǎn)效率。寶鋼在國內(nèi)率先開發(fā)了一套基于LabVIEW和PXI的軋機(jī)振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取和記錄振動信號、工藝及設(shè)備參數(shù)，全面反映軋制過程的狀態(tài)和振動紋產(chǎn)生信息。系統(tǒng)具有顯示監(jiān)控、報警、診斷分析和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于冷軋平整機(jī)組，對于生產(chǎn)操作和設(shè)備維護(hù)提供有力的技術(shù)支撐。該系統(tǒng)可靠性高、完善的分析功能、開發(fā)周期短，具有廣闊的發(fā)展前景。
    背景：
    在鋼鐵業(yè)，由于軋機(jī)振動帶鋼在熱軋和冷軋過程中其表面和支撐輥上會產(chǎn)生明暗相間的條紋（圖１）。振動紋的產(chǎn)生對軋鋼生產(chǎn)主要有兩方面的不利影響。一是難以滿足用戶對帶鋼表面質(zhì)量的要求，因?yàn)?，即便將帶鋼表面進(jìn)行了噴涂，其明暗相間的條紋依然可見，這對車身或家用電器的用戶來說是難以接受的；二是振動紋有時也會出現(xiàn)在支承輥上，因而增加了換輥的次數(shù)，降低了生產(chǎn)效率。

    建立一套軋機(jī)振動紋在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲取設(shè)備的狀態(tài)信號，找出振動紋的主要成因；同時，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定振動紋的判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對振動紋的實(shí)時報警，從而對現(xiàn)場操作、設(shè)備維護(hù)和設(shè)備改造提供指導(dǎo)意見。

    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)是在冷軋單機(jī)架平整機(jī)上實(shí)施，用于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及對數(shù)據(jù)的精密分析，要求系統(tǒng)可靠性高，實(shí)時性強(qiáng)并具有完善的分析處理功能。整個系統(tǒng)采用基于Fast Ethernet 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
    整個系統(tǒng)由數(shù)采站、監(jiān)視站、分析站、工程師站、交換機(jī)和服務(wù)器構(gòu)成，是一個完整的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
    系統(tǒng)硬件模塊介紹
1） 數(shù)采站
    信號采集站要求連續(xù)工作和無人看管，因此計(jì)算機(jī)硬件和軟件必須可靠。
數(shù)采站包括嵌入式主控計(jì)算機(jī)PXI-8170/450、PXI－1010混合機(jī)箱、PXI-6052E數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊和接線盒以及連接線和附件。數(shù)采站主要完成所有系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作和采集數(shù)據(jù)抽取處理工作。
    PXI-8170/450：它帶有一個Intel PIII450的CPU，1個3.5in.、1.44MB軟驅(qū)，1個串口，1個并口，1個    USB接口，4GB的硬盤。PXI系統(tǒng)的嵌入式零槽控制器高度集成比普通計(jì)算機(jī)具有更高的可靠性和便攜性，其獨(dú)特的顯示技術(shù)使其在提供高性能顯示的同時，將PCI總線的132Mb/s的帶寬全部留給了其它的PXI模塊。
    PXI-8210：集成高速（100BaseTX）以太網(wǎng)接口和Wide Ultra SCSI（40 Mbytes/s）總線接口為一個PXI模塊，節(jié)省了PXI插槽。
    PXI－1010：該混合機(jī)箱包括8個PXI插槽和4個SCXI調(diào)理模塊插槽。PXI-1010符合PXI總線嚴(yán)格的機(jī)械電氣要求，噪聲低、抗震性和電磁兼容性能好，為信號采集處理系統(tǒng)提供了良好的工作環(huán)境。
PXI-6052E: 該模塊提供16路單端/8路差分通道，采樣頻率為333KS/s，16位精度，還有兩路更新率為1MS/s的模擬輸出、8路雙向TTL電平數(shù)字I/O和兩路24位的計(jì)數(shù)/定時器通道。該模塊還支持采集數(shù)據(jù)實(shí)時流盤功能，非常適用于要求高速記錄采集數(shù)據(jù)的場合。
SCXI-1141：該模塊為8通道可編程低通濾波模塊。采用8階橢圓濾波器，每通道單獨(dú)運(yùn)放；電壓輸入范圍±50mV～±5V，截止頻率10Hz～25KHz，過壓保護(hù)±30V，可做抗混疊濾波器。
2） 服務(wù)器
