基于LabVIEW和网络的转子试验台测试系统开发.

基于LabVIEW和网络的转子试验台测试系统开发1．选题背景旋转机械是工业上应用最广泛的机械。

许多大型旋转机械，如：离心泵、电动机、发动机、发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，还是石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备。

本世纪以来，随着机械工业的迅速发展，现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向发展，出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生。

为了对其进行安全生产和实行科学维护，需要研究旋转机械在线监测及预测技术。

对旋转机械状态进行在线监测及预测可以有效地避免意外事故，消除续发损坏，节约大量维护费用；由于减少维修次数，从而增加设备正常运转时间，提高设备利用率，缩减维修备件的库存及库存时间。

机械设备运行状态的监测技术, 已经从单凭直觉的耳听、眼看、手摸, 发展到采用现代测量技术、计算机技术和信号分析技术的先进的监测技术, 诸如超声、声发射、红外测温等, 层出不穷。

人工智能、专家系统、模糊数学等新兴学科在机械状态监测现今, 国内外较典型的状态监测方式主要有三种:1) 离线定期监测方式。

测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点进行测试, 并用磁带机记录信号, 数据处理在专用计算机上完成, 或是直接在便携式内置微机的仪器上完成; 这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式。

采用该方式, 测试系统较简单, 但是测试工作较烦锁, 需要专门的测试人员; 由于是离线定期监测, 不能及时避免突发性故障。

2) 在线检测离线分析的监测方式。

亦称主从机监测方式, 在设备上的多个测点均安装传感器,由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理, 在主机系统上由专业人员进行分析和判断。

这种方式是近年在大型旋转机械上采用的方式。

相对第一种方式, 该方式免去了更换测点的麻烦, 并能在线进行检测和报警; 但是该方式需要离线进行数据分析和判断, 而且分析和判断需要专业技术人员参与。

3) 自动在线监测方式。

该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态, 及时进行故障预报, 而且能实现在线地进行数据处理和分析判断。

由于能根据专家经验和有关准则进行智能化的比较和判断, 中等文化水平的值班工作人员经过短期培训后就能使用。

该方式技术最先进, 不需要人为更换测点, 不仅不需要专门的测试人员, 也不需要专业技术人员参与分析和判断; 但是软硬件的研制工作量很大技术中也找到用武之地.今后, 旋转机械状态监测技术趋向由离线定期监测方式、在线检测离线分析监测方式, 发展为自动在线监测方式。

旋转机械状态监测技术正向多目标、多层次监测和网络化方向发展。

越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展和在测量与仪器上的应用以及测试的新理论、新方法、新领域的发展导致了一种新型仪器——虚拟仪器（Virtual Instrument）——的诞生。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。

它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能；用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器的调控面板，以各种需要的形式表达输出检测结果；用计算机软件实现大部分信号的分析和处理，完成各种调控和测试功能。

“软件即是仪器”，在虚拟仪器系统中，软件发挥着核心作用。

已有这样的一类虚拟仪器及其系统，在其中，硬件仅是为了解决信号的输入输出，而核心功能以软件来完成，基于虚拟仪器，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，通过软件修改的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。

DRZZS-A型多功能转子实验台是一个进行回转机械转速、振动、轴心轨迹以及动平衡等实验的综合测试装置。

由于与其配套的软件不能达到我们的要求，因此提出开发一个用于该实验台的虚拟仪器。

随着科学技术的迅猛发展，电子设备和技术向集成化、数字化和高速化方向发展，传统仪器的更新换代的速度也越来越快，而高校的经费有限，数字仪器价格昂贵，不可能大量采购，虚拟仪器正是解决这一矛盾的最佳方案。

基于PC平台的虚拟仪器，可以充分利用学校的微机资源,完成多种仪器功能，并且可以组合成功能强大的专用测试系统，还可以通过软件进行升级。

在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，开发结构简单操作方便、费用低的虚拟实验仪器，不仅可以减少实验设备资金的投入，为学生做创新性实验掌握现代仪器技术提供了条件，而且还可以用于一定的工程实际中，因此本课题的研究具有一定实际意义和应用价值。

2．方案分析目前，研制虚拟仪器软件开发平台工作做得很好的是美国国家仪器公司(NI-National Instruments)和美国惠普公司（HP）。

本设计选用美国国家仪器公司的LabVIEW软件，因为LabVIEW 是专门为工程师尤其是测试工程师设计的。

除了它的图形化编程方式适应工程师的思维习惯以外，还有一个很大的原因就是它提供了进行测试信号分析处理所需要的各种类型的数据分析和处理工具。

利用LabVIEW，工程师可以方便的搭建起需要的监测系统，并进行数据的分析和处理。

其4大优势在于：性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成功能。

现在大部分转子监测系统都是以计算机为中心测取转子振动的动态信号并进行分析,不仅可以完成振幅监测的工作,而且通过对信号的分析处理,可以极大丰富对转子运行状态和故障的了解。

