基于虛擬儀器的風機遠程監測系統

摘 要： 目前遠程監控軟硬件產品由于成本原因主要應用于大中型離心壓縮機及電廠關鍵設備，而在這些設備之外的輔助設備（如大機號風機等）中的應用還很少，關鍵技術尚未公開。在此針對這種現狀，從設備整體安全和經濟性的角度出發，結合虛擬儀器技術、測試技術、數據庫技術等技術，提出以較低成本構建風機安全運行狀態和運行工況狀態遠程監測系統的新思路，完成了系統的硬件構建，開發了一套風機遠程監測系統軟件。該系統實現了對風機安全運行和運行工況狀態參數的自動采集、自動存儲、記錄曲線的實時顯示、歷史記錄按時間或工況的查詢以及遠程監測。該系統還具有良好的通用性和擴展性，通過配置可用于不同的應用場合。

關鍵詞： 遠程監測； 風機； 虛擬儀器； 數據庫

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0153?03

壓縮機、風機、泵等大型旋轉機械是電力、冶金、石化等行業生產所需的關鍵設備，為保證這些設備能夠安全、穩定地運行，需要對其運行狀態進行實時監測，以便于制訂合理的維修計劃，同時，可獲得實時的工況狀態參數，這在設備的高效經濟運行、檢驗、選型、改造以及新產品的研究開發中都有重要的意義[1]。

虛擬儀器與傳統儀器相比有開發更新周期短、維護費用低、靈活性好、復用性好、功能可自定義、易與其他設備連接等優點[2]。將虛擬儀器技術引入遠程監測系統是遠程監測系統發展的一個重要方向[3?4]，故本文基于虛擬儀器技術實現了風機遠程監測系統。系統考慮了風機安全運行狀態和運行工況狀態兩方面的監測。測量的數據經處理后可得到風機等設備的性能參數，并實時顯示性能參數及反映設備運行工況的參數曲線。實現本地監測后，通過網絡平臺將測量數據進行安全可靠的傳輸，最終實現風機的遠程在線監測。

1 風機遠程監測系統的構架

風機遠程監測系統的結構包括以下幾個部分：信號采集部分、數據處理部分、本地數據庫系統、本地瀏覽子系統和遠程瀏覽子系統。遠程監測系統中的硬件設備包括各種傳感器、前置器、配電器、數據采集卡和計算機。此外，系統中還設置支持外部數據的接口和遠程故障診斷接口。遠程監測系統的層次結構如圖1所示，整個系統分為現場旋轉機械、信號采集設備、現場監測站、本地服務器及遠程監測端等五個層次。

系統中安全運行狀態的監測信號主要是振動量和軸心軌跡[6?8]，這些數據高速采集，稱之為高速信號；工況狀態的監測包括大氣壓力、大氣溫度、大氣濕度、流量計喉部差壓、風機壓力等參數，這些數據不需要高速采集，稱之為低速信號。系統首先完成高、低速信號的測量，高速信號要進行濾波、信號調理、軸心軌跡合成、頻譜分析等處理，低速信號計算得到風機的流量、全壓、靜壓、軸效率等參數。同時將采集和處理后的數據存入本地數據庫，通過訪問數據庫可實時監測設備的安全狀態和運行工況，再通過網絡平臺，可以實現設備的遠程監測。

本系統選擇技術上已經很成熟且交互性強的C/S結構；數據采集軟件開發平臺選用虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺LabVIEW[9?10]；考慮到數據庫系統的兼容性、易用性、性價比，以及遠程監測系統的數據特征，選擇MySQL數據庫。

遠程監測系統中，要存儲的數據包括兩部分，一部分是由本系統中的數據采集子系統（用LabVIEW程序實現）直接采集得到的數據；另一部分是由其他系統（外部系統）采集得到的數據，這些數據通過本系統中的LabVIEW接口程序和VC接口程序接收存儲，數據存儲如圖2所示。

LabVIEW中ADO（ActiveX Data Object）通過ODBC（Open Database Connectivity）這一公共接口訪問數據庫[5]。

2 遠程監測系統的硬件組成

遠程監測系統的硬件由計算機、采集卡、傳感器、變送器、前置器和配電器等構成。為了降低系統成本，使用了具有便攜性的研華USB?4716采集卡，采樣速率可達200 kS/s。傳感器的選擇由系統監測的參數決定。大氣壓力的測量采用100 kPa的絕壓壓力變送器，輸出4～20 mA標準電流信號，通過配電器上的標準電阻將其轉換為電壓信號，送入采集卡。大氣溫度和大氣濕度的測量采用溫濕度傳感器，輸出的標準信號轉換為電壓信號后送入采集卡。風機壓力、流量計喉部的壓差等的測量根據壓差范圍的大小，選擇相應量程的差壓變送器。轉速使用光電傳感器測量，輸出信號接采集卡的頻率信號輸入端子CNT0?CLK，通過轉動頻率計算轉速。風機的轉軸振動測量選用SE08電渦流傳感器。測量時，在垂直于轉軸（或轉子）旋轉軸線的同一橫向平面內水平和垂直兩個方向各安裝一個電渦流傳感器，通過兩個探頭來測量徑向的振動位移，從而可以獲得軸心軌跡圖、頻譜圖等圖譜，以進行簡單的故障診斷[11?12]。轉子旋轉時，電渦流傳感器配合前置器可以將振動位移的變化量轉換為-5～5 V的電壓信號，該信號送入采集卡后可由LabVIEW平臺上開發的軟件采集并進行處理。電機功率、電機效率的測量則是通過測功儀測量得到的。

