行業(yè)：機(jī)械設(shè)備
應(yīng)用需求：機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測（Machine Condition Monitoring）是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備維護(hù)的重要手段，在設(shè)備運(yùn)行過程中，對于每一個狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控，它一般通過振動、壓力、溫度、應(yīng)變等信號的采集和數(shù)據(jù)分析，了解長時間運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，一方面可以預(yù)防災(zāi)難式故障，另一方面可以有針對性制定維護(hù)計劃，進(jìn)而還可為提高機(jī)器運(yùn)行效率提供參考。由此可見，機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控可幫助企業(yè)消除計劃外的儲運(yùn)損耗、優(yōu)化機(jī)器性能、縮短返修時間并降低維護(hù)成本。因此，各種機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、船舶、冶金、制造等領(lǐng)域。
面臨的挑戰(zhàn)：能耗分項監(jiān)測系統(tǒng)必須能實時、準(zhǔn)確地獲取能耗數(shù)據(jù)，并“無縫”接入現(xiàn)場的信息展示系統(tǒng)中。系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝必須在場館落成之后進(jìn)行，不能對已建成的電氣線路和建筑結(jié)構(gòu)造成任何影響當(dāng)然也不能接入銀行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。此外，系統(tǒng)的待測線路位于不同機(jī)房的兩個配電箱中，需要完成分布式采集。
解決方案：構(gòu)建機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有特定的要求：適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境、豐富靈活的傳感器/ 數(shù)采接口、信號處理的專業(yè)軟件以及實時性可靠性等要求。
具體實現(xiàn)方法 本系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)機(jī)械平臺、傳感器、CompactRIO和PDA四大部分組成。CompactRIO主要負(fù)責(zé)信號采集和處理工作，并附加一個GSM Modem，可以發(fā)送短信。手持PDA運(yùn)行人機(jī)界面，提供數(shù)據(jù)查看和控制指令。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示 1. 監(jiān)控對象和傳感器 監(jiān)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(yùn)行中軸承故障和非平衡狀態(tài)。仿真器有一個交流電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)設(shè)備，交流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)置一個光電傳感器，可提供電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)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(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)效果。整個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外套有一個玻璃罩子，用以保護(hù)使用者。 本系統(tǒng)主要監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的動態(tài)特性，因此需要測量軸承振動、軸心偏移以及轉(zhuǎn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(tài)范圍大、信噪比高、信號調(diào)理方便等特點(diǎn)。這里選用的振動傳感器是上海北智技術(shù)有限公司的14115 型工業(yè)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(zhuǎn)軸偏移，這種傳感器通過電磁感應(yīng)效應(yīng)測量被測金屬導(dǎo)體距探頭的距離。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸本身的運(yùn)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(chǎn)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。 轉(zhuǎn)速信號是由故障仿真器自帶的光電傳感器提供，每轉(zhuǎn)一圈就會有一個脈沖信號。信號脈沖高電平為5 V。 2. 系統(tǒng)的設(shè)計平臺配置（NI CompactRIO 的選型） NI CompactRIO 平臺提供了豐富的數(shù)據(jù)采集模塊。振動傳感器選擇的是IEPE 的加速度傳感器，系統(tǒng)使用NI 9234 同步動態(tài)信號采集卡，NI 9234 作為4 通道C 系列同步動態(tài)信號采集模塊，可連接IEPE 與非IEPE 傳感器，進(jìn)行高精度振動/ 音頻信號測量。NI 9234具有102 dB動態(tài)范圍，對IEPE加速度傳感器提供信號調(diào)理和交流耦合的功能。采集通道還提供自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時以每通道高達(dá)51.2 kHz 的速率對信號進(jìn)行數(shù)字化。 對于位移信號和轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)速傳感器給出的是脈沖信號，我們把它當(dāng)作模擬信號采集后在FPGA 上提取轉(zhuǎn)速/ 周期信號。 傳感器和信號采集卡如下表對應(yīng)：
| 信號 | 傳感器 | 通道數(shù) | 信號調(diào)理 | 采集卡 |
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