基于LabVIEW的電機軸承-轉子系統測試無線監控系統的研究與實現

孟輝 李松

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

大型電機軸承-轉子系統的現場測試系統其測量、輸入、輸出、結果分析有可能分布在不同的地理位置，借助遠程監控技術能將具有不同功能的測試設備有效地連接起來共同完成整個測試任務，使昂貴的硬件設備、軟件等在網絡內得以共享，減少設備重復投資，并實現測試的綜合自動化[1]。某些具有危險性的、環境惡劣的實驗，不適合人員現場操作，也需要實行遠程控制，將采集的數據自動存入服務器中供用戶使用[2]。隨著計算機網絡的發展，虛擬儀器與 Internet無線網絡技術的結合為虛擬儀器網絡化、大型工業現場遠程測控提供了更好的實現平臺[3]。

無線網絡靈活性高，拆卸方便，移位后不要重裝布線，重復使用性好；無線網絡擴展簡單，重建速度快；覆蓋范圍大，采用合適的布點技術，可以使地理環境限制減少到零；無線擴頻通信在出現故障時能快速找出原因，恢復線路正常運行，其在可靠性、可用性和抗毀性等很多方面超出了傳統的有線通信方式，尤其在一些特殊的地理環境下，更是體現出其優越性。將有線的連接方式轉換為無線的連接方式成為實施大型軸承-轉子系統測試實驗的一個必然趨勢。因此，本文綜合幾種網絡通信功能實現方法研究的基礎上，提出了一套基于LabVIEW的電機軸承-轉子測試系統的網絡虛擬實驗平臺，并利用該平臺進行轉子摩擦學的實驗。

1 LabVIEW的網絡功能分析

LabVIEW 的虛擬儀器網絡平臺是一個為遠程虛擬實驗室提供基礎的平臺[4]。LabVIEW 支持多種網絡通信功能，通過多次實驗分析比較得出這幾種網絡通信方式的特點，如表1所示。根據軸承-轉子測試系統的特點和數據分析，可以采用TCP通信技術和Remote Panels通信技術。

2.1 TCP

TCP（Transmission Control Protocol）使用簡單的IP服務，提供一種面向連接的、可靠的傳輸層服務。TCP傳輸方式對數據是無損的，最安全，不容易丟失數據而且效率高[5]，為典型的傳輸大量數據或需要接受數據許可的應用程序提供面向連接的可靠的通信。體現在 LabVIEW 應用中，可以直接調用TCP模塊完成流程編寫，而無需過多考慮網絡的底層實現。

表1 LabVIEW的網絡通信主要功能特點對比

2.2 Remote Panels

Remote Panels是LabVIEW專門為遠程數據采集設計的高度封裝的網絡通信功能，可以以非常簡單的方式直接在本地計算機上打開并操作位于遠程計算機上的 VI前面板，甚至可以將LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一個網頁中并在網頁中直接操作它[6]。這是其它通信方式不具有的優點；在擴展方面，只需設計不包含遠程任務的本地采集，就可以通過Remote Panels變為遠程采集，因此實驗的擴展僅僅與實驗本身的擴展有關而不涉及實驗的遠程通信。

2 無線監控系統整體架構設計

在對 LabVIEW 的幾種網絡通信功能實現方法研究的基礎上，提出了一套基于 LabVIEW 的電機軸承-轉子測試系統的網絡虛擬實驗平臺。整個實驗平臺的架構如圖1所示，其中服務器的數據庫管理系統為 SQL Server 2000，測控軟件為LabVIEW8.6，硬件設備為NI公司的數據采集卡USB-6218以及一些前端電路設備；此外利用300M 無線寬帶路由器（型號 TL-WR800N），它采用業內領先無線芯片方案，無線傳輸速率最高可達 300Mbps，是 TL-WR700N速率的 2倍，TL-WR800N還采用了 MIMO多收多發天線技術、CCA空閑信號檢測技術等先進11N技術，有效提升無線信號的穿透力和穩定性，消除無線盲點。

圖1 網絡虛擬實驗平臺架構

遠程監控系統分為兩部分：一部分通過TCP技術實現實驗設備工作狀態監控。設備的狀態監視需要把視頻數據準確的傳輸出來，要求速度快。另外這部分的遠程控制系統的編程是相對簡單的，設備如何擴展與測控技術都無關，因此選擇TCP技術，此部分為C/S模式。

另一部分為電機軸承-轉子系統測試實驗程序的監控，這部分編程比較復雜，以需要實時監控的試驗設備為對象，需要遠程控制該設備的數據采集實驗操作。在本地客戶端計算機上打開并操作位于遠程服務器端計算機的 VI前面板，同一時刻一個客戶控制實驗，多個客戶監視數據變化。服務器端測試任務變化后，客戶端不需要更改，使客戶端的配置盡量簡單、實驗系統的管理更加方便。具體采用Remote Panels來實現，這部分為B/S模式。

