２０１２年５月 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｍａｖ ２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１０ 第４０卷第ｌ０期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．１０．０４４ 基于虚拟仪器的风机在线监测系统设计 卢军民，张维民，张平格 （河北工程大学机电学院，河北邯郸０５６０３８） 摘要：介绍了基于虚拟仪器的风机在线监测系统的基本组成、设计方法和功能。该系统采用模块化的设计思想，研制 周期短、开发成本低、性能可靠。应用该系统可实现风机机组各种状态信号的自动采集和监测，并能进行振动信号的分 析，对风机运行的安全性评估及故障诊断有重要的意义。 关键词：风机；在线监测系统；虚拟仪器 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）１０—１３９—３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆａｎｓ Ｏｎ—ｌｉｎｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＬＵ Ｊｕｎｍｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉｍｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｐｉｎｇｇｅ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｄａｎ Ｈｅｂｅｉ ０５６０３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆａｎｓ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ：ｓｈｏｒｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｔａｔｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ ｓｅｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｓａｆｅｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｉａｇｎｏｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆａｎ；Ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；Ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 风机广泛应用于矿山、冶金、化工等生产部门， 是整个生产系统的关键设备。由于长期工作于高温、 高湿、高粉尘环境，工作强度大，容易产生故障 。 因此对风机设备进行在线监测，及时了解风机的运行 功率、功率因数、频率等。 风机在线监测系统主要由信号采集模块、信号调 理模块、ＤＡＱ模块、和通信处理模块构成。 风机的各种监测信号由信号采集模块的传感器进 行采集，经过信号调理模块的放大、隔离、滤波将传 感器获得的信号转换为标准信号。ＤＡＱ卡完成对数 据的采集、放大、Ａ／Ｄ转换，将采集到的电压信号 转换为计算机能够处 ｌ调度室 理的数字信号，通过 设备驱动程序，数字 个 状态对于保障风机良好运转有重要的作用，同时可降 低风机突发故障率。 作者利用虚拟仪器技术，依据风机性能测试要 求，设计了基于虚拟仪器技术的风机在线监测系统。 用户 个 工业以态网 Ｊ 用户 个 该系统可用于煤矿、冶金、化工等行业通风系统的在 线监测。 １ 风机在线监测系统总体设计 根据风机设备的结构特点及机组工作条件，系统 需要采用多种信息监测相结合的方式，监测信息包括 风机性能参数、振动参数、电量参数等信号。风机性 能参数包括风压（负压、静压、动压、全压及其效 率）、风量、风速、出口气体温度、风机前后轴承温 度、运行状态、正反转状态、瓦斯浓度、电机定子温 度和轴承温度等 ；振动参数包括风机设备振动位 移、速度、加速度、振动主频、频率分量及其烈度 等；电量参数包括电机三相电压、电流、有功无功电 度、有功无功功率、总有功功率、总无功功率、视在 ｌ 信号即可输入到ＰＣ。 虚拟仪器客户端应用 Ｉ 程序模块用来进行实 ．．．．．．服务器ｌ 卜＿ 风机房Ｐｃ 牟 数据采集卡 上 ｊ一 上位 移 传 感 器 １．．一 ．．．．．１ 一 上压 力 传 感 器 时数据处理、显示、 速 转 保存及报警等功能， 感 数据通信模块把采集 实时传递到远程工业 以态网。