一 背景
在鋼鐵業(yè)，由于軋機(jī)振動(dòng)使帶鋼在熱軋和冷軋過(guò)程中其表面和支撐輥上會(huì)產(chǎn)生明暗相間的條紋，如圖1所示。振動(dòng)紋的產(chǎn)生對(duì)軋鋼生產(chǎn)主要有兩方面的不利影響。一是難以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的要求，因?yàn)?，即便將帶鋼表面進(jìn)行了噴涂，其明暗相間的條紋依然可見(jiàn)，這對(duì)車(chē)身或家用電器的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是難以接受的；二是振動(dòng)紋有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在支撐輥上，因而增加了換輥的次數(shù)，降低了生產(chǎn)效率。
建立一套軋機(jī)振動(dòng)紋在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以獲取設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，找出振動(dòng)紋的主要成因；同時(shí)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定振動(dòng)紋的判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)紋的實(shí)時(shí)報(bào)警，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作、設(shè)備維護(hù)和設(shè)備改造提供指導(dǎo)意見(jiàn)。
二 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)是在冷軋單機(jī)架平整機(jī)上實(shí)施的，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及對(duì)數(shù)據(jù)的精密分析，要求系統(tǒng)可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)并具有完善的分析處理功能。整個(gè)系統(tǒng)采用基于Fast Ethernet 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)采站、監(jiān)視站、分析站、工程師站、交換機(jī)和服務(wù)器構(gòu)成，是一個(gè)完整的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
三 系統(tǒng)硬件模塊介紹
1. 數(shù)采站
信號(hào)采集站要求連續(xù)工作和無(wú)人看管，因此計(jì)算機(jī)硬件和軟件必須可靠。
數(shù)采站包括嵌入式主控計(jì)算機(jī)PXI-8170/450、PXI-1010混合機(jī)箱、PXI-6052E數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、接線盒以及連接線和附件等。數(shù)采站主要完成所有系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作和采集數(shù)據(jù)抽取處理工作。
PXI-8170/450：它帶有1個(gè)Intel PIII450的CPU，1個(gè)3.5in.、1.44MB軟驅(qū)，串口、并口、USB接口各1 個(gè)，還有4GB的硬盤(pán)。PXI系統(tǒng)的嵌入式零槽控制器高度集成，比普通計(jì)算機(jī)具有更高的可靠性和便攜性，其獨(dú)特的顯示技術(shù)使其在提供高性能顯示的同時(shí)，將 PCI總線的132Mb/s的帶寬全部留給了其他的PXI模塊。
PXI-8210：集成高速（100BaseTX）以太網(wǎng)接口和Wide Ultra SCSI（40Mb/s）總線接口為一個(gè)PXI模塊，節(jié)省了PXI插槽。
PXI-1010：該混合機(jī)箱包括8個(gè)PXI插槽和4個(gè)SCXI調(diào)理模塊插槽。PXI-1010符合PXI總線嚴(yán)格的機(jī)械電氣要求，噪聲低，抗振性和電磁兼容性能好，為信號(hào)采集處理系統(tǒng)提供了良好的工作環(huán)境。
PXI-6052E: 該模塊提供16路單端/8路差分通道，采樣頻率為333kS/s，16位精確度，還有兩路更新率為1MS/s的模擬輸出、 8路雙向TTL電平數(shù)字I/O和兩路24位的計(jì)數(shù)/定時(shí)器通道。該模塊還支持采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)流盤(pán)功能，非常適用于要求高速記錄采集數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。
SCXI-1141：該模塊為8通道可編程低通濾波模塊。采用8階橢圓濾波器，每個(gè)通道單獨(dú)運(yùn)放；電壓輸入范圍±50mV～±5V，截止頻率10Hz～25kHz，過(guò)壓保護(hù)±30V，可作為抗混疊濾波器。
2. 服務(wù)器
數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的任務(wù)是接收和處理各數(shù)據(jù)采集站發(fā)送的數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)放入原始信號(hào)緩存區(qū)，將處理后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入特征數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算機(jī)采用一臺(tái)商用臺(tái)式PC機(jī)服務(wù)器，內(nèi)插100M網(wǎng)卡。采用Windows NT操作系統(tǒng)，軟件為與采集站、操作室監(jiān)視站、分析站通信的數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序等。