    數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的任務(wù)為接收和處理各數(shù)據(jù)采集站發(fā)送的數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)放入原始信號緩存區(qū)，將處理后的數(shù)據(jù)寫入特征數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。計(jì)算機(jī)采用一臺商用臺式PC機(jī)服務(wù)器，內(nèi)插100M網(wǎng)卡。采用Windows NT操作系統(tǒng)，軟件為與采集站、操作室監(jiān)視站、分析站通訊的數(shù)據(jù)報服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫管理程序等。
3） 操作室監(jiān)視站
    操作室監(jiān)視站的任務(wù)為實(shí)時監(jiān)測振動頻譜、報警、手工輸入數(shù)據(jù)等日常工作的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)采用商用臺式PC機(jī)或工控機(jī)，內(nèi)插100M網(wǎng)卡，采用Win98操作系統(tǒng)，軟件為參數(shù)手工輸入程序、狀態(tài)監(jiān)測程序、通信程序等。
4） 分析站
分析站任務(wù)為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、精密分析、趨勢分析、運(yùn)行報表、數(shù)據(jù)回放。計(jì)算機(jī)采用商用臺式PC機(jī)，內(nèi)插100M網(wǎng)卡，采用Win98操作系統(tǒng)，軟件為參數(shù)設(shè)置程序、精密分析程序、趨勢分析程序、報表程序、通信程序等。
5） 工程師站
    供專業(yè)工程師進(jìn)行精密分析和設(shè)備診斷之用。提供的分析工具和分析站類似。
6） 交換機(jī)
    作為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在設(shè)備的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，以及數(shù)據(jù)安全性都有著一定的要求。
交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉屑~，除應(yīng)長期連續(xù)可靠的工作以外，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時的傳遞，交換機(jī)應(yīng)最大限度地減少通信擁擠，每個交換式以太網(wǎng)端口都能得到全部100Mbps的帶寬。
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
    本套系統(tǒng)對軟件的要求較為嚴(yán)格，首先要求操作系統(tǒng)穩(wěn)健并具有良好的網(wǎng)絡(luò)功能，其次軟件開發(fā)平臺應(yīng)功能完善，執(zhí)行效率高，方便集成，另外系統(tǒng)需要許多的高級分析功能，要求軟件提供專業(yè)的分析處理函數(shù)。
1） 操作平臺
    本系統(tǒng)中操作站和數(shù)據(jù)采集站的操作系統(tǒng)擬選用Windows NT Workstation 4.0，服務(wù)器操作系統(tǒng)選用Windows NT Server 4.0，數(shù)據(jù)庫選用SQL server 7.0，分析站使用Windows 98，數(shù)采站使用Windows NT Workstation 4.0。
2） 開發(fā)平臺
    軟件開發(fā)平臺數(shù)采站和監(jiān)視站選擇支持32位操作系統(tǒng)的LabView 6i專業(yè)版，以及Sound and Vibration Toolset附加軟件。分析站使用Visual C++ 6.0 企業(yè)版。
LabView 6i具有模塊化的開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其軟件功能包括實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史趨勢、報警和事件記錄、設(shè)備連接性、系統(tǒng)配置工具，以及G這一圖形化編程語言，您可以利用它將各個軟件功能塊組合起來，開發(fā)出HMI以及控制應(yīng)用程序。
    利用LabVIEW 6i時，所要做的是要建立虛擬儀器(VI)，而不是要編寫程序。在指定其功能時，只需直接將流程圖組合在一起，對控制及加工工程師而言這是很自然的設(shè)計(jì)概念。在G的圖形化函數(shù)庫中包含了流程的自動化符號、I/O、分析、歷史記錄、文件，以及網(wǎng)絡(luò)連接的功能。其它的功能可以方便地利用各種標(biāo)準(zhǔn)(例如Active X和SQL)，與各項(xiàng)應(yīng)用共享信息。
    本系統(tǒng)利用LabVIEW 6i為開發(fā)平臺，在與數(shù)據(jù)庫聯(lián)系時利用LabVIEW 6i專業(yè)版內(nèi)帶的SQL Toolkit工具包。通過SQL Toolkit可以訪問現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MS SQL Server、Oracle、Sybase和Informix等），用標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改、增刪等操作。LabVIEW 6i本身帶有功能強(qiáng)大的高級分析庫，提供多種時頻域分析功能，針對于振動信號分析可以利用Sound and Vibration Toolset軟件包完成。