转子监测系统一般由振动传感器测取转子运行中所产生的振动信号,如径向振动、轴向振动等,通过振动传感器将机械振动的位移、速度和加速度转换为连续变化的模拟电信号,为了使计算机能够处理这些信号,采用A/D接口板将连续信号变为离散信号,然后由计算机对采样信号进行分析。

其中的软件部分就由虚拟仪器编制完成，因为作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器有很多的优点。

LabVIEW作为一种虚拟仪器开发平台,它在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用。

本设计采用虚拟仪器技术对工业过程中转动设备的运行状态进行实时在线监测和数据分析,并利用虚拟仪器编程语言—LabVIEW工具开发了一套监测软件,该软件前面板采用形象的按钮进行功能选择,真正做到操作简单灵活、运行可靠等特点。

数据采集部分可以灵活的采集多个振动信号；数据分析提供强大的数字信号分析功能，包括时域、频域分析、相关分析等,为进一步的故障诊断提供了依据。

本系统主要用于实际的监测对象,配有相应的硬件,如传感器、数据采集卡等。

DAQ卡将模拟信号转化为数字信号采集到计算机中,经过LabVIEW中的数据采集子VI将其转化为电压值,经过LabVIEW中的数字滤波器去掉高频噪音后进行信号分析,为机械的故障诊断提供依据。

在熟悉LabVIEW软件、转子实验台的各种传感器的性能及工作原理的基础上，完成被测信号的数据采集输入、实时显示控制、转速和数据的测量与计算、被测信号的信号分析、保存与回放等功能。

我的课题主要内容：速度传感器/加速度传感器测震动、磁电传感器/光电传感器测转速、转子轴心轨迹测量、转子动平衡、转子机械状态监测等，完成整个系统的调试及测试。

实验台简介：DRZZS-A型多功能转子试验台由：1底座、2主轴、3飞轮、4直流电机、5主轴支座、6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转速传感器支架、11测速齿轮(15齿)、12保护挡板支架，几部分组成.如图2-1所示。

配备各种传感器可以完成转速测量、振动测量、轴心轨迹、动平衡等多种实验。

主要技术指标为：可调转速范围：0~2500转/分，无级电源：DC12V主轴长度：500mm主轴直径：12mm外形尺寸：640×140×160mm重量：12.5kg2.1 总方案设计运用LabVIEW 8.2开发平台,采用总线仪器结构体系开发振动状态监测系统，状态监测系统如图2-2所示，传感器采用了电涡流传感器、光电传感器、磁电转速传感器、压电式加速度传感器和振动速度传感器拾取原始信号。

图2-2 转子实验台振动测量系统总体结构软件部分利用LabVIEW 8.2开发平台进行设计，本软件采用了结构化和模块化的编程思想。

在编程时按层次结构将每一个具体任务编制成结构完整、功能相对独立的子程序块。

每个实验都将这些模块按一定的结构组合为另一较大的子程序块，最后将所有实验子程序组装为一实验系统。

测量主要分为九个实验：磁电传感器测量转速、光电传感器测量转速、磁电与光电传感器测量对比、加速度传感器测量振动、速度传感器测量振动、加速度和速度传感器振动测量对比、转子动平衡测量、轴心轨迹实验和旋转机械状态监测实验。

软件部分总体构成如图2-3所示：图2-3 应用程序总体构成本系统应用软件包括如下功能模块：1) 数据采集模块。

数据采集模块完成被测信号的采集及采集的参数设置，即传感器获得的信号。

2) 数据存储模块。

数据存储模块完成将采集的数据以一定的格式保存在文件中，并存放在物理介质上，以便操作人员查阅和进行进一步分析。

3) 数据分析处理模块。

数据分析处理模块是本系统软件的核心部分。

它主要完成对采集数据的处理，提取对转子故障诊断有用的信息，并在前面板上显示，工程师可以根据这些信息进行故障诊断，为设备的故障诊断提供可靠依据。

4) 数据回放模块。

数据回放模块将存放在物理介质的数据文件进行读取，实现历史数据的调用、查看。

5) 数据输出模块。

数据输出模块是将参数的设置，数据计算处理完毕后的结果，以及波形图表等数据以预设形式进行填写、输出、打印，以报表形式输出。

按测量实验来分类，结构如图2-4所示：图2-4测试题同界面总体构成3．系统的实现3．1 主程序设计采用标准状态机来加载各个实验子程序，使得没个实验为一个状态，这样就不需要按固定顺序来执行所有实验程序了，可以任意选择所要做的一个或多个实验。

前面板和如图3-1所示，运行主程序后点击开始实验进入下一个界面，选择所要做的实验，如图3-4所示。

配置序列将每个实验配置为状态机中的一个状态。

实验者可以按要求选择实验和删除误选的实验。

图3-1 主程序前面板图3-2 主程序程序框图初始化状态如图3-2所示，当前状态利用While循环的移位寄存器进行存储，该寄存器连接至枚举型常量，枚举常量中已经添加了各个状态的的名称。

而每个状态放在Case结构中，由添加了状态名的枚举常量作为控制条件。

While循环每进入一步，便由Case结构判断进入哪一状态所对应的框，并执行其中的代码，复杂的代码就用子程序将该状态下的代码封装起来。