基于LabVIEW和PXI的軋機振動(dòng)紋在線(xiàn)監診系統

　　介紹：在鋼鐵業(yè)，軋機的振動(dòng)會(huì )導致帶鋼及軋輥表面產(chǎn)生振動(dòng)紋，這不僅嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量而且降低生產(chǎn)效率。寶鋼在國內率先開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW和PXI的軋機振動(dòng)紋在線(xiàn)監診系統。該監測系統能夠獲取和記錄振動(dòng)信號、工藝及設備參數，全面反映軋制過(guò)程的狀態(tài)和振動(dòng)紋產(chǎn)生信息。系統具有顯示監控、報警、診斷分析和歷史數據查詢(xún)功能。系統已成功地應用于冷軋平整機組，對于生產(chǎn)操作和設備維護提供有力的技術(shù)支撐。該系統可靠性高、完善的分析功能、開(kāi)發(fā)周期短，具有廣闊的發(fā)展前景。
    背景：
    在鋼鐵業(yè)，由于軋機振動(dòng)帶鋼在熱軋和冷軋過(guò)程中其表面和支撐輥上會(huì )產(chǎn)生明暗相間的條紋（圖１）。振動(dòng)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(mǎn)足用戶(hù)對帶鋼表面質(zhì)量的要求，因為，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(jiàn)，這對車(chē)身或家用電器的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是難以接受的；二是振動(dòng)紋有時(shí)也會(huì )出現在支承輥上，因而增加了換輥的次數，降低了生產(chǎn)效率。

    建立一套軋機振動(dòng)紋在線(xiàn)監測系統，可以獲取設備的狀態(tài)信號，找出振動(dòng)紋的主要成因；同時(shí)，在試驗的基礎上，確定振動(dòng)紋的判別準則，實(shí)現對振動(dòng)紋的實(shí)時(shí)報警，從而對現場(chǎng)操作、設備維護和設備改造提供指導意見(jiàn)。

    系統總體結構
    本系統是在冷軋單機架平整機上實(shí)施，用于工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據采集、監控以及對數據的精密分析，要求系統可靠性高，實(shí)時(shí)性強并具有完善的分析處理功能。整個(gè)系統采用基于Fast Ethernet 的網(wǎng)絡(luò )結構，如圖2所示。
    整個(gè)系統由數采站、監視站、分析站、工程師站、交換機和服務(wù)器構成，是一個(gè)完整的測控網(wǎng)絡(luò )系統。
    系統硬件模塊介紹
1） 數采站
    信號采集站要求連續工作和無(wú)人看管，因此計算機硬件和軟件必須可靠。
數采站包括嵌入式主控計算機PXI-8170/450、PXI－1010混合機箱、PXI-6052E數據采集模塊、信號調理模塊和接線(xiàn)盒以及連接線(xiàn)和附件。數采站主要完成所有系統相關(guān)的數據采集工作和采集數據抽取處理工作。
    PXI-8170/450：它帶有一個(gè)Intel PIII450的CPU，1個(gè)3.5in.、1.44MB軟驅?zhuān)?個(gè)串口，1個(gè)并口，1個(gè)    USB接口，4GB的硬盤(pán)。PXI系統的嵌入式零槽控制器高度集成比普通計算機具有更高的可靠性和便攜性，其獨特的顯示技術(shù)使其在提供高性能顯示的同時(shí)，將PCI總線(xiàn)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(xiàn)接口為一個(gè)PXI模塊，節省了PXI插槽。
    PXI－1010：該混合機箱包括8個(gè)PXI插槽和4個(gè)SCXI調理模塊插槽。PXI-1010符合PXI總線(xiàn)嚴格的機械電氣要求，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電平數字I/O和兩路24位的計數/定時(shí)器通道。該模塊還支持采集數據實(shí)時(shí)流盤(pán)功能，非常適用于要求高速記錄采集數據的場(chǎng)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，每通道單獨運放；電壓輸入范圍±50mV～±5V，截止頻率10Hz～25KHz，過(guò)壓保護±30V，可做抗混疊濾波器。
2） 服務(wù)器
    數據采集服務(wù)器的任務(wù)為接收和處理各數據采集站發(fā)送的數據，將原始數據放入原始信號緩存區，將處理后的數據寫(xiě)入特征數據庫和歷史數據庫。計算機采用一臺商用臺式PC機服務(wù)器，內插100M網(wǎng)卡。采用Windows NT操作系統，軟件為與采集站、操作室監視站、分析站通訊的數據報服務(wù)器、數據庫管理程序等。
3） 操作室監視站
    操作室監視站的任務(wù)為實(shí)時(shí)監測振動(dòng)頻譜、報警、手工輸入數據等日常工作的內容。計算機采用商用臺式PC機或工控機，內插100M網(wǎng)卡，采用Win98操作系統，軟件為參數手工輸入程序、狀態(tài)監測程序、通信程序等。
4） 分析站
分析站任務(wù)為系統參數設置、精密分析、趨勢分析、運行報表、數據回放。計算機采用商用臺式PC機，內插100M網(wǎng)卡，采用Win98操作系統，軟件為參數設置程序、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(zhuān)業(yè)工程師進(jìn)行精密分析和設備診斷之用。提供的分析工具和分析站類(lèi)似。
6） 交換機
    作為工業(yè)現場(chǎng)應用的測控網(wǎng)絡(luò )系統，在設備的可靠性，網(wǎng)絡(luò )的吞吐率，以及數據安全性都有著(zhù)一定的要求。
交換機作為網(wǎng)絡(luò )傳輸的樞紐，除應長(cháng)期連續可靠的工作以外，為保證數據準確實(shí)時(shí)的傳遞，交換機應最大限度地減少通信擁擠，每個(gè)交換式以太網(wǎng)端口都能得到全部100Mbps的帶寬。
    系統軟件結構
    本套系統對軟件的要求較為嚴格，首先要求操作系統穩健并具有良好的網(wǎng)絡(luò )功能，其次軟件開(kāi)發(fā)平臺應功能完善，執行效率高，方便集成，另外系統需要許多的高級分析功能，要求軟件提供專(zhuān)業(yè)的分析處理函數。
1） 操作平臺
    本系統中操作站和數據采集站的操作系統擬選用Windows NT Workstation 4.0，服務(wù)器操作系統選用Windows NT Server 4.0，數據庫選用SQL server 7.0，分析站使用Windows 98，數采站使用Windows NT Workstation 4.0。
2） 開(kāi)發(fā)平臺
    軟件開(kāi)發(fā)平臺數采站和監視站選擇支持32位操作系統的LabView 6i專(zhuān)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(kāi)放式系統結構。其軟件功能包括實(shí)時(shí)數據庫、歷史趨勢、報警和事件記錄、設備連接性、系統配置工具，以及G這一圖形化編程語(yǔ)言，您可以利用它將各個(gè)軟件功能塊組合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出HMI以及控制應用程序。
    利用LabVIEW 6i時(shí)，所要做的是要建立虛擬儀器(VI)，而不是要編寫(xiě)程序。在指定其功能時(shí)，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計概念。在G的圖形化函數庫中包含了流程的自動(dòng)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準(例如Active X和SQL)，與各項應用共享信息。
    本系統利用LabVIEW 6i為開(kāi)發(fā)平臺，在與數據庫聯(lián)系時(shí)利用LabVIEW 6i專(zhuān)業(yè)版內帶的SQL Toolkit工具包。通過(guò)SQL Toolkit可以訪(fǎng)問(wèn)現有的大多數關(guān)系型數據庫（如MS SQL Server、Oracle、Sybase和Informix等），用標準的SQL語(yǔ)句實(shí)現對數據庫的查詢(xún)、修改、增刪等操作。LabVIEW 6i本身帶有功能強大的高級分析庫，提供多種時(shí)頻域分析功能，針對于振動(dòng)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(dòng)分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測量和加權濾波等功能。
3） 監測系統軟件模塊
    自己開(kāi)發(fā)的監測系統軟件包括：數據采集程序、數據庫管理程序、狀態(tài)監測與報警程序、分析程序、網(wǎng)絡(luò )通訊程序等。
整個(gè)系統除分析站部分采用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)外，其余各站的軟件都利用LabVIEW 6i和其附加軟件開(kāi)發(fā)。
    系統主要功能
1） 顯示和監控功能
    該功能主要是由安裝在操作室監測站上的應用程序實(shí)時(shí)接收采集站的數據實(shí)現的。以圖形方式直觀(guān)地監測設備振動(dòng)、速度和其它工藝信號（見(jiàn)圖3）。
2） 報警功能
    通過(guò)長(cháng)期的數據積累和分析，確定軋制不同鋼種、規格時(shí)振動(dòng)門(mén)限值，然后在系統中進(jìn)行設定。當振動(dòng)強度超標時(shí)，就會(huì )提示操作人員根據實(shí)際情況進(jìn)行相應的處理，同時(shí)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，結合Visual C++ 6.0，系統對采集的各種信號（以振動(dòng)信號為主）開(kāi)發(fā)的功能模塊有：時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊、時(shí)頻分析模塊、包絡(luò )分析模塊、高階統計量模塊、趨勢分析模塊模塊、離線(xiàn)鋼卷評價(jià)模塊等。