Sound and Vibration Toolset聲音和振動分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測量和加權(quán)濾波等功能。
3） 監(jiān)測系統(tǒng)軟件模塊
    自己開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括：數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)庫管理程序、狀態(tài)監(jiān)測與報警程序、分析程序、網(wǎng)絡(luò)通訊程序等。
整個系統(tǒng)除分析站部分采用Visual C++ 6.0開發(fā)外，其余各站的軟件都利用LabVIEW 6i和其附加軟件開發(fā)。
    系統(tǒng)主要功能
1） 顯示和監(jiān)控功能
    該功能主要是由安裝在操作室監(jiān)測站上的應(yīng)用程序?qū)崟r接收采集站的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。以圖形方式直觀地監(jiān)測設(shè)備振動、速度和其它工藝信號（見圖3）。
2） 報警功能
    通過長期的數(shù)據(jù)積累和分析，確定軋制不同鋼種、規(guī)格時振動門限值，然后在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)振動強(qiáng)度超標(biāo)時，就會提示操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時還可以進(jìn)一步地進(jìn)行精密分析并采取措施，直至正常為止。
3） 分析診斷功能
    利用LabVIEW 6i及Sound and Vibration Toolkit提供的完備的分析工具，結(jié)合Visual C++ 6.0，系統(tǒng)對采集的各種信號（以振動信號為主）開發(fā)的功能模塊有：時域分析模塊、頻域分析模塊、時頻分析模塊、包絡(luò)分析模塊、高階統(tǒng)計(jì)量模塊、趨勢分析模塊模塊、離線鋼卷評價模塊等。

    系統(tǒng)特點(diǎn)
1） 高可靠性
    本系統(tǒng)站采用PXI體系結(jié)構(gòu)，選用美國NI公司的調(diào)理、采集模塊和LabView 6i開發(fā)平臺，保證了系統(tǒng)的高可靠性。
2） 完備的專業(yè)分析工具
    整個系統(tǒng)各個站的軟件都利用LabView 6i和其附加軟件開發(fā)，LabView 6i本身帶有功能強(qiáng)大的高級分析庫，提供多種時頻域分析功能；對于振動信號分析利用Sound and Vibration Toolset軟件包完成，Sound and Vibration Toolset聲音和振動分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測量和加權(quán)濾波等功能。
3） 采用DataSocket技術(shù)
    本系統(tǒng)是基于虛擬儀器的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集站在數(shù)據(jù)采集的同時，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞到操作站。LabVIEW 6i內(nèi)帶DataSocket技術(shù)可以滿足要求。
DataSocket是一種網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。利用DataSocket軟件還可以對資源的訪問進(jìn)行嚴(yán)格控制，可以對用戶按照不同類別分組，并分別賦予不同的讀、寫等權(quán)限，使資源得到比較好的保護(hù)，降低對資源訪問時產(chǎn)生沖突的幾率。
    結(jié)論
    利用LabVIEW開發(fā)的基于PXI體系的軋機(jī)振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)已投入軋鋼廠現(xiàn)場使用，為現(xiàn)場操作、產(chǎn)品質(zhì)量分析以及設(shè)備維護(hù)提供了一個強(qiáng)有力的工具。
實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。從投入至今連續(xù)運(yùn)行五個多月沒有出現(xiàn)死機(jī)等意外情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。在今年二月份軋機(jī)曾出現(xiàn)異常振動情況，本監(jiān)測系統(tǒng)完整記錄了設(shè)備劣化全過程的信息，對于及時分析設(shè)備故障原因，迅速恢復(fù)生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。
由于該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，增強(qiáng)了我們將PXI體系結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣到寶鋼冷軋其它機(jī)組以及熱軋的信心。