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作者：Jim Campbell - Viewpoint Systems, Inc. Brian Lander - Viewpoint Systems, Inc.Dan Fridline - STRAAM Corporation "在驗證結構狀態(tài)上，我們?yōu)榭蛻?hù)帶來(lái)了現代以太網(wǎng)驅動(dòng)及基于網(wǎng)絡(luò )連接，而在數據收集方面，我們能夠享有堅固、可靠、低成本和可重復編程CompactRIO系統所帶來(lái)的裨益。" - Jim Campbell 挑戰：在某些結構相對難以接近的情況下，連續監測長(cháng)島鐵路高架道路的結構健康。 方案：使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW數字濾波器設計工具包來(lái)測量環(huán)境激勵產(chǎn)生的振動(dòng)數據的模式分析，遠程捕捉數據并分析重要事件。 背景 工程師使用結構振動(dòng)來(lái)評估許多建筑和機器的狀況，包括建筑物、橋梁、水壩、高塔、起重機和托架。 盡管多年來(lái)我們已經(jīng)都使用了一定工具來(lái)監控結構振動(dòng)，但是這些工具所收集到數據不是保真度高卻持續時(shí)間短的波形，就是持續時(shí)間長(cháng)卻在頻段上有功率失真的測量結果。 許多結構只有在環(huán)境力量，例如風(fēng)、車(chē)輛活動(dòng)，附近的建筑，或者如地震和龍卷風(fēng)存在等隨機事件的情況下發(fā)生振動(dòng)才有意義。 因此，數據采集在這些情況下都必須保持活躍。 得益于存儲容量、處理器速度和寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上的最新進(jìn)展，我們可以長(cháng)期采集高保真波形。 我們還可以與匯聚了多個(gè)數據采集點(diǎn)的結構振動(dòng)數據的主機進(jìn)行通訊，從而提供永久的數據收集以及高級分析和報告功能。 結構完整性評估的領(lǐng)導者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開(kāi)發(fā)了可在室外和其他較難接近的地方上運作的系統，它同時(shí)還保持了可用的基于PC的解決方案的能力。 最終，我們生產(chǎn)出了STRAAM SKG CMS™系統的增強版本，安裝在長(cháng)島鐵路橋上。 系統要求 系統需要執行下列運作： 從加速度計以及其他環(huán)境傳感器上收集數據 以完全采樣率在本地存儲數周的數據 實(shí)時(shí)分析自定義數據 定期將統計數據發(fā)布至主機 按要求將波形上傳至主機 提供堅固、重量輕、高性?xún)r(jià)比以及可靠的OEM部署 涵蓋靈活的架構來(lái)應對未來(lái)的挑戰 確保安全的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)控制 系統設計 我們選擇了一個(gè)基于NI CompactRIO平臺和動(dòng)態(tài)信號采集（DSA）C系列模塊的系統。 CompactRIO和相關(guān)C系列信號調理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數安裝地點(diǎn)的典型環(huán)境極值。 此外，CompactRIO控制器沒(méi)有移動(dòng)部件，增加了發(fā)生故障的平均間隔時(shí)間，并確保它可以承受在運輸和安裝過(guò)程中的物理操作不當。 在軟件方面，我們決定采用NI LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊�？紤]到基本信號的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動(dòng)態(tài)信號模塊（DSA）性能的采樣率，我們采用了LabVIEW FPGA。 
