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

1、    基于虛擬儀器的除濕機(jī)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、引言隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)普遍應(yīng)用于測(cè)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(diǎn)。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(duì)其重要性能參數(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集、信號(hào)1、引言隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)普遍應(yīng)用于測(cè)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(diǎn)。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(duì)其重要性能參數(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、圖形顯示及存儲(chǔ)等功能。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有投資少，測(cè)試功能豐富，操作方便，功能擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(tái)，采用PCI總線儀器結(jié)構(gòu)體系，將整個(gè)系統(tǒng)分為三級(jí)：數(shù)據(jù)采集級(jí)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和綜合級(jí)、信息處理級(jí)。其每層的具體功能為：數(shù)據(jù)采集級(jí)實(shí)

3、現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，主要解決測(cè)點(diǎn)與設(shè)備的連接；數(shù)據(jù)預(yù)處理和綜合級(jí)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡(jiǎn)單的預(yù)處理輸入計(jì)算機(jī)，通過機(jī)上軟件對(duì)其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；信息處理級(jí)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(shí)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(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)有意義，需要有選擇的確定測(cè)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(xiàng)溫度參數(shù)、2項(xiàng)濕度參數(shù)和4項(xiàng)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(cè)參數(shù)及對(duì)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(duì)濕度傳感器采用的是美國Honeywell公司的HIH-3610型相對(duì)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(shí)踐證明，所選傳感器能夠可靠、準(zhǔn)確的測(cè)量和反映被測(cè)參數(shù)。2.2 數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理板數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理板包括數(shù)據(jù)采集卡PCI-8310和熱電阻信號(hào)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(dòng)程序和專門的工具包來創(chuàng)建調(diào)用動(dòng)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(gè)通道中使用了7個(gè)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(hào)。PS-011熱電阻信號(hào)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(hào)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(cè)溫電路。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件結(jié)構(gòu)框架根據(jù)除濕機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(gè)細(xì)節(jié)任務(wù)編制成結(jié)構(gòu)完整，功能相對(duì)獨(dú)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(duì)除濕機(jī)工況進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理，能夠提

7、供完善的監(jiān)測(cè)報(bào)告。由于各個(gè)模塊之間是相互獨(dú)立的，因此便于軟件在日后進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展。3.2 故障診斷模塊的實(shí)現(xiàn)故障診斷是系統(tǒng)要求具有的重要功能之一，本文對(duì)除濕機(jī)的故障診斷是通過模糊聚類分析的方法實(shí)現(xiàn)的。采用模糊C均值聚類算法，在正常工況下對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(duì)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(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的測(cè)試值進(jìn)行模糊聚類分析，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其聚類中心必定與原先正常時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)模式發(fā)生偏移。根據(jù)模糊距離的分析和計(jì)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(jì)中，應(yīng)用LabVIEW語言編程實(shí)現(xiàn)模糊C均值聚類

8、算法，對(duì)樣本進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)機(jī)理分類。通過計(jì)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(jì)算待測(cè)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(duì)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(duì)正常工況和故障工況參數(shù)集數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得到各種故障的特性和規(guī)律。在近一年的時(shí)間里，對(duì)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(cè)提供了專家知識(shí)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(shí)間為600s，前300s為正常工況，后300s為故障工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到故障工況與正常工況的參數(shù)對(duì)比表，部分參數(shù)的對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所采集的溫濕度等參數(shù)信號(hào)大多是慢變信號(hào)。當(dāng)模擬七種常見故障時(shí)，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(cè)時(shí)參數(shù)閾值設(shè)定為正常工作參數(shù)集中對(duì)應(yīng)參數(shù)的值5，當(dāng)參數(shù)超過閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，閾值設(shè)定合理，誤報(bào)率、漏報(bào)率均較小。5、結(jié)論本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低、開發(fā)周期短且功能穩(wěn)定，通過對(duì)除濕機(jī)不同季節(jié)、不同氣候下狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，很好的滿足了實(shí)驗(yàn)和教學(xué)要求。參考文獻(xiàn)2 田湛君.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.基礎(chǔ)自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2003,