基于PXI和SCXI板卡系統的空調自動檢測和故障診斷

一、系統概述

本系統主要用于對空調設備的關鍵器件進行自動檢測和故障診斷。該系統由自動檢測系統和故障診斷系統兩個分系統組成。自動檢測系統可以進行溫度、濕度、制冷劑壓力、強電電壓/電流、標準電流信號等多個信號的測量和數據采集處理，并將檢測結果傳輸到便攜式計算機中；故障診斷系統通過故障診斷系統對自動檢測系統傳入的數據進行分析，對空調設備所出現的故障進行定位并給出具體的解決方法。

二、系統設計與實現

1. 系統硬件設備

本系統主要基于NI公司的信號采集和調理設備搭建硬件平臺，它主要由一系列PXI和SCXI板卡組成；同時，為了方便連接傳感器，自制了集成接線箱。該系統的工作原理如圖1所示，機箱PXI-1042Q和SCXI-1000的電源為市電AC/220V；SCXI-1581對RTD溫度傳感器提供電流激勵；其余傳感器分別由集成接線箱中的15V和24V直流電源供電；自動工況模擬由SCXI-1124提供電流輸出。對各傳感器采集到的物理參數，使用PXI－6123同步采集卡對380V三相交流運行電參數信號進行采樣，可獲得各相電壓與相應電流初始相角相同的數據；使用具有32通道、每一個輸入通道都具有信號放大及低通濾波功能的SCXI－1102板卡完成6路24V直流電源運行參數信號、2路壓力信號、9路RTD溫度信號、1路環(huán)境濕度、1路大氣壓力和5路標準電流信號，共24路電壓信號的調理工作；SCXI－1102通過背部接線端將所有信號送到PXI－6251采集卡的第一個通道CH0。PXI－6123和 PXI－6251采集到的信號由PXI總線送入PXI-8106控制器進行分析處理。

圖1：系統工作原理圖

1.1 信號采集和調理硬件

信號采集和調理硬件主要由一系列PXI和SCXI板卡組成，其中PXI-6123同步采集卡用于采集三相交流電的電壓和電流；PXI-6251數據采集卡用于控制SCXI板卡，同時采集經SCXI-1102調理后的溫度、濕度、壓力和24V直流電源運行參數。

1.2 集成接線箱

集成接線箱將前端的模擬信號和采集/調理設備的各通道對應地連接起來，是自動檢測系統的信號連接中樞。它主要實現以下四個功能：

1）更好的電氣連接性

前端應用航空插頭與傳遞各測量模塊信號的線纜連接，后端是與信號調理/采集設備連接的總線接口，如圖3所示。它使信號的輸入輸出連接快速方便、穩(wěn)定可靠。

圖2 集成接線箱外形圖

2）連接電纜的一致性

前端的航空插座有4芯、10芯和24芯三種，每根連接電纜無須與傳感器一一對應，只要對應的插座相同就可以隨意接插，而且無法接插不同的插座，防止了錯誤連接。由于傳感器種類較多、數量較大，使用時前端連接傳感器的線纜很紛繁，線纜長度又較大，因此線纜的一致性使得每次使用時不必針對不同的傳感器尋找對應的線纜，既保證了連接傳感器的方便快捷，又保證了一定的冗余性(在線纜出現故障時，能及時找到替換線纜)。

3）傳感器直流供電

運行電參數測量模塊的傳感器需要直流±15V供電，壓力、濕度、大氣壓力以及標準直流信號測量模塊需要直流24V供電，集成接線箱內安放了直流電源，通過線纜給不同的傳感器供電。

4）電流信號的轉換

由于連接線纜較長，為了增強抗干擾能力，傳感器輸出信號都選擇了4mA～20mA的標準電流信號，電流信號進入集成接線箱后，通過高精度的取樣電阻（阻值250Ω和100Ω、精度1‰、功率1/4W），電阻上的壓降供給調理/采集設備進行A/D轉換。

1.3 信號調理附件

由于數據采集卡PXI-6123的電壓輸入范圍是±10V，而要檢測的380V三相供電參數超出PXI-6123的測試范圍。我們通過分壓的辦法將其轉化到±10V的范圍內。被測電參數（A相N相間電壓、B相N相間電壓、C相N相間電壓、A相電流、B相電流、C相電流）通過電壓互感器和電流互感器，將大電壓和大電流衰減為采集系統允許值范圍內的小信號。所選用的傳感器是LEM（萊姆電子）生產的應用霍爾原理閉環(huán)補償的LV25-P/SP2電壓傳感器和LA55-P/SP50電流傳感器。

為便于使用，設計制造了“交流380V三相供電測量盒”，測量盒的結構示意圖如圖3所示，盒體的左右兩側裝配的是用于與被測系統相連接的航空插座，左側為輸入端，連接系統的380V供電電源，測量電纜從電流傳感器中心孔穿過后連接到右側的航空插座（輸出端），再通過線纜連接到被測系統用電設備。衰減后的信號由信號輸出接口經線纜傳送到集成接線箱，再供數據采集卡采集。

