基于LabVIEW和PXI的軋機振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)

　　介紹：在鋼鐵業(yè)，軋機的振動會導致帶鋼及軋輥表面產生振動紋，這不僅嚴重影響產品的質量而且降低生產效率。寶鋼在國內率先開發(fā)了一套基于LabVIEW和PXI的軋機振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取和記錄振動信號、工藝及設備參數，全面反映軋制過程的狀態(tài)和振動紋產生信息。系統(tǒng)具有顯示監(jiān)控、報警、診斷分析和歷史數據查詢功能。系統(tǒng)已成功地應用于冷軋平整機組，對于生產操作和設備維護提供有力的技術支撐。該系統(tǒng)可靠性高、完善的分析功能、開發(fā)周期短，具有廣闊的發(fā)展前景。
    背景：
    在鋼鐵業(yè)，由于軋機振動帶鋼在熱軋和冷軋過程中其表面和支撐輥上會產生明暗相間的條紋（圖１）。振動紋的產生對軋鋼生產主要有兩方面的不利影響。一是難以滿足用戶對帶鋼表面質量的要求，因為，即便將帶鋼表面進行了噴涂，其明暗相間的條紋依然可見，這對車身或家用電器的用戶來說是難以接受的；二是振動紋有時也會出現(xiàn)在支承輥上，因而增加了換輥的次數，降低了生產效率。

    建立一套軋機振動紋在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲取設備的狀態(tài)信號，找出振動紋的主要成因；同時，在試驗的基礎上，確定振動紋的判別準則，實現(xiàn)對振動紋的實時報警，從而對現(xiàn)場操作、設備維護和設備改造提供指導意見。

    系統(tǒng)總體結構
    本系統(tǒng)是在冷軋單機架平整機上實施，用于工業(yè)現(xiàn)場的實時數據采集、監(jiān)控以及對數據的精密分析，要求系統(tǒng)可靠性高，實時性強并具有完善的分析處理功能。整個系統(tǒng)采用基于Fast Ethernet 的網絡結構，如圖2所示。
    整個系統(tǒng)由數采站、監(jiān)視站、分析站、工程師站、交換機和服務器構成，是一個完整的測控網絡系統(tǒng)。
    系統(tǒng)硬件模塊介紹
1） 數采站
    信號采集站要求連續(xù)工作和無人看管，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盒以及連接線和附件。數采站主要完成所有系統(tǒng)相關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Intel PIII450的CPU，1個3.5in.、1.44MB軟驅，1個串口，1個并口，1個    USB接口，4GB的硬盤。PXI系統(tǒng)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，其獨特的顯示技術使其在提供高性能顯示的同時，將PCI總線的132Mb/s的帶寬全部留給了其它的PXI模塊。
    PXI-8210：集成高速（100BaseTX）以太網接口和Wide Ultra SCSI（40 Mbytes/s）總線接口為一個PXI模塊，節(jié)省了PXI插槽。
    PXI－1010：該混合機箱包括8個PXI插槽和4個SCXI調理模塊插槽。PXI-1010符合PXI總線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(tǒng)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/定時器通道。該模塊還支持采集數據實時流盤功能，非常適用于要求高速記錄采集數據的場合。
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，過壓保護±30V，可做抗混疊濾波器。
2） 服務器
    數據采集服務器的任務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(qū)，將處理后的數據寫入特征數據庫和歷史數據庫。計算機采用一臺商用臺式PC機服務器，內插100M網卡。采用Windows NT操作系統(tǒng)，軟件為與采集站、操作室監(jiān)視站、分析站通訊的數據報服務器、數據庫管理程序等。
3） 操作室監(jiān)視站
    操作室監(jiān)視站的任務為實時監(jiān)測振動頻譜、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網卡，采用Win98操作系統(tǒng)，軟件為參數手工輸入程序、狀態(tài)監(jiān)測程序、通信程序等。
4） 分析站
分析站任務為系統(tǒng)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網卡，采用Win98操作系統(tǒng)，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
    供專業(yè)工程師進行精密分析和設備診斷之用。提供的分析工具和分析站類似。
6） 交換機
    作為工業(yè)現(xiàn)場應用的測控網絡系統(tǒng)，在設備的可靠性，網絡的吞吐率，以及數據安全性都有著一定的要求。
交換機作為網絡傳輸的樞紐，除應長期連續(xù)可靠的工作以外，為保證數據準確實時的傳遞，交換機應最大限度地減少通信擁擠，每個交換式以太網端口都能得到全部100Mbps的帶寬。
    系統(tǒng)軟件結構
    本套系統(tǒng)對軟件的要求較為嚴格，首先要求操作系統(tǒng)穩(wěn)健并具有良好的網絡功能，其次軟件開發(fā)平臺應功能完善，執(zhí)行效率高，方便集成，另外系統(tǒng)需要許多的高級分析功能，要求軟件提供專業(yè)的分析處理函數。
1） 操作平臺
    本系統(tǒng)中操作站和數據采集站的操作系統(tǒng)擬選用Windows NT Workstation 4.0，服務器操作系統(tǒng)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） 開發(fā)平臺
    軟件開發(fā)平臺數采站和監(jiān)視站選擇支持32位操作系統(tǒng)的LabView 6i專業(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具有模塊化的開放式系統(tǒng)結構。其軟件功能包括實時數據庫、歷史趨勢、報警和事件記錄、設備連接性、系統(tǒng)配置工具，以及G這一圖形化編程語言，您可以利用它將各個軟件功能塊組合起來，開發(fā)出HMI以及控制應用程序。
    利用LabVIEW 6i時，所要做的是要建立虛擬儀器(VI)，而不是要編寫程序。在指定其功能時，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化符號、I/O、分析、歷史記錄、文件，以及網絡連接的功能。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(tǒng)利用LabVIEW 6i為開發(fā)平臺，在與數據庫聯(lián)系時利用LabVIEW 6i專業(yè)版內帶的SQL Toolkit工具包。通過SQL Toolkit可以訪問現(xiàn)有的大多數關系型數據庫（如MS SQL Server、Oracle、Sybase和Informix等），用標準的SQL語句實現(xiàn)對數據庫的查詢、修改、增刪等操作。LabVIEW 6i本身帶有功能強大的高級分析庫，提供多種時頻域分析功能，針對于振動信號分析可以利用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(jiān)測系統(tǒng)軟件模塊
    自己開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括：數據采集程序、數據庫管理程序、狀態(tài)監(jiān)測與報警程序、分析程序、網絡通訊程序等。
整個系統(tǒng)除分析站部分采用Visual C++ 6.0開發(fā)外，其余各站的軟件都利用LabVIEW 6i和其附加軟件開發(fā)。
    系統(tǒng)主要功能
1） 顯示和監(jiān)控功能
    該功能主要是由安裝在操作室監(jiān)測站上的應用程序實時接收采集站的數據實現(xiàn)的。以圖形方式直觀地監(jiān)測設備振動、速度和其它工藝信號（見圖3）。
2） 報警功能
    通過長期的數據積累和分析，確定軋制不同鋼種、規(guī)格時振動門限值，然后在系統(tǒng)中進行設定。當振動強度超標時，就會提示操作人員根據實際情況進行相應的處理，同時還可以進一步地進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(tǒng)對采集的各種信號（以振動信號為主）開發(fā)的功能模塊有：時域分析模塊、頻域分析模塊、時頻分析模塊、包絡分析模塊、高階統(tǒng)計量模塊、趨勢分析模塊模塊、離線鋼卷評價模塊等。

