基于LabVIEW和PXI的轧机振动纹在线监诊系统

关键词：LabVIEW PXI SCXI、带钢、振动纹、冷轧、频域分析、瞬态分析、加权滤波
摘要：本文采用PXI体系结构，以NI公司的LabVIEW 6i为软件开发平台，结合Sound and Vibration Toolkit提供的强大的分析功能，对现场生产过程实现监测诊断功能。该系统能在工业现场环境下稳定可靠地实时采集振动、工艺和设备参数，指导生产操作和设备维护，为提高钢铁产品的质量提供手段。
介绍：在钢铁业，轧机的振动会导致带钢及轧辊表面产生振动纹，这不仅严重影响产品的质量而且降低生产效率。宝钢在国内率先开发了一套基于LabVIEW和PXI的轧机振动纹在线监诊系统。该监测系统能够获取和记录振动信号、工艺及设备参数，全面反映轧制过程的状态和振动纹产生信息。系统具有显示监控、报警、诊断分析和历史数据查询功能。系统已成功地应用于冷轧平整机组，对于生产操作和设备维护提供有力的技术支撑。该系统可靠性高、完善的分析功能、开发周期短，具有广阔的发展前景。
背景：
在钢铁业，由于轧机振动带钢在热轧和冷轧过程中其表面和支撑辊上会产生明暗相间的条纹（图１）。振动纹的产生对轧钢生产主要有两方面的不利影响。一是难以满足用户对带钢表面质量的要求，因为，即便将带钢表面进行了喷涂，其明暗相间的条纹依然可见，这对车身或家用电器的用户来说是难以接受的；二是振动纹有时也会出现在支承辊上，因而增加了换辊的次数，降低了生产效率。

系统总体结构
本系统是在冷轧单机架平整机上实施，用于工业现场的实时数据采集、监控以及对数据的精密分析，要求系统可靠性高，实时性强并具有完善的分析处理功能。整个系统采用基于Fast Ethernet 的网络结构，如图2所示。
整个系统由数采站、监视站、分析站、工程师站、交换机和服务器构成，是一个完整的测控网络系统。
系统硬件模块介绍
1） 数采站
信号采集站要求连续工作和无人看管，因此计算机硬件和软件必须可靠。
数采站包括嵌入式主控计算机PXI-8170/450、PXI－1010混合机箱、PXI-6052E数据采集模块、信号调理模块和接线盒以及连接线和附件。数采站主要完成所有系统相关的数据采集工作和采集数据抽取处理工作。
PXI-8170/450：它带有一个Intel PIII450的CPU，1个3.5in.、1.44MB软驱，1个串口，1个并口，1个 USB接口，4GB的硬盘。PXI系统的嵌入式零槽控制器高度集成比普通计算机具有更高的可靠性和便携性，其独特的显示技术使其在提供高性能显示的同时，将PCI总线的132Mb/s的带宽全部留给了其它的PXI模块。
PXI-8210：集成高速（100BaseTX）以太网接口和Wide Ultra SCSI（40 Mbytes/s）总线接口为一个PXI模块，节省了PXI插槽。
PXI－1010：该混合机箱包括8个PXI插槽和4个SCXI调理模块插槽。PXI-1010符合PXI总线严格的机械电气要求，噪声低、抗震性和电磁兼容性能好，为信号采集处理系统提供了良好的工作环境。
PXI-6052E: 该模块提供16路单端/8路差分通道，采样频率为333KS/s，16位精度，还有两路更新率为1MS/s的模拟输出、8路双向TTL电平数字I/O和两路24位的计数/定时器通道。该模块还支持采集数据实时流盘功能，非常适用于要求高速记录采集数据的场合。
SCXI-1141：该模块为8通道可编程低通滤波模块。采用8阶椭圆滤波器，每通道单独运放；电压输入范围±50mV～±5V，截止频率10Hz～25KHz，过压保护±30V，可做抗混叠滤波器。
2） 服务器
数据采集服务器的任务为接收和处理各数据采集站发送的数据，将原始数据放入原始信号缓存区，将处理后的数据写入特征数据库和历史数据库。计算机采用一台商用台式PC机服务器，内插100M网卡。采用Windows NT操作系统，软件为与采集站、操作室监视站、分析站通讯的数据报服务器、数据库管理程序等。
3） 操作室监视站
操作室监视站的任务为实时监测振动频谱、报警、手工输入数据等日常工作的内容。计算机采用商用台式PC机或工控机，内插100M网卡，采用Win98操作系统，软件为参数手工输入程序、状态监测程序、通信程序等。
4） 分析站
分析站任务为系统参数设置、精密分析、趋势分析、运行报表、数据回放。计算机采用商用台式PC机，内插100M网卡，采用Win98操作系统，软件为参数设置程序、精密分析程序、趋势分析程序、报表程序、通信程序等。
5） 工程师站
供专业工程师进行精密分析和设备诊断之用。提供的分析工具和分析站类似。
6） 交换机
作为工业现场应用的测控网络系统，在设备的可靠性，网络的吞吐率，以及数据安全性都有着一定的要求。
交换机作为网络传输的枢纽，除应长期连续可靠的工作以外，为保证数据准确实时的传递，交换机应最大限度地减少通信拥挤，每个交换式以太网端口都能得到全部100Mbps的带宽。
系统软件结构
本套系统对软件的要求较为严格，首先要求操作系统稳健并具有良好的网络功能，其次软件开发平台应功能完善，执行效率高，方便集成，另外系统需要许多的高级分析功能，要求软件提供专业的分析处理函数。
1） 操作平台
本系统中操作站和数据采集站的操作系统拟选用Windows NT Workstation 4.0，服务器操作系统选用Windows NT Server 4.0，数据库选用SQL server 7.0，分析站使用Windows 98，数采站使用Windows NT Workstation 4.0。
2） 开发平台
软件开发平台数采站和监视站选择支持32位操作系统的LabView 6i专业版，以及Sound and Vibration Toolset附加软件。分析站使用Visual C++ 6.0 企业版。
LabView 6i具有模块化的开放式系统结构。其软件功能包括实时数据库、历史趋势、报警和事件记录、设备连接性、系统配置工具，以及G这一图形化编程语言，您可以利用它将各个软件功能块组合起来，开发出HMI以及控制应用程序。
利用LabVIEW 6i时，所要做的是要建立虚拟仪器(VI)，而不是要编写程序。在指定其功能时，只需直接将流程图组合在一起，对控制及加工工程师而言这是很自然的设计概念。在G的图形化函数库中包含了流程的自动化符号、I/O、分析、历史记录、文件，以及网络连接的功能。其它的功能可以方便地利用各种标准(例如Active X和SQL)，与各项应用共享信息。
本系统利用LabVIEW 6i为开发平台，在与数据库联系时利用LabVIEW 6i专业版内带的SQL Toolkit工具包。通过SQL Toolkit可以访问现有的大多数关系型数据库（如MS SQL Server、Oracle、Sybase和Informix等），用标准的SQL语句实现对数据库的查询、修改、增删等操作。LabVIEW 6i本身带有功能强大的高级分析库，提供多种时频域分析功能，针对于振动信号分析可以利用Sound and Vibration Toolset软件包完成。
Sound and Vibration Toolset声音和振动分析软件包，提供倍频程分析、频域分析、瞬态分析、声阶测量和加权滤波等功能。
3） 监测系统软件模块
自己开发的监测系统软件包括：数据采集程序、数据库管理程序、状态监测与报警程序、分析程序、网络通讯程序等。
整个系统除分析站部分采用Visual C++ 6.0开发外，其余各站的软件都利用LabVIEW 6i和其附加软件开发。
系统主要功能
1） 显示和监控功能
该功能主要是由安装在操作室监测站上的应用程序实时接收采集站的数据实现的。以图形方式直观地监测设备振动、速度和其它工艺信号（见图3）。
2） 报警功能
通过长期的数据积累和分析，确定轧制不同钢种、规格时振动门限值，然后在系统中进行设定。当振动强度超标时，就会提示操作人员根据实际情况进行相应的处理，同时还可以进一步地进行精密分析并采取措施，直至正常为止。
3） 分析诊断功能
利用LabVIEW 6i及Sound and Vibration Toolkit提供的完备的分析工具，结合Visual C++ 6.0，系统对采集的各种信号（以振动信号为主）开发的功能模块有：时域分析模块、频域分析模块、时频分析模块、包络分析模块、高阶统计量模块、趋势分析模块模块、离线钢卷评价模块等。

