设备负荷测试微机数据采集及处理系统.pdf_大学文库

本系统以微型机为核心，运用数据采集和信号处理技术：1]，以适应治金设备负荷能力现场测试中被测参数种类多；信号幅度差值大；动态信号变化快；测试周期持续时间长；测试现场条件恶劣等特点。利用这一系统并配以适当的传感器，可用于机城设备负荷在线检测、监视和记录，从而了解设备负荷能力，进行设备故障诊断。为改进生产工艺，减少设备故障率，以及为科学试验提供信息和手段。 1系统的组成及工作原理系统的主要性能指标如下：32路A/D通道，1路D/A通道；分辩率12BIT±1/2BIT: 13种采样频率，最高为30kHz;单次采样的最大数据量以微机的磁盘容量为限；系统精度优于0.5%。 1-4 该系统选用了以IBM-PC计算机为主机的硬件配置系统。它具有512KB的内仔容量以及两个36的KB的软盘和一个10MB的硬盘，为存储大量采集的数据创造了条件。与此同时，还配置了放大器，隔离保护器，A/D转换板等。系统硬件配置框图见图1。 Kon-clectric Tranducers Amplifiers Winchester di网 signal Printer Eieetrc D/A output Modular- CRT keyboerd S利gnal X-Y plotter Ime function Erneritce start signal 2,360kBs0f0 disk 剁1系统硬件配置嵇图 Fig.1 Block diagram of system hardwarc 在测试时，传感器将力、转矩、位移、转速、温度等非电量信号转换成电信号，经放大器放大，以充分利用AD转换器的满刻度分辩。为了安全可靠地运行，主机系统与被测参数之间采用隔离保护器联接。这是因为被测参数往往有高电压、大电流。如不隔离、一旦发生故障，则可能发生高电压或大电流窜入微机烧坏机器。另一方面，增加了隔离保护器后，能在很大程度上消除干扰，使整个系统工作更加可靠。32路12位A/D转换板将模拟信号转变为数字信号并送入微机，经处理后可完成显示、打印、计算、作图和存盘等功能。在测试过程中，系统的数据采集和数据处理是异步进行的。工作过程如下：当系统数据采集初始化工作完成之后，主机处于等待状态，等待AD启动信号的发出。当AD板上的控制逻辑接到启动信号后，即开始AD转换。各路经放大到一定幅值的信号由多路开关依次接人采样保持器，由此送到A/D转换器转换成相应的数字量，再通过内部总线送入计算机的内存或外存（磁盘）。各路模拟信号是轮番进行转换的。当采满预定数据量后，采样及 A/D转换停止，主机将采集数据存盘，且对各路信号进行相应的处理并输出结果。 2系统的主要功能 2.1标定功能本功能能对各种不同用途的传感器进行标定数据采集利和数据处理。标定日期，校准级数， 339

本系统以微型机为核心，运用数据采集和信号处理技术仁” ，以适应冶金设备负荷能力现场测试中被测参数种类多信号幅度差值大动态信号变化快测试周期持续时 ’ 长测试现场条件恶劣等特点。利用这一系统并配以适当的传感器，可用于机械设备负荷在线检测、监视和记录，从而了解设备负荷能力，进行设备故障诊断。为改进生产工艺，减少设备故障率，以及为科学试验提供信息和手段。系统的组成及工作原理系统的主要性能指标如下路人通道，路通道分辩率土种采样频率，最高为单次采样的最大数据量以微机的磁盘容量为限系统精度优于。该系统选用了以一计算机为主机的硬件配置系统。它具有的内存容量以及两个的软盘和一个的硬盘，为存储大量采集的数据创造了条件。