    系統特點(diǎn)
1） 高可靠性
    本系統站采用PXI體系結構，選用美國NI公司的調理、采集模塊和LabView 6i開(kāi)發(fā)平臺，保證了系統的高可靠性。
2） 完備的專(zhuān)業(yè)分析工具
    整個(gè)系統各個(gè)站的軟件都利用LabView 6i和其附加軟件開(kāi)發(fā)，LabView 6i本身帶有功能強大的高級分析庫，提供多種時(shí)頻域分析功能；對于振動(dòng)信號分析利用Sound and Vibration Toolset軟件包完成，Sound and Vibration Toolset聲音和振動(dòng)分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測量和加權濾波等功能。
3） 采用DataSocket技術(shù)
    本系統是基于虛擬儀器的測控網(wǎng)絡(luò )系統，數據采集站在數據采集的同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據實(shí)時(shí)傳遞到操作站。LabVIEW 6i內帶DataSocket技術(shù)可以滿(mǎn)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用程序和數據源之間共享數據。利用DataSocket軟件還可以對資源的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行嚴格控制，可以對用戶(hù)按照不同類(lèi)別分組，并分別賦予不同的讀、寫(xiě)等權限，使資源得到比較好的保護，降低對資源訪(fǎng)問(wèn)時(shí)產(chǎn)生沖突的幾率。
    結論
    利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的基于PXI體系的軋機振動(dòng)紋在線(xiàn)監診系統已投入軋鋼廠(chǎng)現場(chǎng)使用，為現場(chǎng)操作、產(chǎn)品質(zhì)量分析以及設備維護提供了一個(gè)強有力的工具。
實(shí)踐證明，該系統運行情況良好。從投入至今連續運行五個(gè)多月沒(méi)有出現死機等意外情況，達到了預期的效果。在今年二月份軋機曾出現異常振動(dòng)情況，本監測系統完整記錄了設備劣化全過(guò)程的信息，對于及時(shí)分析設備故障原因，迅速恢復生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。
由于該系統的成功應用，增強了我們將PXI體系結構的在線(xiàn)監測系統推廣到寶鋼冷軋其它機組以及熱軋的信心。