圖3交流380V三相供電測量盒結構示意圖

2.系統軟件設計

運用虛擬儀器的思想，以NI LabVIEW8.5為開發(fā)平臺，設計開發(fā)自動檢測與故障診斷軟件(以下簡稱“檢測診斷軟件”)，該軟件與系統硬件一起構成完整的測試診斷系統。

檢測診斷軟件按空調設備的三大類試驗內容設計了自動工況模擬、調溫特性和電參數特性三個試驗模塊。每個試驗模塊具有選擇被測通道、設置采樣參數和處理采集數據的功能，使用者可根據具體試驗項目所測的物理量，選擇采集卡上相應的被測通道；通過改變采樣參數（采樣點數、采樣頻率）來改善試驗效果；通過LabVIEW8.5中自帶的信號分析、數學運算、統計分析等子VI將這些原始數據處理轉換成實際工程量數據，如溫度、壓力、濕度、電壓和電流等，然后與這些參數的設計值進行比較，如超出閾值界限，則及時以紅燈閃爍的報警形式通知用戶。同時，報警結果可自動保存到數據庫，供故障診斷系統分析。為了完成上述功能，主要需要如下功能模塊：

圖4檢測診斷軟件架構圖

1）?? 硬件配置與管理模塊：主要完成對硬件的配置與管理，是連接測試系統硬件與軟件的橋梁，

2）?? 硬件自檢模塊：測試系統自身功能的正確性，確保不會因為測試設備的故障導致產品測試工作失敗。

3）?? 校準模塊：實現對系統所用硬件的校準。

4）?? 閾值設置模塊：主要完成對被測參數顯示范圍(顯示下限和顯示上限)和報警閾值(報警下限和報警上限)的設置，為數據顯示和故障判斷提供執(zhí)行依據。

5）?? 信號控制和采集模塊：完成對被測信號的控制和采集。

6）?? 數據保存模塊：完成對采集信號的保存。

7）?? 數據庫模塊：實現對故障形式和故障狀態(tài)的存儲，并在故障存在的情況下，自動啟動故障診斷系統。

8）?? 數據回放模塊：實現對保存數據的回放，方便用戶觀察數據的變化趨勢。

9）?? 幫助模塊：對整個測試軟件進行說明，方便用戶使用。

其中硬件配置與管理模塊的界面如圖5所示。它由四個部分組成，分別是任務管理、配置管理、SCALE管理和設備管理，其中任務管理的功能是顯示已配置好的任務，以及實現對任務的選定、改名和刪除等操作；配置管理的功能是添加或修改配置，使之滿足測試需求，然后將選定的配置轉換為任務，是實現硬件通道合理配置的主戰(zhàn)場；SCALE管理的功能是實現對測試信號的標定，使物理信號以其實際單位（比如：Mpa、m/s等）存儲和顯示，而不是以電信號的單位（比如：V、mA等）存儲和顯示；設備管理的功能是顯示所有插入的板卡及其在本測試系統的功能信息等。

圖5 硬件配置與管理模塊

圖6是信號采集和控制的界面。在通道配置之前，對相應的硬件進行自檢，可確保不會因為測試設備的故障導致產品測試工作失敗。在進行通道配置時，用戶可根據測試需要，自定義測試信號類型(溫度、濕度、壓力或運行電參數)和通道數量，具有很強的通用性和靈活性。

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圖6 信號采集和控制的界面

3. 試驗測試

為了驗證本系統的功能是否完全滿足設計要求，開展了功能測試試驗、平均無故障時間試驗等。在報警和數據存儲及回放的功能試驗中，首先通過軟件閾值設置窗口完成測試參數報警閾值的設置，然后人為地改變冷凝器和蒸發(fā)器的進風溫度，當溫度值高于或低于設置的閾值時，報警燈變亮，溫度的變化曲線則如圖7所示。

圖7 冷凝器和蒸發(fā)器溫度變化曲線

??? 通過各項測試，證明該系統運行穩(wěn)定，設置方便，功能齊全，完全滿足項目的技術要求。

三、總結與展望

空調設備自動檢測與故障診斷系統主要是通過虛擬儀器技術對設備運行參數進行監(jiān)測，給出故障信號及測試數據，通過故障診斷系統推理進行故障診斷，給出故障模式。該系統功能強大，可以實現對多種信號（溫度、壓力、高電壓、大電流）的控制和測量，對測試數據可進行實時和離線分析。

本套系統已經在實際工業(yè)使用，系統運行穩(wěn)定，測試任務靈活方便，分析模塊功能強大，很好地滿足了對空調設備進行故障診斷的需求，提高了測試效率。

該系統通用性強，在故障診斷行業(yè)具有良好的推廣意義。