破碎機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計研究

邵東波

（威海職業(yè)學(xué)院，威海 264210）

0 引言

將各測點參數(shù)例如溫度、壓力、流量、振動等連續(xù)變化的物理量離散化、量化編碼，變成數(shù)字量，這個過程就是數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的主要步驟就是將被測對象的各種參量通過各種傳感器元件做適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或存儲。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是計算機與外部聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)追求的目標有兩個：精度和速度。對任何量的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義；提高數(shù)據(jù)采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要是擴大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用范圍，便于動態(tài)測試。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件包括：工控機，PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡，ADAM4520 RS-485到RS-232轉(zhuǎn)換器，ADAM 4015溫度測量模塊，接口箱，信號調(diào)理箱，溫度、振動、壓力和轉(zhuǎn)速等各類測點傳感器。

在設(shè)計硬件時充分注意了抗干擾，可靠性冗余設(shè)計等，下面分別就其中幾部分進行介紹。

1.1 工控機

工控機采用臺灣研華奔騰四級工控主機。

1.2 傳感器

傳感器的選擇取決于測控量的特征，也同設(shè)備和環(huán)境以及需求有密切關(guān)系。同時考慮傳感器的適應(yīng)性和穩(wěn)定性等性能。

1) 振動傳感器

破碎機部件磨損，傳動軸彎曲，皮帶輪失衡，基礎(chǔ)地基承載能力不合適，傳動軸轉(zhuǎn)速過高等，都會反應(yīng)出破碎機振動過大，及時準確的監(jiān)測破碎機振動狀況可以集中反應(yīng)破碎機的運行狀況。

2) 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速太低常造成破碎能力下降，破碎機失速，而傳動軸轉(zhuǎn)速過高又引起的振動過大，所以及時準確的監(jiān)測主軸速度是非常重要的。

3) 流量傳感器

可以判斷因油泵磨損而引起的供油不足，和主軸內(nèi)的潤滑油孔，油冷卻器，回油管路等部位被污物或碎屑堵塞而造成的回油不正常或漏油故障。

1.3 ADAM4015溫度測量模塊

由于溫度值是個緩變量，在采集過程中每次采樣所獲得的結(jié)果幾乎相同，因此本采集系統(tǒng)中溫度采集采用與其它各模擬參數(shù)采集不同的采集模塊，以便能加快采集速度并同時降低系統(tǒng)資源消耗。

ADAM模塊是一種連接傳感器與工控機的智能界面，它內(nèi)置了一微型處理器。用戶程序通過一系列基于ASCII碼形式及RS-485協(xié)議的指令來對它進行控制。發(fā)送數(shù)據(jù)則是通過RS-485接口發(fā)送到主機。它提供了信號調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換以及RS-485數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.4 ADAM4520 RS-485到RS-232轉(zhuǎn)換器

RS-485作為一種多點、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娖饕?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標準總線之一。這種總線允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、雙向通信，它具有噪音抑制能力，它的數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。正因為如此，我們選用RS-485作為低速數(shù)據(jù)傳輸連路。

在系統(tǒng)中，通過ADAM4520模塊建立一個RS-485網(wǎng)絡(luò)來解決這些遠距離的數(shù)據(jù)傳輸問題。這樣做有如下優(yōu)點：

1) ADAM4520為帶光耦合隔離的模塊（隔離電壓為直流500V）。在現(xiàn)場，由于電磁干擾、多點接地或遠距離傳輸，都有可能造成電壓差。采用了光電耦合等隔離方式的ADAM4520模塊，可有效防止電壓差引起的控制設(shè)備故障或損壞。

2) RS-485網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式為半雙工多點，1個發(fā)送器可以有多達32個接收器。這樣在工控機端只需1個接收用ADAM4520，就可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)接收到工控機。

3) RS-485網(wǎng)絡(luò)通信距離為1200m，可充分滿足遠距離實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4) ADAM模塊的智能I/O電路自動控制數(shù)據(jù)流方向，而不需要握手信號（如RTS和CTS）。所以RS-485網(wǎng)絡(luò)通信只需一對導(dǎo)線便可。

本系統(tǒng)采用3個ADAM4520連接模塊，每個連接模塊連接6至33個不等的ADAM4015溫度測量模塊，連接方式采用總線型連接。下圖是該模塊的連接結(jié)構(gòu)圖。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計中充分注意了軟件抗干擾功能的加入，基本思想是硬件設(shè)計盡量簡化，把盡量多的功能由軟件實現(xiàn)。這樣設(shè)計可以減少硬件數(shù)量，從而減少了不可靠因素，另外從經(jīng)濟上可以降低成本，并且更易于系統(tǒng)的功能擴展和技術(shù)升級。根據(jù)所用硬件不同，分別為溫度傳感器和非溫度傳感器設(shè)計采集程序。

2.1 非溫度采集程序

LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計提供了數(shù)據(jù)采集功能子模塊，利用這些子模塊將采集系統(tǒng)設(shè)計成如圖3，圖4所示。

采集模塊流程最外層流程的最外層是循環(huán)結(jié)構(gòu)（While Structure） ，While循環(huán)有兩個固定的端口。循環(huán)端口Iteration Terminal是一個輸出端口，它輸出循環(huán)當前執(zhí)行的次數(shù)。循環(huán)數(shù)是從0 開始計數(shù)的。條件端口Conditional Terminal是一個布爾量輸入端口，它是循環(huán)的控制條件。控件Mean.vi采用的公式為：

公式中：N為每周期采樣點數(shù)（N =12）；uk為第k 次離散采樣電壓值。

圖3 非溫度采集模塊流程

圖4 轉(zhuǎn)換電壓子模塊流程

2.2 溫度采集程序

該程序包括了控件VISAOpen、VISA Close、VISA Read和VISAWrite，它們各自的功能分別為打開一個指定串口并且向它返回一個能調(diào)用其它串口操作的標志序列；關(guān)閉一個指定串口并使之停止接收任何串口操作序列；用同步或者異步方式從串口讀出指定字節(jié)的數(shù)據(jù)；用同步或者異步方式向串口寫入數(shù)據(jù)或命令。由于寫命令與讀數(shù)據(jù)之間需要有一段等待時間，以便等待連接串口設(shè)備從傳感器讀取并處理數(shù)據(jù)，因此需要借用等待控件Wait(ms)設(shè)定等待時間，使寫命令與讀數(shù)據(jù)這兩過程能夠同步進行。等待時間既不能太長也不能太短，太長則導(dǎo)致采數(shù)時間過長，影響整個程序的執(zhí)行效率；太短則導(dǎo)致寫命令與讀數(shù)據(jù)這兩過程無法同步進行，造成讀數(shù)錯誤，影響診斷結(jié)果的準確性。根據(jù)反復(fù)調(diào)試的結(jié)果，等待時間應(yīng)該設(shè)定為100ms。最外層的循環(huán)框則是限定次數(shù)的循環(huán)，次數(shù)由待測量的采集模塊數(shù)決定。在該流程內(nèi)每次循環(huán)時都通過VISAWrite控件向ADAM發(fā)出命令“#AA”，將AA號模塊寄存器中的數(shù)據(jù)通過VISARead控件讀入到內(nèi)存。再通過字符控件（String Subset）將它轉(zhuǎn)換成程序所需要的雙精度實數(shù)格式。

3 結(jié)束語

通過上述軟件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計，實驗證明可以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，從而可以大大提高破碎機故障診斷系統(tǒng)的效率。

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