基于虛擬儀器的除濕機(jī)狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

1、    基于虛擬儀器的除濕機(jī)狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計1、引言隨著測試技術(shù)的發(fā)展，基于計算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)普遍應(yīng)用于測試與分析領(lǐng)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(qiáng)大等優(yōu)點。冷凍式調(diào)溫除濕機(jī)是多部件耦合工作的系統(tǒng)，主要用于環(huán)境溫濕度的調(diào)控。由于系統(tǒng)復(fù)雜，除濕機(jī)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(shù)的除濕機(jī)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(shù)的發(fā)展，基于計算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)普遍應(yīng)用于測試與分析領(lǐng)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(qiáng)大等優(yōu)點。冷凍式調(diào)溫除濕機(jī)是多部件耦合工作的系統(tǒng)，主要用于環(huán)境溫濕度的調(diào)控。由于系統(tǒng)復(fù)雜，除濕機(jī)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(shù)的除濕機(jī)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(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)運(yùn)用LabVIEW7.0虛擬儀器開發(fā)平臺，采用PCI總線儀器結(jié)構(gòu)體系，將整個系統(tǒng)分為三級：數(shù)據(jù)采集級、數(shù)據(jù)預(yù)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(shè)備的連接；數(shù)據(jù)預(yù)處理和綜合級將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的預(yù)處理輸入計算機(jī)，通過機(jī)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(wù)器上的圖文數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到客戶端，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)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(jī)工作性能的參數(shù)較多，主要參數(shù)有溫度、濕度、功率、風(fēng)速和壓縮機(jī)進(jìn)排氣壓力等。但除濕機(jī)運(yùn)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(jī)的構(gòu)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(yīng)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(fēng)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(jìn)風(fēng)溫度T11出蒸發(fā)器空氣溫度 T12出風(fēng)溫度 T13出水溫度 T14進(jìn)水溫度 H1進(jìn)風(fēng)濕度H2出風(fēng)濕度 P1排氣壓力 P2吸氣壓力 Pw功率 V風(fēng)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(dá)特利電器有限公司的LMK3BH-0.66型電流互感器配合使用；風(fēng)速傳感器采用德國SIMENSE公司的EE65-Vxx型風(fēng)速傳感器。實踐證明，所選傳感器能夠可靠、準(zhǔn)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(diào)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(qū)動程序和專門的工具包來創(chuàng)建調(diào)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(diào)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(fēng)速、進(jìn)風(fēng)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(diào)理板是與PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡配套使用的熱電阻信號調(diào)理板。其主要功能是與PT100熱電阻傳感器和傳輸導(dǎo)線一起構(gòu)成測溫電路。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 軟件結(jié)構(gòu)框架根據(jù)除濕機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能的需要，采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想，按層次結(jié)構(gòu)將每一個細(xì)節(jié)任務(wù)編制成結(jié)構(gòu)完整，功能相對獨立的子程序塊。開發(fā)的應(yīng)用程序的軟件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。圖3 軟件結(jié)構(gòu)框架該軟件不但能夠保證采集系統(tǒng)本身高效可靠地運(yùn)行，而且能對除濕機(jī)工況進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，從而確保除濕機(jī)安全地運(yùn)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(jìn)行升級和擴(kuò)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(jī)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(jìn)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(jìn)行分析，得出正常系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能模式；再對系統(tǒng)實際運(yùn)行時的測試值進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計中，應(yīng)用LabVIEW語言編程實現(xiàn)模糊C均值聚類

8、算法，對樣本進(jìn)行計算，并根據(jù)機(jī)理分類。通過計算和反復(fù)迭代進(jìn)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(jī)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(jìn)行除濕機(jī)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(jī)在不同季節(jié)進(jìn)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(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量減少、風(fēng)冷冷凝器空氣側(cè)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(shè)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(jìn)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(fù)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(dāng)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(shè)定為正常工作參數(shù)集中對應(yīng)參數(shù)的值5，當(dāng)參數(shù)超過閾值時，系統(tǒng)自動報警。經(jīng)過多次實驗檢驗，閾值設(shè)定合理，誤報率、漏報率均較小。5、結(jié)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(jī)不同季節(jié)、不同氣候下狀態(tài)監(jiān)測實驗，建立了除濕機(jī)正常工況參數(shù)集和七種故障工況下參數(shù)集，并總結(jié)出冷凍除濕機(jī)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(yùn)行正常，很好的滿足了實驗和教學(xué)要求。參考文獻(xiàn)2 田湛君.動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中虛擬儀器的設(shè)計與實現(xiàn)J.基礎(chǔ)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(shè)計J.計算機(jī)工程與設(shè)計,2003,