与此同时，还配置了放大器，隔离保护器，转换板等。系统硬件配置框图见图。留 · 一一户广只卜目日口三、了‘ 。吕花为口尸，改久亡仁飞它卜二盆口卜币灿，，以犷日广厂曰飞自图系统硬件配置框图王五在测试时，传感器将力、转矩、位移、转速、温度等非电量信号转换成电信号，经放大器放大，以充分利用转换器的满刻度分辩率。为了安全可靠地运行，主机系统与被测参数之间采用隔离保护器联接。这是因为被测参数往往有高电压、大电流。如不隔离，一旦大电流窜入微机烧坏机器。另一方面，增加了隔离保护器使整个系统工作更加可靠。路位转换板将模拟坏朴理后可字成显示、打印、计算、作图和存盘等功能。在测试过程中，系统的数据采集和数据处理是异步进行的。工作过程如下当系统数据采集初始化工作完成之后，主机处于等待状态，等待广启动信号的发出。当板上的控制逻辑接到启动信号后，即开始转换。各路经放大到一定幅值的信号由多路开关依次接入采样保持器，由此送到转换器转换成相应的数字量，再通过内部总线送人计算机的内存或外存〔磁盘。各路模拟信号是轮番进行转换的。当采满预定数据量后，采样及转换停止，主机将采集数据存盘，且对各路信号进行相应的处理并输出结果。系统的主要功能标定功能本功能能对各种不同用途的传感器进行标定数据采集和数据处理。标定日期，校准级数

采样点数和被标定的传越器类型可根据需要自行装定。标定时以“人一机”对话方式，分坡进行采样。标定结束后，立即在磁盘上建立永水久性数据文件。如需要处理数据，可按y以健，便能在线进行数据处理、包括量化处理和数字处理。最后制表输出标定日期，尔校准玫的采样值、平均值、标定值，标定系数，回归方程，非线性误差和重复性误差等。 2,2数据采集及存盘功能本系统能对32路模拟量通道进行采集和存储。采样通道数，采样频*：和数据坟可通过 “人一机”对话设定。采集和存盘的方式有3种。 (1)以数据块为单位的间断采集存盘。在这种方式下，每个数据块义为1KB 60KB,采集次数不限。丁作时每采满1个数据块任1次盘。此方式适用于采集大量数其，但采集的数据不是连续的，在盘的过程中，采集停止。 (2)数据不间断地连续采集存盘。本方式利用中断技术【，在·定的采样频*：花围内进行数据连续采集和存盘。本系统带行10MB的硬盘，则1次连续采集、记录的最大数据量可达10MB。这种方式特别适用于斓试通道多、周期长、采样数：t大且不允许间断的场合。 (3)实时采集显示（不仔盘）。采集斤立即在盛光所上显示所采集通道的波形。此方式用于调试测试信号和现场监视。以上3种方式，启动AD的触发信号可以是软件触发、定时器触发也可以是外同步信号触发。在采样的过程中、可随时暂停采样，以避免采集无用的数：。采集数以随机文件方式任在磁盘中，利上查找处理。 2.3数据处理功能处理数据时，可以对磁盐数：文件中任：意采样通道的任意段数据进行常规统ⅱ分析或特殊计算处理，并显示、打印结果数据。也可作蛋光诉上用不同的颜色同时显示8个通道参数的时域曲线，非可逐点城示出线上任意点的精确值和单位。要的话，也可在印机或绘图仪上画出这北数据曲线·。 2,4放大和隔高保护功能本系统配有电压放大器衙离保护器。电压放大倍数可调。隔离保护器具有目动限压、限流、上下限报警指示等功能。以确保让算机在测试时不会遭到高电压和人电流的损害，也可对所采巢的信号是正常起到判断和监视作用。通道间相互隔离，利于抗干扰和提高测试精度小。了系统的软件设计系统软件采用混合语言，即高级语言与汇编语言的混合。主程序及部分功能榄块程序选用编译BASIC语言，以利于“人-一机”对话作图5'。为了获得较高的采样速度和高精度的采样局期，采样胜序用汇编语言编写。这样做的好处是：以充分发挥算机的特长，销较小；采样语句变化小，易于编制；将数据处理部分推给主程广，极火地减轻了编程的负 340