风机在线监 器 传 振 动 传 感 器 温 度 传 感 器 过 程 量 仪 表 —厂 。＿＿＿＿＿—— ●。。。。＿—— Ｔ 。＿＿＿＿＿—＿— Ｔ 的数据通过通信接口 ｆ 风机机组 图１风机在线监测 系统流程图 测系统的流程图如图 １所示。 收稿日期：２０１１—０４—２１ 作者简介：卢军民（１９７６一），男，硕士，讲师，研究方向为流体机械、机电一体化技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｊｕｎ１６９７６＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。 ・１４０・ 机床与液压 第４Ｏ卷 ２风机在线监测系统硬件设计 该虚拟仪器硬件平台采用ＰＣ—ＤＡＱ／ＰＣＩ结构。系 统硬件组成主要有传感器、信号调理电路、采集卡、 计算机四部分。传感器将待测量转化为电信号，经调 理模块进行信号调理，然后由采集卡采集转换输入计 算机。 采集卡选用ＮＩ公司的ＮＩ ＰＣＩ一６２２９ Ｍ型采集卡 （具有３２通道，４８路数字Ｉ／Ｏ，４路模拟输出，ＮＩ． ＤＡＱｍｘ测试软件和硬件配置程序支持）。 温度传感器选用ＤＺ－４１３１型热电阻温度变送器 （输出与被测温度呈线性关系输入／输出／电源全隔 离）。风机轴承：报警温度９０℃，停车温度１０８℃； 油箱温度为２５～５０ ｏＣ；冷却器温度小于６０℃。 静压、动压、负压传感器选用Ｈ＇Ｂ７０５／７０５Ｈ防 爆型工业压力变送器（不锈钢一体化结构，可适应 恶劣环境）。风速传感器选用ＫＧＦ３—２型传感器，该 传感器性能稳定、使用方便，并能通过遥控器进行现 场调整。 振动速度传感器选用ＭＬＶ９２００，前后轴承各两个， 夹角９０。，报警速度９ ｍｍ／ｓ，停车速度１１ ｍｍ／ｓ。 位移传感器选用ＺＡ２１系列电涡流位移传感器； 转速传感器选用ＳＺＭＢ－９／Ｔ０３型传感器，两者皆为非 接触式测量方式。 风机在线监测系统传感器测点布置位置 如图２。 图２传感器测点布置图 ３风机在线监测系统软件设计 在虚拟仪器风机监测系统中，硬件电路仅对信 号进行简单的处理，大部分的功能模块都由软件实 现。该系统的软件部分采用ＬａｂＶＩＥＷ语言进行编 程。 由于ＬａｂＶＩＥＷ提供了大量的工具与函数用于数 据采集、分析、显示和存储，同时它还提供了大量常 用于测试测量领域的图形控件，这使得用户可以在短 时间内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分 析、显示和存储的自动化测试测量系统 。 该监测系统软件采用模块化设计，模块化设计有 助于软件的设计和日后改进升级。软件的功能模块主 要有总控模块、信号采集模块、信号调理模块、信号 分析模块和数据存储与打印报表模块。 总控模块主要用于完成监测程序的初始化、加载 所需的硬件驱动程序。 信号调理模块主要完成将采集的电信号转化为适 合计算机处理的数据信号并进行数据的检验。 信号分析模块对采集的风机机组信号进行分析， 主要包括时域分析、频域分析、幅值分析、功率谱分 析、轴心轨迹分析等。 数据存储与打印报表模块在后台运行。在基于虚 拟仪器的监测试系统中很重要的一部分工作是对实时 采集的数据进行显示、查询等，其中比较关键的是对 数据的读取和写入，即与数据库进行交互。ＬａｂＶＩＥＷ 访问数据库的方法很多，为了方便系统的开发，该系 统采用的是ＬａｂＶＩＥＷ数据库访问工具包ＬａｂＳＱＬ，实 现数据库的查询、记录等操作。 ４风机在线监测系统的功能 在风机在线监测系统中，使用虚拟仪器技术可以 使系统的界面更加形象逼真。为了使系统监测准确、 及时，该系统主要具有以下几种功能： （１）状态监测。用以对通风机运行状态的数据 进行记录与显示。接入网络后可实现远程监控。风机 在线监测主页面如图３所示。 （２）分析诊断功能。利用ＬａｂＶＩＥＷ开发的信号 分析模块可以提供时域波形图、频谱图、趋势图等， 以便及时维护和提供指导性意见。 （３）报警功能。通过对数据的分析，参考确定 各测点的报警值，显示各个测点报警的情况，及时提 醒现场人员对报警的测点进行分析或做相应处理 （４）数据存储及查询。以历史曲线图形显示风 机的运行参数，并能查询任意时刻的数据。历史数据 在计算机数据库中保留指定时间跨度，也可拷到磁盘 长期保存，便于查询分析。风机３号传感器振动信号 时域波形图和频域分析图分别如图４—５示。 （５）报表。以报表形式查询显示在线测量与处 理的风机运行参数的历史数据，便于值班人员打印值 班表及技术人员定量研究、分析和准备数据制作性能 曲线。 （６）可扩充功能。硬件采用模块化设计，用户 可在不影响已有系统结构的条件下，扩展新的采集通 道。软件采用多层结构设计，极大减少了模块之间的 耦合性，对于不同类型的风机，可方便地增加测量参 数及智能故障诊断专家系统，提高了系统的可扩充 性