3. 操作室監(jiān)視站
操作室監(jiān)視站的任務(wù)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)頻譜、報(bào)警、手工輸入數(shù)據(jù)等日常工作的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)采用商用臺(tái)式PC機(jī)或工控機(jī)，內(nèi)插100M網(wǎng)卡，采用Windows 98操作系統(tǒng)，軟件為參數(shù)手工輸入程序、狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序、通信程序等。
4. 分析站
分析站的任務(wù)為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、精密分析、趨勢(shì)分析、運(yùn)行報(bào)表、數(shù)據(jù)回放。計(jì)算機(jī)采用商用臺(tái)式PC機(jī)，內(nèi)插100M網(wǎng)卡，采用Windows 98操作系統(tǒng)，軟件為參數(shù)設(shè)置程序、精密分析程序、趨勢(shì)分析程序、報(bào)表程序、通信程序等。
5. 工程師站
供專(zhuān)業(yè)工程師進(jìn)行精密分析和設(shè)備診斷之用。提供的分析工具和分析站類(lèi)似。
6. 交換機(jī)
作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的可靠性、網(wǎng)絡(luò)的吞吐率、以及數(shù)據(jù)安全性都有一定的要求。
交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉屑~，除應(yīng)長(zhǎng)期連續(xù)可靠地工作外，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的傳遞，交換機(jī)應(yīng)最大限度地減少通信擁擠，每個(gè)交換式以太網(wǎng)端口都能得到全部100Mb/s的帶寬。
四 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
本套系統(tǒng)對(duì)軟件的要求較為嚴(yán)格，首先要求操作系統(tǒng)穩(wěn)健并具有良好的網(wǎng)絡(luò)功能；其次，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)功能完善，執(zhí)行效率高，方便集成。另外，系統(tǒng)需要許多的高級(jí)分析功能，要求軟件提供專(zhuān)業(yè)的分析處理函數(shù)。
1. 操作平臺(tái)
本系統(tǒng)中操作站和數(shù)據(jù)采集站的操作系統(tǒng)擬選用Windows NT Workstation 4.0，服務(wù)器操作系統(tǒng)選用 Windows NT Server 4.0，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL server 7.0，分析站使用Windows 98，數(shù)采站使用 Windows NT Workstation 4.0。
2. 開(kāi)發(fā)平臺(tái)
軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)數(shù)采站和監(jiān)視站選擇支持32位操作系統(tǒng)的LabView 6i專(zhuān)業(yè)版，以及Sound and Vibration Toolset附加軟件。分析站使用Visual C++ 6.0 企業(yè)版。
LabView 6i具有模塊化的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其軟件功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史趨勢(shì)、報(bào)警和事件記錄、設(shè)備連接性、系統(tǒng)配置工具，以及G圖形化編程語(yǔ)言，可以將各個(gè)軟件功能塊組合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出HMI以及控制應(yīng)用程序。
運(yùn)用LabVIEW 6i時(shí)，所要做的是要建立虛擬儀器（VI），而不是要編寫(xiě)程序。在指定其功能時(shí)，只需直接將流程圖組合在一起，對(duì)控制及加工工程師而言這是很自然的設(shè)計(jì)概念。在G的圖形化函數(shù)庫(kù)中包含了流程的自動(dòng)化符號(hào)、I/O、分析、歷史記錄、文件，以及網(wǎng)絡(luò)連接的功能。其他的功能可以方便地利用各種標(biāo)準(zhǔn)（例如Active X和SQL），與各項(xiàng)應(yīng)用共享信息。
本系統(tǒng)以LabVIEW 6i為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系時(shí)利用LabVIEW 6i專(zhuān)業(yè)版內(nèi)帶的SQL Toolkit工具包，可以訪問(wèn)現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（如MS SQL Server、Oracle、Sybase和Informix等），用標(biāo)準(zhǔn)的SQL語(yǔ)句可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)、修改、增刪等操作。LabVIEW 6i本身帶有功能強(qiáng)大的高級(jí)分析庫(kù)，提供多種時(shí)頻域分析功能，針對(duì)于振動(dòng)信號(hào)分析可以利用 Sound and Vibration Toolset軟件包完成。