采样点数和被标定的传感器类型可根据需要自行装定。标定时以 “ 人一机 ” 对话方式，分级左行采样。标定结束后，立即在磁盘上建立永久性数据文件。如需要处理数据，，，步左手字以键，便能在线进行数据处理，包括量化处理和数字处理。最后制表输出标定日期，齐校准吸的采样值、，卜均值、标定值，标定系数，回归方程，非线性误差和重复性误差等。教据采集及存盘功能本系统能对路模拟量通道进行采集和存储。采样通道数，采样频率和数据贫，江通过 “ 人一机 ” 对话设定。采集和存盘的方式有种。以数据块为单位的间断采集存盘。在这种方式下，敏个数据块可定义为至，采集次数不限。工作时每采满个数据块存次盘。此方式适用于采集大量数据，但采集的数据不是连续的，在存盘的过程中，采集停止。数据不间断地连续采集存盘。本方式利用中断技术〔之了，在一定的采样频率范川内进行数据连续采集和存盘。本系统带有的硬盘，则次连续采集、记录的最大数据最可达。这种方式特别适用于测试通道多、周期长、采杆数据量大且不允许介断的场合。实时采集显示不仔盘。采集后立即在萤光屏上显示出所采集通道 ’勺波形。此方式用于调试测试信号和现场监视。以上种方式，启动的触发信一号。以是软件触发、定时器触发也，以是外同步信弓触发。在采样的过程，卜，，她时暂停采样，以避免采集无用的数据。采集的数据以随机文件方式存在磁盘，卜，利护查找处理。橄据处理功能处理数据时，可以对磁盘数据文件，卜任音采样通道的任意段数据进行常规统分析或特殊计算处理，并显示、打印结梁数据。也，，’ 在萤光屏卜用不同的颇色同时显示个通直参数的时域曲线，井可逐点敏示比曲浅任欲点的精确位和单位。如击要的斤，也可在汀印机或绘图仪上画出这卜铸数据曲线、乙」。放大和隔离保护功傲本系统配子电压放大器和箱离深护器。电压放大倍数，丁调。隔离保护器具仃自动限压、限流、 ‘ 限报警指示等功能。以确保计沐机在测试时不会遭到高电压和大电流的损害，也，’ 对所采集的洁甘是否正常起到判断和监视咋川。通道间互隔离，利抗二 “ 扰和提高侧式精度〔 ‘ ’ 。系统的软件设计系统软件采用混合语言，即高级语一言与汇编语言的混合。主程序及部分功能模块程序选用编译语言，以利于 “ 人一机 ” 对话和作图 ’ ’ 。为获得较高的采样速度和高精度的采样周期，采样程序用汇编语言编写。这样做的好处是一以充分发挥计算机的特长，夕卜消较小采样语句变化小，易于编制将数据处理部分推给主程序，极大地减轻了编程的负

担。整个程序结构上采用菜单式和榄块化。软件结构框图如图2所示。 Main program M=* MEI CalLretion program module Calibration M=2 Sample save Semple save program modulc Data-processing Me3 Datw-r oceasing proam movile .End 图2软作结构据图 Fig.2 Block diagram of software structure 包括有：系统主程序，用于系统初始化和各功能选择：标定程序模块，用于标定传感器 :测试时对各测试参数进行刻度：采样和存盘程序模块，它将模拟量的测量信号转变为数字量并存在磁盘中以待处理；数据处理程序模块，它将采袋的原始数据按各物理量间的数关系进行计算处理，形成结果数据，并在外设上显示、输出结果数据和曲线。