基于虛擬儀器的除濕機狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)設計

1、    基于虛擬儀器的除濕機狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)設計1、引言隨著測試技術的發(fā)展，基于計算機技術的虛擬儀器技術普遍應用于測試與分析領域。與普通的分析儀器相比，虛擬儀器具有開發(fā)周期短、效率高、分析功能強大等優(yōu)點。冷凍式調溫除濕機是多部件耦合工作的系統(tǒng)，主要用于環(huán)境溫濕度的調控。由于系統(tǒng)復雜，除濕機系統(tǒng)故障率較高，需要搭建能對其重要性能參數(shù)實施監(jiān)測的實驗平臺。本文開發(fā)了基于虛擬儀器技術的除濕機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了多路信號的高速數(shù)據(jù)采集、信號1、引言隨著測試技術的發(fā)展，基于計算機技術的虛擬儀器技術普遍應用于測試與分析領域。與普通的分析儀器相比，虛

2、擬儀器具有開發(fā)周期短、效率高、分析功能強大等優(yōu)點。冷凍式調溫除濕機是多部件耦合工作的系統(tǒng)，主要用于環(huán)境溫濕度的調控。由于系統(tǒng)復雜，除濕機系統(tǒng)故障率較高，需要搭建能對其重要性能參數(shù)實施監(jiān)測的實驗平臺。本文開發(fā)了基于虛擬儀器技術的除濕機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了多路信號的高速數(shù)據(jù)采集、信號處理、圖形顯示及存儲等功能。此實驗平臺具有投資少，測試功能豐富，操作方便，功能擴展性強等優(yōu)點。2、系統(tǒng)硬件設計圖1 系統(tǒng)硬件總體結構圖本系統(tǒng)運用LabVIEW7.0虛擬儀器開發(fā)平臺，采用PCI總線儀器結構體系，將整個系統(tǒng)分為三級：數(shù)據(jù)采集級、數(shù)據(jù)預處理和綜合級、信息處理級。其每層的具體功能為：數(shù)據(jù)采集級實

3、現(xiàn)對測點數(shù)據(jù)的采集，主要解決測點與設備的連接；數(shù)據(jù)預處理和綜合級將采集到的數(shù)據(jù)經過簡單的預處理輸入計算機，通過機上軟件對其實現(xiàn)實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)存儲等功能；信息處理級將服務器上的圖文數(shù)據(jù)通過局域網傳送到客戶端，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控及故障診斷。系統(tǒng)硬件總體結構如圖1所示。2.1 參數(shù)與傳感器的選擇和布置影響除濕機工作性能的參數(shù)較多，主要參數(shù)有溫度、濕度、功率、風速和壓縮機進排氣壓力等。但除濕機運行過程中能提供很多信息，不是每一種信息都對狀態(tài)監(jiān)測有意義，需要有選擇的確定測量參數(shù)。通過分析和研究除濕機的構造與工作原理，確定了14項溫度參數(shù)、2項濕度參數(shù)和4項其它性能參數(shù)。所選擇的參數(shù)和各傳感器在系統(tǒng)中的布置

4、如圖2所示。圖2 所測參數(shù)及對應傳感器布置圖圖注：T1排氣溫度 T2水冷出口溫度 T3冷凝溫度 T4風冷出口溫度 T5節(jié)流前溫度T6節(jié)流后溫度 T7蒸發(fā)溫度 T8蒸發(fā)器出口溫度 T9吸氣溫度T10進風溫度T11出蒸發(fā)器空氣溫度 T12出風溫度 T13出水溫度 T14進水溫度 H1進風濕度H2出風濕度 P1排氣壓力 P2吸氣壓力 Pw功率 V風速溫度傳感器采用的是PT100薄膜鉑電阻；相對濕度傳感器采用的是美國Honeywell公司的HIH-3610型相對濕度傳感器；壓力傳感器采用西安新敏電子科技有限公司的CYB13和CYB15型壓力變送器；功率傳感器采用的是綿陽維博電子的WBP312P71型三

5、相有功功率隔離傳感器，并于杭州達特利電器有限公司的LMK3BH-0.66型電流互感器配合使用；風速傳感器采用德國SIMENSE公司的EE65-Vxx型風速傳感器。實踐證明，所選傳感器能夠可靠、準確的測量和反映被測參數(shù)。2.2 數(shù)據(jù)采集信號處理板數(shù)據(jù)采集信號處理板包括數(shù)據(jù)采集卡PCI-8310和熱電阻信號調理板PS-011。PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡屬非NI數(shù)據(jù)采集卡，需要通過安裝廠商提供的采集卡驅動程序和專門的工具包來創(chuàng)建調用動態(tài)鏈接庫DLL函數(shù)，使采集卡在LabVIEW環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集工作。其16個通道中使用了7個通道：其中1通道與PS011溫度調理板配合用于采集16路溫度參數(shù)，914通道

