基于Lab V IEW监控系统的传感器信号干扰分析及解决方案

游 红

(湖南工程学院工程训练中心,湘潭411101)

0 引 言

目前,随着科技的发展,工厂自动化的程度越来越高,则相应的监控系统则越来越多.在众多的监控系统中[1],大多数的将牵涉到变频器对电机进行调速及调矩监控.由于变频器的引入以及工厂大功率电器的频繁启停等,会带来高次谐波的危害,将会对整个监控系统的信号产生极大的影响,污染严重甚至将会使整个监控系统信号失真而失去对系统的监控作用.

本文利用NI公司的LABview软件对整个监控系统进行数据采集[2-3],然后利用MATLAB软件对采集回来的数据进行离线分析处理,得出整个信号的频率谱图,从而确定噪声的频谱带,从而确定滤波参数.最好通过确定好的滤波参数返回到Lab-VIEW软件中,利用LabVIEW软件中的在线滤波函数对污染信号进行处理,去除噪声污染,从而保证了监控系统的正常运行.

1 LabVIEW监控系统

1.1 系统简介

本监控系统为三级齿轮变速箱监控系统,所需检测的参数有输入转矩、输入转速、输出转矩、输出转速、压力、三级减速箱的温度及振动.其中四路输入转矩及输出转速通过RS232串口进入计算机,而其它的传感器信号则通过数据采集卡进入计算机.本监控系统中利用LabVIEW软件作为开发平台,利用PLC作为控制系统,而利用ABB公司的变频器实现对电机的调速及调转矩.整体采集系统布局数据显示模块如图1所示.

图1 数据显示部分面板布局图

1.2 系统数据采集

本监控采集系统由两种方式进入计算机,一是串口的RS232;二是经数据采集卡进入工控机.在LabVIEW软件中,两种不同方式的采集程序分别如图2和图3所示.

对于串口数据采集,则相应的采集频率不应该过高,一般应设为1 s从端口读取一次,采样频率过高或过高则可能会造成端口读取数据失败.串口数据相对稳定而受外界的干扰较小.而对于数据采集卡采集则相应的采集频率可以较高,由于采集都是电压弱点信号,则很容易受外界电磁环境干扰.

2 信号处理与分析

2.1 数据离线分析

监测系统搭建完成时,对实验系统进行测试和调试时,发现各串口数据当运行时间过太久时,有时候会读取失败.但其它经数据经采集卡进入工控机的数据波动特别大.如图4所示的一级齿轮变速箱温度.图4中采集的温度数据为在10 s内的一段经过标定后的温度数据,其采样频率为10 Hz.此温度为一级减速器达到热平衡之后的温度.但从图4中可以看到,该温度波动非常大,而且其某些点的温度数据已经严重失真,不能真实放映真实的温度监测情况.

图4 原始温度图

2.2 数据失真分析

引起这种失真主要是由于监控系统中引用了变频器调速系统,由于变频器的引入会产生高次谐波会对周边的传感器信号产生巨大的影响,再者由于所在工厂车间存在大型功率设备的时刻启停,对电网的冲击很大,这样也会对传感器信号的采集产生影响.对于后者大功率设备的启停,我们专门为此系统配备了稳压电源进已缓冲.对于变频器引起的高次谐波的影响,则需要通过滤波处理进行调整,消除噪声.

2.3 采集卡信号滤波处理

2.3.1 滤波原理简介

滤波原理可用图5所示表示.

图5 滤波原理图

从图5中可以得出相应的原始信号X经滤波后的信号Y之间有如下关系.

2.3.2 信号FFT分析

对信号滤波之前,必须得分析出信号的成分,确定噪声信号和主信号的参数后,才能很好的对信号进行滤波处理.利用图4中的原始温度数据做FFT频谱图,如图6所示.

图6 原始信号频谱图

从图中可以看出,信号的频段主要分布在小于0.001 Hz的频段,则可以采用低通滤波器对其进行滤波处理.相应的在LabVIEW软件中,则相应的增加滤波处理模块,其滤波处理模块程序框图如图7所示.相应的函数处理模块为Filters PtBy Pt Palette函数处理模块,可以选用Chebyshev Filter Pt-By Pt函数进行滤波,此滤波程序框图为图7所示.

图7 滤波程序框图

根据前面对信号的频谱分析,则可以将低通滤波器的截止频率设为1 Hz.处理后,同样采集10 s内的一级减速箱温度信号为图8所示.

图8 滤波后的温度图

由图8可知,此时在达到热平衡后,其信号基本上达到稳定,其温度并没有很大的波动,从而滤波效果是明显的,有效的抑制了变频器的高次谐波对信号的干扰.

2.4 串口数据读取失败处理

而对于四路串口信号,但运行时间过久时,当连续五天运作,则串口读取失败的频率会高,由于读取失败,则采集回来的串口都是空数据.经过研究分析,串口采集失败主要是由于长时间运行,导致LabVIEW给串口开的数据缓冲已满,则会导致后面的数据丢失,从而会引起读取失败.为了解决这一问题,则当串口读取失败时,系统自动关闭端口1分钟,然后重新打开串口端口;其二可将其数据缓存增大,则可以将这一问题解决,其相应的解决Lab-VIEW程序框图如图9所示.

图9 串口修正部分程序框图

3 结 论

本文介绍了减速器监测系统的构成,阐述了变频器及工厂大功率电器设备的启停对监控系统的影响,通过加稳压电源则可以有效的抑制大功率设备的影响,利用滤波方法则可以解决高次谐波对系统的影响,最后提出了串口修正方法对长时间串口数据采集失败问题进行了处理.处理结果证明:本文中的方法有效的解决工厂监控系统的信号污染问题,从而保证了监控系统的正常运行.

[1]杨乐平,李海涛,赵 勇,等.LabVIEW 高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]殷 建,王成龙.利用LabVIEW实现轴承故障智能化监控[J].机械工程师,2006,(7):120-122.