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1、基于LabVIEW的机床能耗采集系统设计摘 要对于中小企业而言，由于无法直接获取车间制造过程的实时能耗信息会给车间能量管理带来不便。因此，本文将以辛辛提那HTC-200M型数控车床为研究对象，通过编程和实验对机床进行实时能耗采集。采集机床能耗的方法主要分为两部分：数据采集电路的硬件设计和基于LabView软件平台的设计。其中，数据采集电路的硬件设计为实验台的搭建工作。根据硬件的选择原则，本实验台架所需要准备的材料有：1台NI USB-6343采集卡、3只功率传感器RS-2131-44（附带6只电流传感器LT68-S7）、3只电压传感器RS-1331-44D1、3只电流传感器JLB-10VD2Y
2、2、1个接线端子板、1只24V供电电源、1只电源滤波器、1只铝合金箱子及若干导线等。通过电路连接的方法使传感器采集物理信号，将物理信号转换成模拟信号，传送至NI采集卡，再由NI采集卡传送至计算机。在搭建过程中，为实现模块化，使得线路连接更方便易懂，将传感器及采集卡放入箱中固定，还需要对硬件的信号输入接口进行定义。软件平台的设计主要是通过LabVIEW软件来实现的，其主要实现功能有：参数设置，包括采样通道数设置、模拟量输出范围和采样频率等；采样数据进行波形图显示和数据的处理。实验台架系统软件总体流程为将在硬件台架收集到的信号进行命令解析，经过LabVIEW参数设置开始采集工作。而软件的模块设计分
3、为四个步骤：（1） LabVIEW软件模块功能结构：本系统模块实现对采集信号的参数的设置、采样显示、数据处理和数据存储。（2） 数据采集程序设计：该这部分主要是采集参数的设置，其包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。（3）数据格式转换程序设计：由于TDMS写文件的速度快且利于大容量数据的保存，因此通过以二进制方式进行记录的TDMS文件来写入VI模块，而TDMS文件可以直接由excel打开，再另存为excel格式。（4）主界面设计：采集程序主界面由功率、电压及电流三个波形图显示界面、采样参数设置、采样信号值三个模块组成。最后，本实验台架Labv
4、iew系统能采集9路信号，分别为机床总功率、主轴功率、伺服功率、机床总电压、主轴电压、伺服电压、机床总电流、主轴电流和伺服电流的信号。通过改变背吃刀量ap、进给量f、切削速度vc的大小，测得24组HTC-200M型数控车床的总功率，再由日志仪表测出的总功率计算得出用本实验台架测量的机床总功率的相对误差，在0.34%7.68%之间。关键词：LabVIEW，多通道数据采集，实验台搭建Design of Machine Tool Energy Consumption Acquisition System based on LabVIEWAbstractFor small and medium-siz
5、ed enterprises，its inconvenient for the energy management information of the workshop to obtain directly the energy consumption in the workshop manufacturing process.So,this paper will resign Cincinnati HTC - 200 M type CNC lathe as the research object,collecting the real-time energy consumption thr
6、ough programme and experiments. The way to collect the energy consumption is divided into two parts:the hardware design of a data acquisition circuit and design based on LabVIEW software platform.The hardware design of a data acquisition circuit is mainly to construct experiment bench.According to t
7、he selection principles of hardware,the prepared materials of the experiment platform needed:1 NI acquisition card,3 power sensors(with 6 current sensors),3 voltage sensors,3 current sensors,1 24V power supply,1 power supply filter,a number of wires and so on.The sensors collect physical signal thro