6、用于采集功率、風速、進風濕度、除濕后濕度、高壓壓力和低壓壓力信號。PS-011熱電阻信號調理板是與PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡配套使用的熱電阻信號調理板。其主要功能是與PT100熱電阻傳感器和傳輸導線一起構成測溫電路。3、系統(tǒng)軟件設計3.1 軟件結構框架根據(jù)除濕機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能的需要，采用結構化和模塊化的編程思想，按層次結構將每一個細節(jié)任務編制成結構完整，功能相對獨立的子程序塊。開發(fā)的應用程序的軟件結構框架如圖3所示。圖3 軟件結構框架該軟件不但能夠保證采集系統(tǒng)本身高效可靠地運行，而且能對除濕機工況進行有效的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，從而確保除濕機安全地運行。而且有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理，能夠提

7、供完善的監(jiān)測報告。由于各個模塊之間是相互獨立的，因此便于軟件在日后進行升級和擴展。3.2 故障診斷模塊的實現(xiàn)故障診斷是系統(tǒng)要求具有的重要功能之一，本文對除濕機的故障診斷是通過模糊聚類分析的方法實現(xiàn)的。采用模糊C均值聚類算法，在正常工況下對被測系統(tǒng)進行實時狀態(tài)監(jiān)測，生成系統(tǒng)正常工況參數(shù)集，然后采用模糊聚類分析的方法，對參數(shù)集進行分析，得出正常系統(tǒng)的標準功能模式；再對系統(tǒng)實際運行時的測試值進行模糊聚類分析，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，其聚類中心必定與原先正常時的標準模式發(fā)生偏移。根據(jù)模糊距離的分析和計算，可以得出哪些系統(tǒng)功能以多大的隸屬度發(fā)生了故障。在模塊設計中，應用LabVIEW語言編程實現(xiàn)模糊C均值聚類

8、算法，對樣本進行計算，并根據(jù)機理分類。通過計算和反復迭代進行精確聚類分析，最終得到聚類中心和分類矩陣。通過計算待測樣本與聚類中心的最大最小貼近度完成除濕機的故障診斷。4、工況參數(shù)集的建立工況參數(shù)集的建立對于進行除濕機的故障診斷具有重要意義，其包括正常工況參數(shù)集和故障工況參數(shù)集兩部分。通過對正常工況和故障工況參數(shù)集數(shù)據(jù)的對比分析，可以得到各種故障的特性和規(guī)律。在近一年的時間里，對除濕機在不同季節(jié)進行了正常工況下的參數(shù)采集與整理。正常工況參數(shù)集的建立也為除濕機狀態(tài)監(jiān)測提供了專家知識依據(jù)。故障工況參數(shù)集的建立則是通過模擬除濕機系統(tǒng)進風風量減少、風冷冷凝器空氣側部分堵塞等七種常見故障來完成的。在環(huán)境溫

9、度為24，濕度為71的條件下，設定采樣頻率為1s，采樣時間為600s，前300s為正常工況，后300s為故障工況進行實驗。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得到故障工況與正常工況的參數(shù)對比表，部分參數(shù)的對比如表1所示。表1 故障狀態(tài)與正常工況下的溫度參數(shù)對比注：表中的數(shù)值均為故障工況數(shù)據(jù)減去正常工況數(shù)據(jù)所得。正值代表故障工況下該參數(shù)升高的值，負值代表下降的值，零代表不變化。通過實驗發(fā)現(xiàn)，所采集的溫濕度等參數(shù)信號大多是慢變信號。當模擬七種常見故障時，各特征參數(shù)變化最小幅度為自身參數(shù)值的5。所以我們將狀態(tài)監(jiān)測時參數(shù)閾值設定為正常工作參數(shù)集中對應參數(shù)的值5，當參數(shù)超過閾值時，系統(tǒng)自動報警。經過多次實驗檢驗，閾值設定合理，誤報率、漏報率均較小。5、結論本實驗系統(tǒng)成本低、開發(fā)周期短且功能穩(wěn)定，通過對除濕機不同季節(jié)、不同氣候下狀態(tài)監(jiān)測實驗，建立了除濕機正常工況參數(shù)集和七種故障工況下參數(shù)集，并總結出冷凍除濕機在正常工況與故障工況下重要參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷功能。實驗證明，系統(tǒng)運行正常，很好的滿足了實驗和教學要求。參考文獻2 田湛君.動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中虛擬儀器的設計與實現(xiàn)J.基礎自動化，2002(9)：3033.3 馬洪斌,杜海文等.基于虛擬儀器的武器系統(tǒng)集成檢測系統(tǒng)設計J.計算機工程與設計,2003,