游 紅

(湖南工程學院工程訓練中心,湘潭411101)

0 引 言

目前,隨著科技的發(fā)展,工廠自動化的程度越來越高,則相應的監(jiān)控系統(tǒng)則越來越多.在眾多的監(jiān)控系統(tǒng)中[1],大多數的將牽涉到變頻器對電機進行調速及調矩監(jiān)控.由于變頻器的引入以及工廠大功率電器的頻繁啟停等,會帶來高次諧波的危害,將會對整個監(jiān)控系統(tǒng)的信號產生極大的影響,污染嚴重甚至將會使整個監(jiān)控系統(tǒng)信號失真而失去對系統(tǒng)的監(jiān)控作用.

本文利用NI公司的LABview軟件對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行數據采集[2-3],然后利用MATLAB軟件對采集回來的數據進行離線分析處理,得出整個信號的頻率譜圖,從而確定噪聲的頻譜帶,從而確定濾波參數.最好通過確定好的濾波參數返回到Lab-VIEW軟件中,利用LabVIEW軟件中的在線濾波函數對污染信號進行處理,去除噪聲污染,從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行.

1 LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

本監(jiān)控系統(tǒng)為三級齒輪變速箱監(jiān)控系統(tǒng),所需檢測的參數有輸入轉矩、輸入轉速、輸出轉矩、輸出轉速、壓力、三級減速箱的溫度及振動.其中四路輸入轉矩及輸出轉速通過RS232串口進入計算機,而其它的傳感器信號則通過數據采集卡進入計算機.本監(jiān)控系統(tǒng)中利用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺,利用PLC作為控制系統(tǒng),而利用ABB公司的變頻器實現對電機的調速及調轉矩.整體采集系統(tǒng)布局數據顯示模塊如圖1所示.

圖1 數據顯示部分面板布局圖

1.2 系統(tǒng)數據采集

本監(jiān)控采集系統(tǒng)由兩種方式進入計算機,一是串口的RS232;二是經數據采集卡進入工控機.在LabVIEW軟件中,兩種不同方式的采集程序分別如圖2和圖3所示.

對于串口數據采集,則相應的采集頻率不應該過高,一般應設為1 s從端口讀取一次,采樣頻率過高或過高則可能會造成端口讀取數據失敗.串口數據相對穩(wěn)定而受外界的干擾較小.而對于數據采集卡采集則相應的采集頻率可以較高,由于采集都是電壓弱點信號,則很容易受外界電磁環(huán)境干擾.

2 信號處理與分析

2.1 數據離線分析

監(jiān)測系統(tǒng)搭建完成時,對實驗系統(tǒng)進行測試和調試時,發(fā)現各串口數據當運行時間過太久時,有時候會讀取失敗.但其它經數據經采集卡進入工控機的數據波動特別大.如圖4所示的一級齒輪變速箱溫度.圖4中采集的溫度數據為在10 s內的一段經過標定后的溫度數據,其采樣頻率為10 Hz.此溫度為一級減速器達到熱平衡之后的溫度.但從圖4中可以看到,該溫度波動非常大,而且其某些點的溫度數據已經嚴重失真,不能真實放映真實的溫度監(jiān)測情況.

圖4 原始溫度圖

2.2 數據失真分析

引起這種失真主要是由于監(jiān)控系統(tǒng)中引用了變頻器調速系統(tǒng),由于變頻器的引入會產生高次諧波會對周邊的傳感器信號產生巨大的影響,再者由于所在工廠車間存在大型功率設備的時刻啟停,對電網的沖擊很大,這樣也會對傳感器信號的采集產生影響.對于后者大功率設備的啟停,我們專門為此系統(tǒng)配備了穩(wěn)壓電源進已緩沖.對于變頻器引起的高次諧波的影響,則需要通過濾波處理進行調整,消除噪聲.

2.3 采集卡信號濾波處理

2.3.1 濾波原理簡介

濾波原理可用圖5所示表示.

圖5 濾波原理圖

從圖5中可以得出相應的原始信號X經濾波后的信號Y之間有如下關系.

2.3.2 信號FFT分析

對信號濾波之前,必須得分析出信號的成分,確定噪聲信號和主信號的參數后,才能很好的對信號進行濾波處理.利用圖4中的原始溫度數據做FFT頻譜圖,如圖6所示.

圖6 原始信號頻譜圖

從圖中可以看出,信號的頻段主要分布在小于0.001 Hz的頻段,則可以采用低通濾波器對其進行濾波處理.相應的在LabVIEW軟件中,則相應的增加濾波處理模塊,其濾波處理模塊程序框圖如圖7所示.相應的函數處理模塊為Filters PtBy Pt Palette函數處理模塊,可以選用Chebyshev Filter Pt-By Pt函數進行濾波,此濾波程序框圖為圖7所示.

圖7 濾波程序框圖

根據前面對信號的頻譜分析,則可以將低通濾波器的截止頻率設為1 Hz.處理后,同樣采集10 s內的一級減速箱溫度信號為圖8所示.

圖8 濾波后的溫度圖

由圖8可知,此時在達到熱平衡后,其信號基本上達到穩(wěn)定,其溫度并沒有很大的波動,從而濾波效果是明顯的,有效的抑制了變頻器的高次諧波對信號的干擾.

2.4 串口數據讀取失敗處理

而對于四路串口信號,但運行時間過久時,當連續(xù)五天運作,則串口讀取失敗的頻率會高,由于讀取失敗,則采集回來的串口都是空數據.經過研究分析,串口采集失敗主要是由于長時間運行,導致LabVIEW給串口開的數據緩沖已滿,則會導致后面的數據丟失,從而會引起讀取失敗.為了解決這一問題,則當串口讀取失敗時,系統(tǒng)自動關閉端口1分鐘,然后重新打開串口端口;其二可將其數據緩存增大,則可以將這一問題解決,其相應的解決Lab-VIEW程序框圖如圖9所示.

圖9 串口修正部分程序框圖

3 結 論

本文介紹了減速器監(jiān)測系統(tǒng)的構成,闡述了變頻器及工廠大功率電器設備的啟停對監(jiān)控系統(tǒng)的影響,通過加穩(wěn)壓電源則可以有效的抑制大功率設備的影響,利用濾波方法則可以解決高次諧波對系統(tǒng)的影響,最后提出了串口修正方法對長時間串口數據采集失敗問題進行了處理.處理結果證明:本文中的方法有效的解決工廠監(jiān)控系統(tǒng)的信號污染問題,從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行.

[1]楊樂平,李海濤,趙 勇,等.LabVIEW 高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003.

[2]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3]殷 建,王成龍.利用LabVIEW實現軸承故障智能化監(jiān)控[J].機械工程師,2006,(7):120-122.