3 基于LabVIEW的遠程監控系統的實現

3.1 利用TCP技術實現設備狀態的遠程監控

系統在進行設備的網絡監控之前，需要將視頻圖像采集出來，然后再利用TCP通信技術將視頻數據傳輸出去。本文采用基于USB的攝像頭對設備的圖像信號進行采集，LabVIEW的數據流程依次為：進行設備的初始化約（100ms）、圖像捕獲、平滑圖片、判斷保存、關閉設備等。攝像頭的數據采集與TCP的通信同步。

LabVIEW中利用已發布的TCP VI來實現視頻數據的傳輸，工作模式如圖2所示。

圖2 雙機TCP通信流程圖

（1）首先 Server主機初始化，制定網絡通信端口（此處為9000），并用TCP Listener .vi節點建立TCP聽者，等待Client發送的連接請求；

（2）Client計算機開啟TCP連接，設定網絡地址和端口，網絡地址為Server的名稱，端口值要與Server端的一致；

（3）Server主機響應并建立數據傳輸通道；

（4）連接過程進行網絡錯誤判斷，若有網絡錯誤則關閉攝像頭，中斷連接；

（5）數據傳輸，利用TCP Write/ Read. vi模塊完成，Server將攝像頭采集的數據以及數據長度寫入TCP，客戶端相應的讀取TCP的數據和數據長度，并進行圖像顯示；

（6）傳輸完畢中斷連接，并關閉攝像頭。

3.2 實驗程序的遠程監控系統

采用 Remote Panels來實現實驗程序部分的遠程控制。首先配置LabVIEW Web Server，它包含三個方面的：（1）文件路徑和網絡設置；（2）VIs訪問權限設置；（3）客戶機訪問權限設置。所有的配置參數可以在程序中動態地配置。為了提供網頁瀏覽器的訪問，必須利用 LabVIEW 的Web發布工具將測試程序發布出去，具體步驟：

第一步：在Web Server端計算機中打開設計好的摩擦學測試系統程序的前面板窗口。

第二步：在 Client端的 LabVIEW菜單欄中選擇操作-連接遠程前面板，進行一系列的設置：服務器計算機的 IP地址、域名或計算機名；VI名字欄中輸入想要控制的遠程 VI的名稱，如test.vi；在端口欄中輸入 Web服務器配置中設定的HTTP Port；控制項目包括實驗的開始、停止、參數設置、數據保存、控制權的時間。注意的是服務器與客戶端的端口要選擇一致。

4 實驗與結論

采用所開發的監控系統，利用環-塊摩擦磨損試驗機進行摩擦學試驗，上試樣GCr15，下試樣45#。試驗條件：載荷28.3N，潤滑劑40#原液，試驗時間10min，電機轉數200rmp。服務器與客戶端距離 500m，隔 3道墻壁，路由器在距服務器50m的位置。

采集圖像程序前面板如圖3所示，利用USB攝像頭采集到的設備狀態可以清晰的觀測到摩擦副的接觸情況。轉子-軸承摩擦學測試實驗程序遠程控制部分的服務器端以及客戶端的前面板如圖4 的（a）、（b）所示。

圖3 采集圖像程序前面板

圖4 服務器端以及客戶端摩擦學實驗程序前面板

采用所開發的系統，進行了大量驗證性試驗。從工作情況看，客戶端設備監控程序基本能無失真地接收服務器端發送過來的視頻數據，網絡傳輸工作延時短（約 3ms）。說明基于 TCP協議的網絡通信是可靠的，能夠成功完成圖像數據的傳送，可以應用到電機轉子-軸承摩擦系統分布式現場監控中；另外摩擦學試驗程序的監控靈活性非常好，可控性強，可遠程控制摩擦學實驗的各種參數，響應速度快。為摩擦學測試系統提供強大的技術支持。

[1]朱文凱, 陶波, 何嶺松. 基于 Internet 的測控系統——網絡化儀器.中國計量，2004 ,7 :53-54.

[2]林靜, 林振宇, 鄭福仁. LabVIEW 虛擬儀器程序設計從入門[M]. 人民郵電出版社 2010.07.

[3]梁惺彥, 和衛星. LabVIEW 實現遠程數據采集與傳輸[J].微機算機信息, 2004, 20(9).

[4]Test Electric Components with LabVIEW Controlled Virtual Instruments. Computer Based Measurement and Automation National Instrument, (2004).

[5]Fall K, Floyd S. Simulation－based comparison of Tahoe, Reno, and SACK TCP[J]. Computer Communication Review, 2003,5-21.

[6]李迺璐, 呂躍剛, 范曉旭. 基于 LabVIEW 風電監控系統的通信設計與實現[J].計算機應用與軟件, 2010,25.