基于LabVIEW的電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)測試無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

孟輝 李松

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

大型電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的現(xiàn)場測試系統(tǒng)其測量、輸入、輸出、結(jié)果分析有可能分布在不同的地理位置，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)能將具有不同功能的測試設(shè)備有效地連接起來共同完成整個測試任務(wù)，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件等在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得以共享，減少設(shè)備重復(fù)投資，并實現(xiàn)測試的綜合自動化[1]。某些具有危險性的、環(huán)境惡劣的實驗，不適合人員現(xiàn)場操作，也需要實行遠(yuǎn)程控制，將采集的數(shù)據(jù)自動存入服務(wù)器中供用戶使用[2]。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬儀器與 Internet無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化、大型工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程測控提供了更好的實現(xiàn)平臺[3]。

無線網(wǎng)絡(luò)靈活性高，拆卸方便，移位后不要重裝布線，重復(fù)使用性好；無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展簡單，重建速度快；覆蓋范圍大，采用合適的布點(diǎn)技術(shù)，可以使地理環(huán)境限制減少到零；無線擴(kuò)頻通信在出現(xiàn)故障時能快速找出原因，恢復(fù)線路正常運(yùn)行，其在可靠性、可用性和抗毀性等很多方面超出了傳統(tǒng)的有線通信方式，尤其在一些特殊的地理環(huán)境下，更是體現(xiàn)出其優(yōu)越性。將有線的連接方式轉(zhuǎn)換為無線的連接方式成為實施大型軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)測試實驗的一個必然趨勢。因此，本文綜合幾種網(wǎng)絡(luò)通信功能實現(xiàn)方法研究的基礎(chǔ)上，提出了一套基于LabVIEW的電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺，并利用該平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)子摩擦學(xué)的實驗。

1 LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能分析

LabVIEW 的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)平臺是一個為遠(yuǎn)程虛擬實驗室提供基礎(chǔ)的平臺[4]。LabVIEW 支持多種網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過多次實驗分析比較得出這幾種網(wǎng)絡(luò)通信方式的特點(diǎn)，如表1所示。根據(jù)軸承-轉(zhuǎn)子測試系統(tǒng)的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)分析，可以采用TCP通信技術(shù)和Remote Panels通信技術(shù)。

2.1 TCP

TCP（Transmission Control Protocol）使用簡單的IP服務(wù)，提供一種面向連接的、可靠的傳輸層服務(wù)。TCP傳輸方式對數(shù)據(jù)是無損的，最安全，不容易丟失數(shù)據(jù)而且效率高[5]，為典型的傳輸大量數(shù)據(jù)或需要接受數(shù)據(jù)許可的應(yīng)用程序提供面向連接的可靠的通信。體現(xiàn)在 LabVIEW 應(yīng)用中，可以直接調(diào)用TCP模塊完成流程編寫，而無需過多考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實現(xiàn)。

表1 LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信主要功能特點(diǎn)對比

2.2 Remote Panels

Remote Panels是LabVIEW專門為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)計的高度封裝的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以以非常簡單的方式直接在本地計算機(jī)上打開并操作位于遠(yuǎn)程計算機(jī)上的 VI前面板，甚至可以將LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一個網(wǎng)頁中并在網(wǎng)頁中直接操作它[6]。這是其它通信方式不具有的優(yōu)點(diǎn)；在擴(kuò)展方面，只需設(shè)計不包含遠(yuǎn)程任務(wù)的本地采集，就可以通過Remote Panels變?yōu)檫h(yuǎn)程采集，因此實驗的擴(kuò)展僅僅與實驗本身的擴(kuò)展有關(guān)而不涉及實驗的遠(yuǎn)程通信。

2 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

在對 LabVIEW 的幾種網(wǎng)絡(luò)通信功能實現(xiàn)方法研究的基礎(chǔ)上，提出了一套基于 LabVIEW 的電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺。整個實驗平臺的架構(gòu)如圖1所示，其中服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為 SQL Server 2000，測控軟件為LabVIEW8.6，硬件設(shè)備為NI公司的數(shù)據(jù)采集卡USB-6218以及一些前端電路設(shè)備；此外利用300M 無線寬帶路由器（型號 TL-WR800N），它采用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先無線芯片方案，無線傳輸速率最高可達(dá) 300Mbps，是 TL-WR700N速率的 2倍，TL-WR800N還采用了 MIMO多收多發(fā)天線技術(shù)、CCA空閑信號檢測技術(shù)等先進(jìn)11N技術(shù)，有效提升無線信號的穿透力和穩(wěn)定性，消除無線盲點(diǎn)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺架構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：一部分通過TCP技術(shù)實現(xiàn)實驗設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視需要把視頻數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸出來，要求速度快。另外這部分的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的編程是相對簡單的，設(shè)備如何擴(kuò)展與測控技術(shù)都無關(guān)，因此選擇TCP技術(shù)，此部分為C/S模式。

另一部分為電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)測試實驗程序的監(jiān)控，這部分編程比較復(fù)雜，以需要實時監(jiān)控的試驗設(shè)備為對象，需要遠(yuǎn)程控制該設(shè)備的數(shù)據(jù)采集實驗操作。在本地客戶端計算機(jī)上打開并操作位于遠(yuǎn)程服務(wù)器端計算機(jī)的 VI前面板，同一時刻一個客戶控制實驗，多個客戶監(jiān)視數(shù)據(jù)變化。服務(wù)器端測試任務(wù)變化后，客戶端不需要更改，使客戶端的配置盡量簡單、實驗系統(tǒng)的管理更加方便。具體采用Remote Panels來實現(xiàn)，這部分為B/S模式。