8、ugh circuit connection,convert physical signals into analog signals, sent to NI acquisition card, and then sent to a computer.During the construction,defining the hardware of signal input interface is also needed.Through LabVIEW,the software platform is mainly to realize parameter settings,samples s
9、how and data process.The software module design is divided into four steps: (1)the LabVIEW software module function structure(2)the data acquisition program design(3)the data format conversion program design(4)the main interface designFinally,the LabVIEW system of the experiment platform can collect
10、 9 signals: total power, machine tool spindle power, servo power, total voltage, machine tool spindle servo voltage, voltage and total current, and so on.By changing the value of number of ap,f and vc,I can measure 24 groups of the total power of the HTC-200M type lathe and calculate their error val
11、ues among 0.34% and 7.68%.Key Words:LabVIEW,Multichannel data Acquisition，Experiment device Construction目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状21.2.1 机床能耗监测方法研究21.2.2 数控机床能耗特性研究31.3 本文主要研究内容4第二章 数控机床能耗多通道采集实验台架设计52.1 数据采集的工作原理52.2 机床能耗数据多通道采集实验台架整体方案设计62.2.1 传统数据采集设备在应用中的不足62.2.2 整体方案设计82.3 实
12、验台架硬件设计92.3.1 硬件设计及选用原则92.3.2 硬件结构102.3.3 硬件选择及设计112.3.4 硬件接口的定义及接线设计132.4 本章小结17第三章 实验台架软件系统设计183.1 用LabVIEW设计虚拟仪器的方法183.2 基于LabVIEW的软件系统设计应用203.2.1 VI的组成203.2.2 LabVIEW中TDMS文件格式213.2.3基于LabVIEW的机床能耗系统软件模块设计213.3 本章小结27第四章 实验测量结果与总结284.1 实验测量数据284.2 总结29参考文献30谢 辞32第一章 绪论1.1 课题研究背景车间能耗的计算和估计是进行能量管理的
13、基础，但中小企业难以对数控机床的能耗进行在线监测，这必然将阻碍车间能量的管理。同时，对研究数控机床节能减排的可持续发展有着一定的影响。在各行业的能源消耗中，目前工业能源消耗占全国能源消费量的比重已达到71.1%左右，对中国能源需求变化起着支配性的作用。与此同时，工业能源消耗总量还在逐年增加，其中煤的消耗由 2005 年的 15.95 亿吨增加到 2010 年的 24 亿吨，占全社会总能耗的比重也由 2005 年的 70.9%上升到 2010 年的 73%左右，由此看出工业能源消费量增长速度高于能源总消费量增长速度。机床作为制造业重要的加工工具，是主要的能量消耗大户。我国的机床保有量世界第一，约
14、700多万台1。若每台机床额定功率平均约510kW算，我国机床装备总的额定功率为35007000万kW。大量调查统计表明：机床能量平均利用率低于30%；在丰田公司的大规模生产模式下，机床总能耗的85.2%用在了非加工操作的生产环节上。此外，机床能量消耗所带来的碳排放总量也是相当大的，美国麻省理工学院的Gutowski2 教授通过统计实验发现一台主轴功率为 22 千瓦的机床正常运行一年的所消耗的电能转化为发电所产生的 CO2排放量大约相当于60多辆 SUV 汽车的碳排放量。可见，机床的能耗研究对节能减排的提出有着重要的意义和价值。国际标准化组织（ISO）制定了ISO/DIS14955-13机床环
15、境评价标准（Environment Evaluation of Machine Tools），重点是提高机床的能量效率，实现机床行业的节能降耗。但是，数控机床能耗部件数量多，能耗类型涵盖机电液领域，因此，首先要对其能耗进行数据采集，才能进一步研究其规律。对机床进行能效评估的关键在于获取实时切削能耗。可通过两种方法获取切削能耗：一种是直接获取，即在机床刀架上安装扭力（或力矩）传感器，直接获取切削功率，但该方法成本高且影响机床使用性能、易受环境影响；另一种是间接获取，即通过其他机床参数来获取切削能耗，目前未见有文献用此方法进行车间能耗监测与评估。除此，也有公司提出了一种基于MTConnect 标准
