邵東波

（威海職業(yè)學(xué)院，威海 264210）

0 引言

將各測(cè)點(diǎn)參數(shù)例如溫度、壓力、流量、振動(dòng)等連續(xù)變化的物理量離散化、量化編碼，變成數(shù)字量，這個(gè)過(guò)程就是數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的主要步驟就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量通過(guò)各種傳感器元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)與外部聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)追求的目標(biāo)有兩個(gè)：精度和速度。對(duì)任何量的測(cè)試都要有一定的精確度要求，否則將失去測(cè)試的意義；提高數(shù)據(jù)采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要是擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用范圍，便于動(dòng)態(tài)測(cè)試。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包括：工控機(jī)，PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡，ADAM4520 RS-485到RS-232轉(zhuǎn)換器，ADAM 4015溫度測(cè)量模塊，接口箱，信號(hào)調(diào)理箱，溫度、振動(dòng)、壓力和轉(zhuǎn)速等各類測(cè)點(diǎn)傳感器。

在設(shè)計(jì)硬件時(shí)充分注意了抗干擾，可靠性冗余設(shè)計(jì)等，下面分別就其中幾部分進(jìn)行介紹。

1.1 工控機(jī)

工控機(jī)采用臺(tái)灣研華奔騰四級(jí)工控主機(jī)。

1.2 傳感器

傳感器的選擇取決于測(cè)控量的特征，也同設(shè)備和環(huán)境以及需求有密切關(guān)系。同時(shí)考慮傳感器的適應(yīng)性和穩(wěn)定性等性能。

1) 振動(dòng)傳感器

破碎機(jī)部件磨損，傳動(dòng)軸彎曲，皮帶輪失衡，基礎(chǔ)地基承載能力不合適，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速過(guò)高等，都會(huì)反應(yīng)出破碎機(jī)振動(dòng)過(guò)大，及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)破碎機(jī)振動(dòng)狀況可以集中反應(yīng)破碎機(jī)的運(yùn)行狀況。

2) 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速太低常造成破碎能力下降，破碎機(jī)失速，而傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速過(guò)高又引起的振動(dòng)過(guò)大，所以及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)主軸速度是非常重要的。

3) 流量傳感器

可以判斷因油泵磨損而引起的供油不足，和主軸內(nèi)的潤(rùn)滑油孔，油冷卻器，回油管路等部位被污物或碎屑堵塞而造成的回油不正?；蚵┯凸收?。

1.3 ADAM4015溫度測(cè)量模塊

由于溫度值是個(gè)緩變量，在采集過(guò)程中每次采樣所獲得的結(jié)果幾乎相同，因此本采集系統(tǒng)中溫度采集采用與其它各模擬參數(shù)采集不同的采集模塊，以便能加快采集速度并同時(shí)降低系統(tǒng)資源消耗。

ADAM模塊是一種連接傳感器與工控機(jī)的智能界面，它內(nèi)置了一微型處理器。用戶程序通過(guò)一系列基于ASCII碼形式及RS-485協(xié)議的指令來(lái)對(duì)它進(jìn)行控制。發(fā)送數(shù)據(jù)則是通過(guò)RS-485接口發(fā)送到主機(jī)。它提供了信號(hào)調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換以及RS-485數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.4 ADAM4520 RS-485到RS-232轉(zhuǎn)換器

RS-485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾娖饕?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線之一。這種總線允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信，它具有噪音抑制能力，它的數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。正因?yàn)槿绱?，我們選用RS-485作為低速數(shù)據(jù)傳輸連路。

在系統(tǒng)中，通過(guò)ADAM4520模塊建立一個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這些遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。這樣做有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) ADAM4520為帶光耦合隔離的模塊（隔離電壓為直流500V）。在現(xiàn)場(chǎng)，由于電磁干擾、多點(diǎn)接地或遠(yuǎn)距離傳輸，都有可能造成電壓差。采用了光電耦合等隔離方式的ADAM4520模塊，可有效防止電壓差引起的控制設(shè)備故障或損壞。