3 基于LabVIEW的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 利用TCP技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控

系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控之前，需要將視頻圖像采集出來，然后再利用TCP通信技術(shù)將視頻數(shù)據(jù)傳輸出去。本文采用基于USB的攝像頭對設(shè)備的圖像信號進(jìn)行采集，LabVIEW的數(shù)據(jù)流程依次為：進(jìn)行設(shè)備的初始化約（100ms）、圖像捕獲、平滑圖片、判斷保存、關(guān)閉設(shè)備等。攝像頭的數(shù)據(jù)采集與TCP的通信同步。

LabVIEW中利用已發(fā)布的TCP VI來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸，工作模式如圖2所示。

圖2 雙機(jī)TCP通信流程圖

（1）首先 Server主機(jī)初始化，制定網(wǎng)絡(luò)通信端口（此處為9000），并用TCP Listener .vi節(jié)點(diǎn)建立TCP聽者，等待Client發(fā)送的連接請求；

（2）Client計算機(jī)開啟TCP連接，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址和端口，網(wǎng)絡(luò)地址為Server的名稱，端口值要與Server端的一致；

（3）Server主機(jī)響應(yīng)并建立數(shù)據(jù)傳輸通道；

（4）連接過程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)錯誤判斷，若有網(wǎng)絡(luò)錯誤則關(guān)閉攝像頭，中斷連接；

（5）數(shù)據(jù)傳輸，利用TCP Write/ Read. vi模塊完成，Server將攝像頭采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)長度寫入TCP，客戶端相應(yīng)的讀取TCP的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度，并進(jìn)行圖像顯示；

（6）傳輸完畢中斷連接，并關(guān)閉攝像頭。

3.2 實驗程序的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

采用 Remote Panels來實現(xiàn)實驗程序部分的遠(yuǎn)程控制。首先配置LabVIEW Web Server，它包含三個方面的：（1）文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；（2）VIs訪問權(quán)限設(shè)置；（3）客戶機(jī)訪問權(quán)限設(shè)置。所有的配置參數(shù)可以在程序中動態(tài)地配置。為了提供網(wǎng)頁瀏覽器的訪問，必須利用 LabVIEW 的Web發(fā)布工具將測試程序發(fā)布出去，具體步驟：

第一步：在Web Server端計算機(jī)中打開設(shè)計好的摩擦學(xué)測試系統(tǒng)程序的前面板窗口。

第二步：在 Client端的 LabVIEW菜單欄中選擇操作-連接遠(yuǎn)程前面板，進(jìn)行一系列的設(shè)置：服務(wù)器計算機(jī)的 IP地址、域名或計算機(jī)名；VI名字欄中輸入想要控制的遠(yuǎn)程 VI的名稱，如test.vi；在端口欄中輸入 Web服務(wù)器配置中設(shè)定的HTTP Port；控制項目包括實驗的開始、停止、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存、控制權(quán)的時間。注意的是服務(wù)器與客戶端的端口要選擇一致。

4 實驗與結(jié)論

采用所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，利用環(huán)-塊摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)試驗，上試樣GCr15，下試樣45#。試驗條件：載荷28.3N，潤滑劑40#原液，試驗時間10min，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)200rmp。服務(wù)器與客戶端距離 500m，隔 3道墻壁，路由器在距服務(wù)器50m的位置。

采集圖像程序前面板如圖3所示，利用USB攝像頭采集到的設(shè)備狀態(tài)可以清晰的觀測到摩擦副的接觸情況。轉(zhuǎn)子-軸承摩擦學(xué)測試實驗程序遠(yuǎn)程控制部分的服務(wù)器端以及客戶端的前面板如圖4 的（a）、（b）所示。

圖3 采集圖像程序前面板

圖4 服務(wù)器端以及客戶端摩擦學(xué)實驗程序前面板

采用所開發(fā)的系統(tǒng)，進(jìn)行了大量驗證性試驗。從工作情況看，客戶端設(shè)備監(jiān)控程序基本能無失真地接收服務(wù)器端發(fā)送過來的視頻數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸工作延時短（約 3ms）。說明基于 TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信是可靠的，能夠成功完成圖像數(shù)據(jù)的傳送，可以應(yīng)用到電機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承摩擦系統(tǒng)分布式現(xiàn)場監(jiān)控中；另外摩擦學(xué)試驗程序的監(jiān)控靈活性非常好，可控性強(qiáng)，可遠(yuǎn)程控制摩擦學(xué)實驗的各種參數(shù)，響應(yīng)速度快。為摩擦學(xué)測試系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

[1]朱文凱, 陶波, 何嶺松. 基于 Internet 的測控系統(tǒng)——網(wǎng)絡(luò)化儀器.中國計量，2004 ,7 :53-54.

[2]林靜, 林振宇, 鄭福仁. LabVIEW 虛擬儀器程序設(shè)計從入門[M]. 人民郵電出版社 2010.07.

[3]梁惺彥, 和衛(wèi)星. LabVIEW 實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸[J].微機(jī)算機(jī)信息, 2004, 20(9).

[4]Test Electric Components with LabVIEW Controlled Virtual Instruments. Computer Based Measurement and Automation National Instrument, (2004).

[5]Fall K, Floyd S. Simulation－based comparison of Tahoe, Reno, and SACK TCP[J]. Computer Communication Review, 2003,5-21.

[6]李迺璐, 呂躍剛, 范曉旭. 基于 LabVIEW 風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的通信設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2010,25.