    系統(tǒng)特點
1） 高可靠性
    本系統(tǒng)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開發(fā)平臺，保證了系統(tǒng)的高可靠性。
2） 完備的專業(yè)分析工具
    整個系統(tǒng)各個站的軟件都利用LabView 6i和其附加軟件開發(fā)，LabView 6i本身帶有功能強大的高級分析庫，提供多種時頻域分析功能；對于振動信號分析利用Sound and Vibration Toolset軟件包完成，Sound and Vibration Toolset聲音和振動分析軟件包，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
    本系統(tǒng)是基于虛擬儀器的測控網絡系統(tǒng)，數據采集站在數據采集的同時，通過網絡將數據實時傳遞到操作站。LabVIEW 6i內帶DataSocket技術可以滿足要求。
DataSocket是一種網絡軟件技術和網絡編程工具，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問進行嚴格控制，可以對用戶按照不同類別分組，并分別賦予不同的讀、寫等權限，使資源得到比較好的保護，降低對資源訪問時產生沖突的幾率。
    結論
    利用LabVIEW開發(fā)的基于PXI體系的軋機振動紋在線監(jiān)診系統(tǒng)已投入軋鋼廠現(xiàn)場使用，為現(xiàn)場操作、產品質量分析以及設備維護提供了一個強有力的工具。
實踐證明，該系統(tǒng)運行情況良好。從投入至今連續(xù)運行五個多月沒有出現(xiàn)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(xiàn)異常振動情況，本監(jiān)測系統(tǒng)完整記錄了設備劣化全過程的信息，對于及時分析設備故障原因，迅速恢復生產提供了有力的技術支撐。
由于該系統(tǒng)的成功應用，增強了我們將PXI體系結構的在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣到寶鋼冷軋其它機組以及熱軋的信心。