系统特点
1） 高可靠性
本系统站采用PXI体系结构，选用美国NI公司的调理、采集模块和LabView 6i开发平台，保证了系统的高可靠性。
2） 完备的专业分析工具
整个系统各个站的软件都利用LabView 6i和其附加软件开发，LabView 6i本身带有功能强大的高级分析库，提供多种时频域分析功能；对于振动信号分析利用Sound and Vibration Toolset软件包完成，Sound and Vibration Toolset声音和振动分析软件包，提供倍频程分析、频域分析、瞬态分析、声阶测量和加权滤波等功能。
3） 采用DataSocket技术
本系统是基于虚拟仪器的测控网络系统，数据采集站在数据采集的同时，通过网络将数据实时传递到操作站。LabVIEW 6i内带DataSocket技术可以满足要求。
DataSocket是一种网络软件技术和网络编程工具，借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据。利用DataSocket软件还可以对资源的访问进行严格控制，可以对用户按照不同类别分组，并分别赋予不同的读、写等权限，使资源得到比较好的保护，降低对资源访问时产生冲突的几率。
结论
利用LabVIEW开发的基于PXI体系的轧机振动纹在线监诊系统已投入轧钢厂现场使用，为现场操作、产品质量分析以及设备维护提供了一个强有力的工具。
实践证明，该系统运行情况良好。从投入至今连续运行五个多月没有出现死机等意外情况，达到了预期的效果。在今年二月份轧机曾出现异常振动情况，本监测系统完整记录了设备劣化全过程的信息，对于及时分析设备故障原因，迅速恢复生产提供了有力的技术支撑。
由于该系统的成功应用，增强了我们将PXI体系结构的在线监测系统推广到宝钢冷轧其它机组以及热轧的信心。