The Challenge:
構建機器狀態監控系統有特定的要求：適應現場惡劣環境、豐富靈活的傳感器/ 數采接口、信號處理的專業軟件以及實時性可靠性等要求。

The Solution:
系統由旋轉機械平臺、傳感器、NI CompactRIO和PDA四大部分組成。NI CompactRIO主要負責信號采集和處理工作，手持PDA運行人機界面，提供數據查看和控制指令。運行在CompactRIO FPGA芯片上的程序負責數據采集和高速信號處理，并對分析結果進行判斷預警。實時控制器上的程序負責把數據通過網絡接口發送到人機界面，同時接收人機界面送過來的指令。

1. 監控對象和傳感器

監控對象我們選用Spectraquest 公司的軸承平衡故障仿真器。這個仿真器用于演示和研究運行中軸承故障和非平衡狀態。仿真器有一個交流電機驅動旋轉設備，交流電機的變頻器提供一個面板，用戶可以通過面板上的按鈕和旋鈕改變電機的轉速。旋轉設備內置一個光電傳感器，可提供電機的轉速信號。轉軸上安裝了兩個鋁制飛輪，在每個飛輪上有大小兩圈等間隔的孔，用于安裝配重。通過在不同位置安裝配重來實現不平衡的旋轉效果。整個旋轉機構外套有一個玻璃罩子，用以保護使用者。

本系統主要監控旋轉機械設備的動態特性，因此需要測量軸承振動、軸心偏移以及轉速信號。振動信號采用4個IEPE振動傳感器，分別測量軸前后段水平和垂直兩個方向的振動，安裝在軸承座上，如圖 2左所示。IEPE 是振動傳感器的一個工業標準，核心由兩部分組成：感受力的壓電材料和放大信號的集成電路。這種傳感器具有靈敏、動態范圍大、信噪比高、信號調理方便等特點。這里選用的振動傳感器是上海北智技術有限公司的14115 型工業測振傳感器，測量范圍是250 g，靈敏度是100 mv/g。我們使用電渦流式位移傳感器測量轉軸偏移，這種傳感器通過電磁感應效應測量被測金屬導體距探頭的距離。轉軸恰好是金屬體，同時位移傳感器是非接觸式的，測量時不會影響轉軸本身的運動。在垂直于軸線的平面放置一個支架，如圖 2右所示，與垂直方向夾角分別是45度和-45度安放兩個位移傳感器，這樣可以測量軸心偏移。這里選用的位移傳感器是北京京儀北方儀器儀表有限公司的ϕ8 mm 探頭的電渦流傳感器。量程是2 mm，靈敏度8mv/um。傳感器的輸出電壓很小，產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 的直流供電。

圖 2傳感器的安裝

轉速信號是由故障仿真器自帶的光電傳感器提供，每轉一圈就會有一個脈沖信號。信號脈沖高電平為5V。

2. 系統的設計平臺配置（NI CompactRIO 的選型）

NI CompactRIO 平臺提供了豐富的數據采集模塊。振動傳感器選擇的是IEPE 的加速度傳感器，系統使用NI 9234 同步動態信號采集卡，NI 9234 作為4 通道C 系列同步動態信號采集模塊，可連接IEPE 與非IEPE 傳感器，進行高精度振動/ 音頻信號測量。NI 9234具有102 dB動態范圍，對IEPE加速度傳感器提供信號調理和交流耦合的功能。采集通道還提供自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器，同時以每通道高達51.2 kHz 的速率對信號進行數字化。

對于位移信號和轉速信號選擇NI 9239 采集卡，NI 9239 模塊包括4 條同步采樣的模擬輸入通道，每通道是24 位模數轉換器。轉速傳感器給出的是脈沖信號，我們把它當作模擬信號采集后在FPGA 上提取轉速/ 周期信號。

傳感器和信號采集卡如表 1所示：

信號	傳感器	通道數	信號調理	采集卡
振動	加速度計	4	采集卡提供4mA激勵	NI 9234
位移	電渦流傳感器	2	前置放大器	NI 9239
轉速	轉速計	1	不需要

表 1傳感器-信號采集卡對照表

在采集的同時，程序還對各路信號進行監測和分析，當某信號超過閾值，系統會有預警信息，我們通過NI 9474 的DO通道控制報警燈閃滅來實現。

控制器選擇和機箱分別選擇NI 9014 和NI 9103。NI cRIO-9014 嵌入式實時控制器具有一個400 MHz Freescale MPC5200 的工業實時處理器，實現信號處理、網絡通信、文件管理等確定可靠的實時應用。目前系統需要3個采集模塊，我們使用NI 9103 四槽機箱。實際的機器狀態監控平臺可能還需要壓力、溫度、應變，如果采集模塊增加，還可以選擇8 槽的9104 機箱。

3. 系統的軟件架構

整個系統的軟件由三部分組成，如圖 3所示。運行在FPGA芯片的程序負責數據采集和高速信號處理，并對分析結果進行判斷預警。實時控制器上的程序負責把數據通過網絡接口發送到人機界面，同時接收人機界面送過來的指令。人機界面運行在一臺手持的PDA 設備上。

圖 3 軟件架構

運行在FPGA上的程序承擔了所有的采集和信號處理工作，FPGA 程序控制各個采集模塊，獲得精確同步的采集振動、位移和轉速計的信號。然后進行信號處理的工作。首先FPGA 從轉速計的方波信號中提取轉速/ 周期信息，再基于轉速/ 周期數據進行高速的重采樣處理，把振動和位移信號從等時間間隔采樣變換為每個周期內等間隔采樣。接著對振動信號做階次變換和進一步的分析處理， FPGA同時對位移信號做軸偏的分析、所有信號的時域分析，計算有效值、直流分量等，并對一些振動、位移信號做門限判斷，通過DIO 控制LED燈指示正常狀態或者報警。此外，運行于FPGA上的程序還會把處理過程中的中間結果和最終數據通過DMA 通道發送到實時控制器上。

運行在實時控制器上的程序把FPGA 送上來的數據通過TCP/IP 網絡發送給PDA。PDA運行的人機界面程序會根據用戶對控件的點擊顯示不同的處理結果，用戶可以看到瀑布圖、軸心偏移軌跡、階次圖、倍頻值等數據。另外這個監控系統還有一個短信通知功能，控制器通過串口控制GSM Modem，Modem中有一張普通的SIM卡，控制器通過串口指令可以把監控數據、狀態或者報警信息通過短消息的方式發送到手機上。用戶可以通過PDA 的用戶界面來指定發送內容、時間和目標手機。此外，還可以通過GSM Modem撥號上網，把NI CompactRIO 系統接入Internet，即使沒有網線，網絡上任意一臺設備也可以建立與NI CompactRIO 的數據連接。

系統設計結果

這套以NI CompactRIO為核心的機器狀態監控系統，首先，具有高速數據采集處理的能力，保證了監控系統的實時性，對于危險狀態能夠提前判斷并預警。其次控制器運行了實時操作系統，對FPGA和對網絡都有靈活的接口函數，整個處理過程完全在NI CompactRIO 上實現，并對外提供數據發布接口，這樣既保證了系統的穩定可靠，又使得系統可以方便的加入人機界面功能。此外通過串口控制GSM Modem發送短信和無線接入Internet，也是本系統的一大亮點。

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