3 遠程監測系統的軟件

風機遠程監測系統的軟件開發使用圖形化編程平臺LabVIEW及Visual C++編程平臺。LabVIEW語言具有編程簡單、直觀、開發效率高等特點，Visual C++具有編程靈活、代碼執行速度快，人機界面處理能力強等特點。本系統的軟件開發將兩者結合，包括數據的采集、數據的存儲、本地瀏覽界面、本地查詢界面以及遠程瀏覽等人機交互界面。此外，考慮到系統接收外部數據的需求，設置了外部數據接口。

本地實時監視和歷史數據查詢均是在Visual C++軟件平臺上編程實現的。本地實時監視的內容包括風機運行狀態的關鍵參數值及曲線、振動部分軸心軌跡圖、振動位移曲線、振動加速度曲線以及振動頻譜圖等，歷史查詢可選擇按時間和工況號進行查詢。整個監測系統的軟件框架圖如圖3所示。本系統用LabVIEW編程實現的高、低速數據的采集系統界面如圖4所示。高速數據采用中斷觸發的采集方式。在程序運行前要先設置觸發源（包括內部觸發和外部觸發）、采樣通道數、起始通道、采樣長度、增益列表、循環模式、計數器通道、濾波器的階數及低截止頻率等參數。采用中斷觸發方式實現高速數據采集時用到以下幾個關鍵子VI：DeviceOpen.vi，EnableEvent.vi，AllocDSPBuf.vi，MultiChannelINTSetup.vi，WaitFastAIOEvent.vi，BufferChangeHandler.vi，ClearOverHandler.vi，FAIStop.vi，FreeFAIBuffer.vi，DeviceClose.vi，CounterFreqStart.vi，CounterFreqRead.vi，CounterReset.vi等。

運行工況監測中，信號的變化較慢，是低速信號，因此可以用普通的定時觸發采集方式進行信號的采集，可設定觸發時間間隔為0.5 s，1 s，10 s，30 s等。數據采集時要先配置好起始通道、通道數、工況編號等參數方可進行數據的采集。低速數據采集系統中用到的主要VI有：MAIConfig.vi，MAIVoltageIn.vi，DeviceClose.vi。風機運行工況監測系統中測量大氣壓力、溫度、濕度、流量計喉部壓差、風機壓力等參數的最終目的是獲得容積流量、全壓、靜壓、軸效率、軸靜效率等反映風機運行工況性能的參數。因為這些信號變化比較慢，故在Visual C++中編程處理即可。

遠程監測系統實現的關鍵技術之一是數據庫系統的設計和接口控制，要保證數據在網絡上的實時、有效的傳輸。本文既要實現對本系統采集的數據的存儲，還要實現接收和存儲外部系統采集的數據的功能。該系統采集的數據通過LabVIEW接口程序實現對數據庫的訪問，外部數據則通過VC接口程序對數據庫進行訪問。整個系統中用到了低速測量數據存儲表、風機幾何參數表、高速測量數據存儲表、用戶管理表這四個基本表。高速信號數據存儲量大，且還要存儲采集時的日期、時間及時間差等數據標識。為保證存儲速度，本系統中先將每一次觸發采集到的數據存儲到一個本地LVM文件中，然后將LVM文件存入數據庫中。低速信號數據是按1 s為觸發時間間隔采集的，采集速度較慢，因而可以在每次采集后將數據直接存入數據庫中。要實現MySQL的遠程訪問，首先要在MySQL中對用戶進行授權。用戶在獲得訪問權限后，便可用該密碼和用戶名登陸并訪問MySQL服務器，執行所獲得的讀、寫、查詢等操作。為了使用戶能夠較方便地訪問數據庫，并保證訪問的安全性，設置了用戶登錄界面、軟件系統的用戶管理窗口、以及數據庫訪問設置窗口。遠程監測系統的總貌圖窗口如圖5所示，窗口中間是通風機結構簡圖，圖中用一些小窗口顯示出了大氣壓力、大氣溫度、大氣濕度、壓差、靜壓、流量等測量參數或計算結果的實時值以及當前時間。從這個窗口可以直接監視系統當前的運行參數。

4 結 語

本文采用計算機、數據采集卡及壓力、溫濕度、電渦流、光電傳感器等常規器件構建了遠程監測系統的硬件，并使用Visual C++和LabVIEW開發了遠程監測系統的軟件。在LabVIEW下根據安全運行監測部分屬于高速信號、運行工況監測部分屬于低速信號的特點，分別采用中斷觸發和定時觸發的采集方式，實現高速、低速信號的采集，協調解決了采集速度與存儲容量的問題。然后，對采集的信號進行分析處理，并存儲到本地MySQL數據庫。在VC平臺上開發了人機交互界面，實現了對設備的安全運行狀態和運行工況狀態的實時監測，同時開放了外部數據接口，以支持多種數據來源。通過網絡實現數據庫的遠程訪問，達到了遠程監測系統的目的。本系統達到了以較低成本構建遠程監測系統的目標，并在試驗室環境下進行實際應用，取得了良好的效果，因此，采用該系統可以將遠程監測技術推廣到中小型壓縮機或大型風機以及一些關鍵設備之外的輔助設備。

參考文獻

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