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大佬讲解测控系统(四),风电测控系统设计方案(上篇)

2020-06-23
来源:21ic

    测控系统是重要系统之一,缺少测控系统,诸多系统的安全性无法得以保障。对于测控系统,小编在往期文章中有所介绍。为增进大家对测控系统的认识,本文将对基于PXI总线技术的风电测控系统的设计方案予以介绍。

    面向仪器系统的PCI扩展PXI(PCIeXtensionsforInstrumentaTIon)是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准接口——PCI,结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性,并增加了专门的同步总线和主要软件特性。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

    本文设计了基于PXI总线技术的风电测控系统。该系统通过直流调速设备控制电机对风力发电机齿轮箱产品进行实际的运行环境模拟,并对采集到的环境参数及噪声振动数据进行分析,最后生成检测报告。本文运用PXI硬件优越的定时、触发性能及LabVIEW虚拟仪器软件开发平台设计系统的软硬件结构,并运用实时操作系统对复杂的声音振动进行分析计算和资源分流,以保证系统长期稳定可靠地运行。

    风电测控系统将两个齿轮箱产品放置在步进电机主轴的两侧同时进行检测,依靠步进电机的带动来模拟齿轮箱实际工作状况。齿轮箱试验方法如图1所示,工作过程分为三个阶段驱动电机运行:第一个阶段给齿轮箱加载283kNm的负载,电机首先以1620r/min的转速正转60min,然后再以同样的速度反转60min,如此重复三次,每次加载不同的负载;第二、三阶段的负载分别为566kNm、850kNm。在电机稳定运行的状态下,以检测环境参数及振动噪声的相关指标来评定齿轮箱产品的质量。

    

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    1.系统总体设计

    整个系统主要包含运动控制子系统、环境参数测试子系统和振动噪声测试子系统三个部分。

    运动控制子系统包含运动决策模块、分布式运动控制器和步进电机。决策模块向指定的运动控制器发送指令,控制器根据决策模块指令和电机反馈参量调整电机的转速和旋转方向。

    环境参数测试子系统负责在电机转速稳定期间采集温度、压力等环境参量,并按照用户指定的报警范围检测各环境参量,判断电机状态是否正常,若环境参量报警,系统通过数字量输出驱动继电器和接触器关断电机。

    振动噪声测试子系统负责测量电机系统环境噪声及产品多个位置振动信号的同步采集,并对声音振动信号进行实时分析和离线分析。

    测控系统采用上下位机架构。上位机为监控终端和人机界面,包含运动控制决策模块、数据存储及离线分析模块、通信模块和参数显示模块等。下位机包含嵌入式实时控制器、信号调理模块、环境参数采集模块、报警检测模块、振动噪声采集模块及通信模块。

    2.系统硬件设计

    系统硬件包含环境参数信号调理及采集部分、振动噪声采集部分、数字I/O部分、信号电气连接器部分、运动控制部分、嵌入式控制器及监控终端等。硬件结构如图2所示,总体架构采用NI公司PXI总线设备,机箱为可集成SCXI模块的PXI-1050,嵌入式控制器为PXI-8106,外设模块包括4块动态信号分析仪PXI-4472用来采集振动噪声信号,1块数字I/OPXI-6528,1块数据采集卡PXI-6221。环境参数信号调理部分使用SCXI模块,RTD温度输入使用SCXI-1102和SCXI-1581,压力输入使用2块SCXI-1125。数据采集卡通过机箱背板总线控制信号调理模块,减少了电缆连接,提高了系统的集成度和扩展性。

    监控终端应用程序将用户配置好的试验流程信息使用TCP/IP协议下载到PXI-8106嵌入式实时控制器,运行在实时控制器上的应用程序按照自动流程信息配置决定当前时刻试验台应该打开的电磁阀,由PXI-6528驱动继电器完成。同样监控终端按照流程配置通过Profibus通信卡设定直流调速器转速,控制步进电机运行,使齿轮箱产品处于试验要求的工作状态。工作状态稳定后,对环境参数和振动噪声信号进行数据采集。

    

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    实时控制器应用程序对采集的数据进行处理,按照流程配置信息决定当前时刻哪些环境参数需要进行报警检测,如发生报警按照用户配置的报警等级决定流程执行跳转到不同的安全流程,像正常停车或紧急停车;按照流程配置信息决定当前时刻是否进行振动噪声采集和实时分析;按照流程配置信息决定哪些试验数据需要存入硬盘。

    3.环境参数信号调理

    由于现场强电弱电环境并存、直流调速器中变频器的使用等,导致电磁环境比较复杂,这对传感器变送器等弱电信号的传输和采集提出了较高的要求。为了保证设备及人员安全并准确采集传感器信号,首先,将试验台、数字量控制柜及测量系统机柜单点接地,避免地环干扰;其次,各传感器信号线及激励线经过屏蔽接入测量系统,减小电磁干扰;最后使用SCXI调理模块对传感器变送器信号进行隔离、放大、滤波,最大限度地提高测量精度。

    在本系统的风电齿轮箱产品测试中,温度、压力等环境参数分别使用Pt100热电阻、压力变送器将物理信号转化为电信号,通过SCXI-1581电流激励模块和SCXI-1102放大输入模块对铂电阻信号进行信号调理,通过SCXI-1125隔离输入模块对压力信号进行隔离、放大、滤波。为消除线路电阻对铂电阻信号的影响,Pt100热电阻使用4线制接入系统。环境参数属于缓变信号,系统使用4Hz低通滤波器消除50~60Hz工频干扰。

    

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