圖1-安裝在LIRR支撐梁上的設備 數據采集與過(guò)濾 DSA模塊通過(guò)由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號，輸出有關(guān)傾斜和加速度的信息。 由于大型結構在低頻率產(chǎn)生共振，因此，這些傳感器具有極低的噪聲、高度的動(dòng)態(tài)范圍和低頻響應十分重要，從而可在小于1 Hz情況下收集有關(guān)結構的信息。 低頻率范圍和長(cháng)期數據存儲的特點(diǎn)必須結合起來(lái)，以創(chuàng )造每秒200個(gè)樣本 (S/s)的最大的數據采集率。 由于擁有delta-sigma轉換技術(shù)，NI 9239的采樣速度并不慢，因此我們基于可編程門(mén)陣列（FPGA）以2000 S/s速度進(jìn)行采樣并使用低通數字濾波來(lái)產(chǎn)生速率為200S/s的抗混疊信號。通過(guò)抽取獲得的簡(jiǎn)單二次抽樣會(huì )違反Nyquist準則。我們使用LabVIEW 數字濾波器設計工具包生成了28抽頭的無(wú)限脈沖響應（IIR）濾波器，其3dB下降節點(diǎn)是采樣率的0.8倍，阻帶衰減大于90dB.數字濾波器設計工具包包括自動(dòng)生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA。 我們精心選擇定點(diǎn)運算，以確保操作正確，從而避免過(guò)度使用FPGA資源。 最終的濾波器是一個(gè)帶4位尾數的24位定點(diǎn)數解決方案。
圖2: 遠程前面板顯示加速度波形捕獲 配置、信號處理和警告 基于結構的共振頻率，STRAAM采用專(zhuān)有的分析程序，從連續的加速度數據流中提取相關(guān)信息。 由于環(huán)境能量能夠激發(fā)結構變化，我們分析了一些初步的數據來(lái)定位共振。 在初期階段之后，我們配置CompactRIO來(lái)執行基于共振位置的專(zhuān)有分析。 初始設置的所有活動(dòng)都是通過(guò)遠程無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行的。 我們通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式連接到CompactRIO，然后連接至最初獲取和分配共振頻帶的LabVIEW遠程面板。 信號處理需要共振頻帶內的功率譜和時(shí)域波形結構。 CompactRIO處理器和FPGA模塊可以基于快速傅里葉變換（FFT）計算功率譜，并進(jìn)行時(shí)域濾波計算，因此我們可以在STRAAM提供的復雜算法基礎上進(jìn)行計算。 此外， CompactRIO 的大容量RAM可以存檔原始加速波形以供日后檢索。 LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境大大簡(jiǎn)化了調整這些計算的步驟。 我們進(jìn)行更多的計算來(lái)辨別值得注意的事件，從而在重要狀況發(fā)生時(shí)提醒工程師：這些狀況可能意味著(zhù)存在一個(gè)有意義的環(huán)境激勵或結構已發(fā)生很大的變化。 主機通信 為了成功運作，該系統需要與主機進(jìn)行有效地通訊。 由于該系統部署的地方在幾乎不可訪(fǎng)問(wèn)的地方和室外場(chǎng)所，因此所有的系統交互都需要進(jìn)行遠程操作。 憑借蜂窩式調制解調器，系統通過(guò)TCP/IP上傳重要信息、發(fā)布事件警報并允許遠程配置。 我們設計的LabVIEW應用程序，定期以自定義二進(jìn)制信息方式將概要信息發(fā)送至主機，它包含結構狀況及CompactRIO系統的信息。 主機然后將信息與所有其他部署在該區域的SKG CMS系統進(jìn)行匹配。 除了本概要信息，主機還可以從CompactRIO RAM獲取原始波形數據。 為了避免被篡改和未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)，我們的密碼保護所有連接。
圖3：數據文件配置屏幕 總結 我們已經(jīng)成功地安裝了幾個(gè)基于CompactRIO平臺的功能型SKG CMS™系統。 通過(guò)將這些系統連接至主機，即便在惡劣的天氣下，我們也可以監視持續的振動(dòng)活動(dòng)以及各種結構的警報條件。在驗證結構狀態(tài)上，我們的客戶(hù)享有現代以太網(wǎng)驅動(dòng)及基于網(wǎng)絡(luò )連接帶來(lái)的裨益，而在數據收集方面，我們能夠享受堅固、可靠、低成本和可重復編程CompactRIO系統所帶來(lái)的好處。 Author Information: Jim Campbell Viewpoint Systems, Inc. 800 West Metro Park Rochester, NY 14623 United States Tel: 585 475 9555 jac@viewpointusa.com |