各功能模块执行完后或在执行过程中不要再往下进行时，程序均返回主菜单，置系统于初始控制状态，等待下次选择。整个程序中具有大量的“人一机”对话和提示，操作方便灵活，执行速度较快。各功能模块易于修改和扩充，通用性强。 4应用本系统经实验室长期使用后于1986~1988年分别对大型板坯连铸机及800开坯轧机和 650型钢轧机等治金设备进行了综合测试，整个系统就放在测试现场，经受住了治金厂恶劣环境的考验，系统工作正常，取得了满意的结果。图8为计算机数据采集系统绘制的实测波形图。从被复原后的波形图可看出，信号经采样转换后没有任何波形畸变，波形很平滑，基本上没有任何干扰的毛刺。因此，可确信数据采集系统采集到的数据是完全可靠的。在测试中使用本系统与使用光线示波器的传统方法相比，在精度、数据量、工作效率等方面均有很大的优越性。图4是在同一次测试中用光线示波器记：录的轧机波形图[8)。使用传统方法手工度量一个测点约需5$，如度量2000个测点就需10000s,除此之外还需进行换算、计算处理等，所需时间就远远超过10Cs。而使用本系统，在几分钟内就可完成200C个点的度量、换算和进一步的计算处理，并输出结果数据。由此可看出，单就工作效率而言，就是传统测试方法无法比拟的。在波形复杂、测试时间长、参数多的情况下就更能显示出计算机数据采集系统的优越性。图3计算机数据采集系统绘制的实测波形图图1光线示波器记录的实测波形图 Fig.3 Measured wave drawn by computer Fig.4 Measured oscillogram recorded by data-collecting system osccillocope 341

担。整个程序结构上采用菜单式和模块化。软件结构框图如图所示。群摆嚣筹豁二 ” 川相一厄稠二气往山 ‘ 七旧改一砚巨国图软件结构框图亡一一凡卜眨坛﹂包括有系统主程序，用于系统初始化和各功能选择标定程序模块，用于标定传感器和测试时对各测试参数进行刻度采样和存盘程序模块，它将模拟量的测量信号转变为数字量并存在磁盘中以待处理数据处理程序模块， ‘ 已将采奥的原始数据按各物理量间的数学关系进行计算处理，形成结果数据，并在外设上显示、输出结果数据和曲线。各功能模块执行完后或在执行过程中不要再往下进行时，程序均返回主菜单，置系统于初始控制状态，等待下一次选择。整个程序中具有大量的 “ 人一机 ” 对话和提示，操作方便灵活，执行速度较快。各功能模块易于修改和扩充，通用性强。应用本系统经实验室长期使用后于一年分别对大型板坯连铸机及功开坯轧机和。型钢轧机等冶金设备进行了综合测试，整个系统就放在测试现场，经受住了冶金厂恶劣环境的考验，系统工作正常，取得了满意的结果。图为计算机数据采集系统绘制的实测波形图。从被复原后的波形图可看出，信号经采样转换后没有任何波形畸变，波形很平滑，墓本上没有任何干扰的毛刺。因此，可确信数据采集系统采集到的数据是完全可靠的。在测试中使用本系统与使用光线示波器的传统方法相比，在精度、数据量、工作效率毕方面均有很大的优越性。图是在同一次测试中用光线示波器记录的轧机波形图〔〕。使用传统方法手工度量一个测点约需，如度量。。。个测点就需，除此之外还需进行换算、计算处理等，所需时间就远远超过。。。。。而使用本系统，在儿分钟内就可完成。。个洲点的度量、换算和进一步的汁算处理，并输出结果数据。由此可看出，单就工作效率而言，就是传统测试方法无法比拟的。在波形复杂、测试时间长、参数多的情况下就更能显示出计算机数据采集系统的优越性。辛止图计算机数据采集系统绘制的实测波形图主，一了爪图光线示波器记录的实测波形图，茸