Sound and Vibration Toolset聲音和振動(dòng)分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測(cè)量和加權(quán)濾波等功能。
3. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模塊
自己開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與報(bào)警、分析、網(wǎng)絡(luò)通信等程序。
整個(gè)系統(tǒng)除分析站部分采用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)外，其余各站的軟件都采用LabVIEW 6i和其附加軟件開(kāi)發(fā)。
五 系統(tǒng)主要功能
1. 顯示和監(jiān)控功能
該功能主要是由安裝在操作室監(jiān)測(cè)站上的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)接收采集站的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以圖形方式直觀地監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)、速度和其他工藝信號(hào)，如圖3所示。
2. 報(bào)警功能
通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累和分析，確定軋制不同鋼種、規(guī)格時(shí)振動(dòng)門(mén)限值的大小，然后在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度超標(biāo)時(shí)，就會(huì)提示操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)還可以進(jìn)一步地進(jìn)行精密分析并采取措施，直至正常為止。
3. 分析診斷功能
利用LabVIEW 6i及Sound and Vibration Toolkit提供的完備的分析工具，結(jié)合Visual C++ 6.0，系統(tǒng)對(duì)采集的各種信號(hào)（以振動(dòng)信號(hào)為主）開(kāi)發(fā)的功能模塊有：時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析、包絡(luò)分析、高階統(tǒng)計(jì)量、趨勢(shì)分析、離線鋼卷評(píng)價(jià)等模塊。
六 系統(tǒng)特點(diǎn)
1. 高可靠性
本系統(tǒng)采用PXI體系結(jié)構(gòu)，選用美國(guó)NI公司的調(diào)理、采集模塊和LabView 6i開(kāi)發(fā)平臺(tái)，保證了系統(tǒng)的高可靠性。
2. 完備的專(zhuān)業(yè)分析工具
整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)站的軟件都利用LabView 6i和其附加軟件開(kāi)發(fā)，LabView 6i本身帶有功能強(qiáng)大的高級(jí)分析庫(kù)，提供多種時(shí)頻域分析功能；對(duì)于振動(dòng)信號(hào)分析利用Sound and Vibration Toolset軟件包完成，此聲音和振動(dòng)分析軟件包，提供倍頻程分析、頻域分析、瞬態(tài)分析、聲階測(cè)量和加權(quán)濾波等功能。
3. 采用DataSocket技術(shù)
本系統(tǒng)是基于虛擬儀器的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集站在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到操作站。LabVIEW 6i內(nèi)自帶的DataSocket技術(shù)可以滿(mǎn)足此要求。
DataSocket是一種網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。利用DataSocket軟件還可以對(duì)資源的訪問(wèn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，可以對(duì)用戶(hù)按照不同類(lèi)別分組，并分別賦予不同的讀、寫(xiě)等權(quán)限，使資源得到比較好的保護(hù)，降低對(duì)資源訪問(wèn)時(shí)產(chǎn)生沖突的機(jī)率。
七 結(jié)論
利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的基于PXI體系的軋機(jī)振動(dòng)紋在線監(jiān)診系統(tǒng)已投入現(xiàn)場(chǎng)使用，為現(xiàn)場(chǎng)操作、產(chǎn)品質(zhì)量分析以及設(shè)備維護(hù)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。
實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。從投入至今連續(xù)運(yùn)行5個(gè)多月沒(méi)有出現(xiàn)死機(jī)等意外情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。在今年2月份，軋機(jī)曾出現(xiàn)異常振動(dòng)情況，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完整地記錄了設(shè)備劣化全過(guò)程的信息，對(duì)于及時(shí)分析設(shè)備故障原因，迅速恢復(fù)生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。
由于該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，增強(qiáng)了我們將PXI體系結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣到寶鋼冷軋其他機(jī)組以及熱軋的信心。