基于Lab V IEW監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器信號(hào)干擾分析及解決方案

游 紅

(湖南工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心,湘潭411101)

0 引 言

目前,隨著科技的發(fā)展,工廠自動(dòng)化的程度越來越高,則相應(yīng)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(shù)的將牽涉到變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及調(diào)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(huì)帶來高次諧波的危害,將會(huì)對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生極大的影響,污染嚴(yán)重甚至將會(huì)使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)失真而失去對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控作用.

本文利用NI公司的LABview軟件對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2-3],然后利用MATLAB軟件對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理,得出整個(gè)信號(hào)的頻率譜圖,從而確定噪聲的頻譜帶,從而確定濾波參數(shù).最好通過確定好的濾波參數(shù)返回到Lab-VIEW軟件中,利用LabVIEW軟件中的在線濾波函數(shù)對(duì)污染信號(hào)進(jìn)行處理,去除噪聲污染,從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

1 LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本監(jiān)控系統(tǒng)為三級(jí)齒輪變速箱監(jiān)控系統(tǒng),所需檢測(cè)的參數(shù)有輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、壓力、三級(jí)減速箱的溫度及振動(dòng).其中四路輸入轉(zhuǎn)矩及輸出轉(zhuǎn)速通過RS232串口進(jìn)入計(jì)算機(jī),而其它的傳感器信號(hào)則通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī).本監(jiān)控系統(tǒng)中利用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺(tái),利用PLC作為控制系統(tǒng),而利用ABB公司的變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速及調(diào)轉(zhuǎn)矩.整體采集系統(tǒng)布局?jǐn)?shù)據(jù)顯示模塊如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)顯示部分面板布局圖

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

本監(jiān)控采集系統(tǒng)由兩種方式進(jìn)入計(jì)算機(jī),一是串口的RS232;二是經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入工控機(jī).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(duì)于串口數(shù)據(jù)采集,則相應(yīng)的采集頻率不應(yīng)該過高,一般應(yīng)設(shè)為1 s從端口讀取一次,采樣頻率過高或過高則可能會(huì)造成端口讀取數(shù)據(jù)失敗.串口數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定而受外界的干擾較小.而對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡采集則相應(yīng)的采集頻率可以較高,由于采集都是電壓弱點(diǎn)信號(hào),則很容易受外界電磁環(huán)境干擾.

2 信號(hào)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)離線分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建完成時(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)各串口數(shù)據(jù)當(dāng)運(yùn)行時(shí)間過太久時(shí),有時(shí)候會(huì)讀取失敗.但其它經(jīng)數(shù)據(jù)經(jīng)采集卡進(jìn)入工控機(jī)的數(shù)據(jù)波動(dòng)特別大.如圖4所示的一級(jí)齒輪變速箱溫度.圖4中采集的溫度數(shù)據(jù)為在10 s內(nèi)的一段經(jīng)過標(biāo)定后的溫度數(shù)據(jù),其采樣頻率為10 Hz.此溫度為一級(jí)減速器達(dá)到熱平衡之后的溫度.但從圖4中可以看到,該溫度波動(dòng)非常大,而且其某些點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)已經(jīng)嚴(yán)重失真,不能真實(shí)放映真實(shí)的溫度監(jiān)測(cè)情況.

圖4 原始溫度圖

2.2 數(shù)據(jù)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(diào)速系統(tǒng),由于變頻器的引入會(huì)產(chǎn)生高次諧波會(huì)對(duì)周邊的傳感器信號(hào)產(chǎn)生巨大的影響,再者由于所在工廠車間存在大型功率設(shè)備的時(shí)刻啟停,對(duì)電網(wǎng)的沖擊很大,這樣也會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)的采集產(chǎn)生影響.對(duì)于后者大功率設(shè)備的啟停,我們專門為此系統(tǒng)配備了穩(wěn)壓電源進(jìn)已緩沖.對(duì)于變頻器引起的高次諧波的影響,則需要通過濾波處理進(jìn)行調(diào)整,消除噪聲.

2.3 采集卡信號(hào)濾波處理

2.3.1 濾波原理簡(jiǎn)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(yīng)的原始信號(hào)X經(jīng)濾波后的信號(hào)Y之間有如下關(guān)系.

2.3.2 信號(hào)FFT分析

對(duì)信號(hào)濾波之前,必須得分析出信號(hào)的成分,確定噪聲信號(hào)和主信號(hào)的參數(shù)后,才能很好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理.利用圖4中的原始溫度數(shù)據(jù)做FFT頻譜圖,如圖6所示.

圖6 原始信號(hào)頻譜圖

從圖中可以看出,信號(hào)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(duì)其進(jìn)行濾波處理.相應(yīng)的在LabVIEW軟件中,則相應(yīng)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(yīng)的函數(shù)處理模塊為Filters PtBy Pt Palette函數(shù)處理模塊,可以選用Chebyshev Filter Pt-By Pt函數(shù)進(jìn)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(jù)前面對(duì)信號(hào)的頻譜分析,則可以將低通濾波器的截止頻率設(shè)為1 Hz.處理后,同樣采集10 s內(nèi)的一級(jí)減速箱溫度信號(hào)為圖8所示.

圖8 濾波后的溫度圖

由圖8可知,此時(shí)在達(dá)到熱平衡后,其信號(hào)基本上達(dá)到穩(wěn)定,其溫度并沒有很大的波動(dòng),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(duì)信號(hào)的干擾.

2.4 串口數(shù)據(jù)讀取失敗處理

而對(duì)于四路串口信號(hào),但運(yùn)行時(shí)間過久時(shí),當(dāng)連續(xù)五天運(yùn)作,則串口讀取失敗的頻率會(huì)高,由于讀取失敗,則采集回來的串口都是空數(shù)據(jù).經(jīng)過研究分析,串口采集失敗主要是由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,導(dǎo)致LabVIEW給串口開的數(shù)據(jù)緩沖已滿,則會(huì)導(dǎo)致后面的數(shù)據(jù)丟失,從而會(huì)引起讀取失敗.為了解決這一問題,則當(dāng)串口讀取失敗時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉端口1分鐘,然后重新打開串口端口;其二可將其數(shù)據(jù)緩存增大,則可以將這一問題解決,其相應(yīng)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(jié) 論

本文介紹了減速器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成,闡述了變頻器及工廠大功率電器設(shè)備的啟停對(duì)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(shè)備的影響,利用濾波方法則可以解決高次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響,最后提出了串口修正方法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間串口數(shù)據(jù)采集失敗問題進(jìn)行了處理.處理結(jié)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(hào)污染問題,從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

[1]楊樂平,李海濤,趙 勇,等.LabVIEW 高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[2]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[3]殷 建,王成龍.利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)軸承故障智能化監(jiān)控[J].機(jī)械工程師,2006,(7):120-122.