5结论 (1)本系统主要是为了适应冶金设备负荷现场测试而研制的。它以IBM-PC微型计算机为核心，并配以放大器、隔离保护器、A/D变换板、显示器、打印机、绘图仪等，既能门成体系，又可与应变仪、磁带记录仪、光线示波器配合使用。 (2)模拟量输人通道多(1~32路可选)，采集的数据量大（单次连续采集的最大数据量可达10MB),采样频率可由软件设定（从2Hz到30kHz分为13挡可选），分辩格12BIT ±1/2BIT,系统精度优于0.5%。 (3)系统具有标定功能、采样、盘功能1数据处理功能。软件用编译BASIC语言和汇编语言编写，执行速度较快，易于图形显示和输出；程序中插有“人一机”对话，便于操作；结构上采用菜单式和模块化，利于扩充和移植。 (4)计算机本身完全浮空，模拟量输人部分与计算机之间采用隔离保护器联接，使二者在电路上完全隔离，可保护计算机安全可常地运行。模拟量采用差动输入，利于消除共模干扰。为防止：突发性扰对系统的彩响，除采用低通滤波器外，在数据处理模块中还采用了数字滤被等措施，经实测使用，取得良好效果。 (5)本系统已成功地应用于轧钢机和连铸机负荷的现场测试，其测试精度和工作效率都大大地优于使用传统的测试仪器和方法。实践证明，此系统不仅能满足治金系统各类轧机和设备的负荷测试要求，也同样近用于其它工程设备的负荷测试和研究，具有实用价值。参考文献 1朱CK,比龙彻普KG,鲁宾逊GPS.微机系统与信号处理，北京：科学出版社，1988 2周明德。微型计算机硬件、软件及应用。北京：请华大学出版社。1984 3张福炎，蒋新儿，李滨宇，微型计算机1BI-PC原理与应用。南京大学出版社. 1984 4张如洲。微型计算机数据采集与处理，北京工业学院出版社·1987 5戈尔茨坦LJ.IBM-PC高级BASIC及编程技巧.北京：海祥出版社。1986 6北京科技大学机械系。重庆钢铁公司火轧厂800型钢轧机负荷工程测试报告。1987 342

结论本系统主要是为了适应冶金设备负荷现场测试而研制的。它以一微型计算机为核心，并配以放大器、隔离保护器、变换板、显示器、打印机、绘图仪份，既能自成体系，又可与应变仪、磁带记录仪、光线示波器配合使用。模拟量输入通道多一路可选，采集的数据量大单次连续采集的最大数据量可达，采样频率，丁白软件设定从到分为挡可选，分辩率士，系统精度优于。系统具有标定功能、采样、介盘功能和数据处理功能。软件用编译语言和汇编语言编写，执行速度较快，易于图形显示和输出程序中插有 “ 人一机 ” 对话，便于操作结构上采用菜单式和模块化，利于扩充和移植。计算机本身完全浮空，模拟量输人部分与计算机之间采用隔离保护器联接，使二者在电路上完全隔离，可保护计算机安全可靠地运行。模拟量采用差动输入，利于消除共模干扰。为防止突发性于扰对系统的影响，除采用低通滤波器外，在数据处理模块中还采用了数字滤波等措施，经实测使用，取得良好效果。本系统已成功地应用于轧钢机和连铸机负荷的现场测试，其测试精度和工作效率都大大地优于使用传统的侧试仪器和方法。实践证明，此系统不仅能满足冶金系统各类轧机和设备的负荷测试要求，也同样适用于其它工程设备的负荷试和研究，具有实用价值。参考文献荣，比龙彻普，鲁宾逊微机系统与信号处理北京科学出版社。周明德。微型计算机硬件、软件及应用北京清华大学出版社张福炎，蒋新儿，李滨宇微型计算机入卜原理与应用。南京大学出版社张如洲微型计算机数据采集与处理北京工业学院出版社了戈尔茨坦，一高级及编程技巧北京海洋出版社北京科技大学机械系币庆钢铁公司大轧厂 ‘ 型钢轧机负荷工程试报告