2) RS-485網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式為半雙工多點(diǎn)，1個(gè)發(fā)送器可以有多達(dá)32個(gè)接收器。這樣在工控機(jī)端只需1個(gè)接收用ADAM4520，就可將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)接收到工控機(jī)。

3) RS-485網(wǎng)絡(luò)通信距離為1200m，可充分滿足遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4) ADAM模塊的智能I/O電路自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流方向，而不需要握手信號(hào)（如RTS和CTS）。所以RS-485網(wǎng)絡(luò)通信只需一對(duì)導(dǎo)線便可。

本系統(tǒng)采用3個(gè)ADAM4520連接模塊，每個(gè)連接模塊連接6至33個(gè)不等的ADAM4015溫度測(cè)量模塊，連接方式采用總線型連接。下圖是該模塊的連接結(jié)構(gòu)圖。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中充分注意了軟件抗干擾功能的加入，基本思想是硬件設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)化，把盡量多的功能由軟件實(shí)現(xiàn)。這樣設(shè)計(jì)可以減少硬件數(shù)量，從而減少了不可靠因素，另外從經(jīng)濟(jì)上可以降低成本，并且更易于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和技術(shù)升級(jí)。根據(jù)所用硬件不同，分別為溫度傳感器和非溫度傳感器設(shè)計(jì)采集程序。

2.1 非溫度采集程序

LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)采集功能子模塊，利用這些子模塊將采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖3，圖4所示。

采集模塊流程最外層流程的最外層是循環(huán)結(jié)構(gòu)（While Structure） ，While循環(huán)有兩個(gè)固定的端口。循環(huán)端口Iteration Terminal是一個(gè)輸出端口，它輸出循環(huán)當(dāng)前執(zhí)行的次數(shù)。循環(huán)數(shù)是從0 開(kāi)始計(jì)數(shù)的。條件端口Conditional Terminal是一個(gè)布爾量輸入端口，它是循環(huán)的控制條件?？丶﨧ean.vi采用的公式為：

公式中：N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)（N =12）；uk為第k 次離散采樣電壓值。

圖3 非溫度采集模塊流程

圖4 轉(zhuǎn)換電壓子模塊流程

2.2 溫度采集程序

該程序包括了控件VISAOpen、VISA Close、VISA Read和VISAWrite，它們各自的功能分別為打開(kāi)一個(gè)指定串口并且向它返回一個(gè)能調(diào)用其它串口操作的標(biāo)志序列；關(guān)閉一個(gè)指定串口并使之停止接收任何串口操作序列；用同步或者異步方式從串口讀出指定字節(jié)的數(shù)據(jù)；用同步或者異步方式向串口寫(xiě)入數(shù)據(jù)或命令。由于寫(xiě)命令與讀數(shù)據(jù)之間需要有一段等待時(shí)間，以便等待連接串口設(shè)備從傳感器讀取并處理數(shù)據(jù)，因此需要借用等待控件Wait(ms)設(shè)定等待時(shí)間，使寫(xiě)命令與讀數(shù)據(jù)這兩過(guò)程能夠同步進(jìn)行。等待時(shí)間既不能太長(zhǎng)也不能太短，太長(zhǎng)則導(dǎo)致采數(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響整個(gè)程序的執(zhí)行效率；太短則導(dǎo)致寫(xiě)命令與讀數(shù)據(jù)這兩過(guò)程無(wú)法同步進(jìn)行，造成讀數(shù)錯(cuò)誤，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)反復(fù)調(diào)試的結(jié)果，等待時(shí)間應(yīng)該設(shè)定為100ms。最外層的循環(huán)框則是限定次數(shù)的循環(huán)，次數(shù)由待測(cè)量的采集模塊數(shù)決定。在該流程內(nèi)每次循環(huán)時(shí)都通過(guò)VISAWrite控件向ADAM發(fā)出命令“#AA”，將AA號(hào)模塊寄存器中的數(shù)據(jù)通過(guò)VISARead控件讀入到內(nèi)存。再通過(guò)字符控件（String Subset）將它轉(zhuǎn)換成程序所需要的雙精度實(shí)數(shù)格式。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述軟件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證明可以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，從而可以大大提高破碎機(jī)故障診斷系統(tǒng)的效率。

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