16、开发的机床能耗自动监测系统，该系统可实时测量机床能耗，但由于不能自动的对能耗进行识别，因而无法对机床能量效率和能量利用率进行有效的改进。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备，它几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。针对上述问题，本课题建立在LabVIEW基础上，针对型号为CINCINNATI HTC-200M数控机床，通过搭建实验台架，并完成LabVIEW的软件的编程设计，进而采集数控机床的实时能耗数据。1.2 国内
17、外研究现状 1.2.1 机床能耗监测方法研究机床能耗监测理论交叉了机电液等多个学科，它不仅涉及到机械加工领域，如机床切削、空载功率与工件物理及化学特性、刀具物理及化学特性等方面，更涉及三相电动机运作特性及伺服系统控制原理，同时也涵盖气压、液压等多个领域，所以该理论是典型的集机-电-液于一体的综合性理论，由于机床能耗特性复杂，且难以直接用数学模型精确表达，所以对机床能耗的监测显得尤为重要。通过掌握机床能耗的特性可以很好的改善及推广高效低能产品。机床能耗监测的研究不仅仅为学术提供了一个宝贵的方案思路，更为实际加工过程中，节能减排及实现绿色制造打下坚实的基础。为此，国内外很多学者开展了多方面的研究工
18、作，取得了不少的研究成果。国外，Rockwell4公司实现了基于MES系统对机床实际加工过程中的机床能耗等信息进行实时的监测及评估，通过MES系统，对生产过程进行监控和实时检测，由此判断机床在实际加工过程中，主要消耗能量模块，通过对该模块的改善及调整，实现提高能效的目的。对于机床能耗的预测及仿真，国外学者也做了很多的研究。LAU5等人通过建立模糊逻辑算法，将机床消耗能量模块输入算法模型中，仿真模拟加工，由仿真得出的机床加工能耗模型预测机床加工过程中能量消耗的情况，并得出机床加工过程中，耗能最高的模块。除此以外，HERRMANN6等也提出了一种仿真方法，该方法基于过程链模块，通过对机床实际加工的
19、过程研究，得出机床主要耗能过程，由此进行对切削加工的优化及节能处理。美国能源部设立了工业评估中心（IndustrialAssessmentCenters-IAC）7，该中心主要对机床制造业的能源利用率进行统计和评估，其主要评估对象有：电机、冷去系统、主轴切削系统及辅助系统等，通过对这些系统及模块的评估，得出机床能效高低，同时提出一定的改进方案，以提高生产加工过程中的能量效率。在国内，对于机床能耗及能量流的研究起步较晚，但投入迅速。目前国内主要研究该项目课题的有重庆大学，中煤科工集团等。同时许多高校和研究机构也开始了对该课题的研究。通过长时间的探索实践，这些高校及研究机构已经取得了突破性进展。国
20、内重庆大学机械传动国家重点实验室是研究机床能耗监测方法最早机构之一8。同传统的监测方法不同，该实验室提出了一种新的方法来监测机床能耗信息：首先提出一种基于机床功率的平衡方程，通过该平衡方程建立对应的监测系统，该系统能够监测数控机床实际加工过程中的实际切削功率及能量利用率等信息，与此同时，该系统还能够基于功率信息在线识别机床的实际状态，如切削状态、空载状态等，根据判断切削状态机切削功率来判断机床的实际利用率等目标。该系统是基于ARM &WinCE平台开发的，通过实际的监测及调试，验证了该系统的可靠性和实用性。重庆大学实验室主要基于功率平衡方程研究机床能耗监测方法，而中煤科工集团重庆研究院赵平9通
21、过研究机床载荷损耗特性来寻找机床能耗监测方法。根据其研究结果表明，机床在切削过程中，机床各模块载荷损耗特性有一定的规律，通过分析该规律，得出机床加工过程中的能耗模型。由此提出一种监测方法，监测机床各部件能耗，由监测结果分析得出，机床各个能耗模块存在一定的规律性，如冷却系统及照明系统等在机床实际加工过程中的耗能几乎不变，而切削能耗随着切削的材料、刀具、切削参数等的改变而改变。由此将机床能耗分为固定能耗和可变能耗，通过大量实验获得固定能耗数据，通过拟合得出固定能耗值，由此建立固定能耗数据库。对于可变能耗，通过实际分析切削过程中，刀具、工件材料、切削参数改变时机床切削能耗的变化规律，利用现有功率仪测
22、出机床主轴输入功率，基于已建立的机床载荷损耗特性函数计算出切削功率，推算出可变功率的模型，该方法可行性已经经过试验证明。由此，得出传统的机床能耗监测方法主要有两种：第一种通过力或力矩传感检测切削力和切削速度，计算出切削功率，进而推算出能耗；第二种通过测量电机工作的电流和电压，根据传动链传动效率，计算出功率。采用第一种方法时，一般采用应变片传感器和压电传感器，具有较高的测量精度，但设备较为昂贵，测量操作复杂。采用第二种方法是关于功率测量和计算的方法有常规方法、AIP方法等，其中AIP法具有较高的计算精度。对于传统的机床，采用该方法对电机电流电压监控时需要使用多个传感器，虽然传感器价格相对便宜，但
23、多个使用时操作复杂；同时对于直流、交流、他励电机等计算方法也不同，这使得试验和计算难度增大。 1.2.2 数控机床能耗特性研究为实现对机床加工过程的节能优化，达到高效低能产品的目标，就必须对机床工作时的能耗特性展开研究。机床能量组成复杂，最先建立机床功率计效率模型的是在1977年由加拿大学者G.Murari完成的，该模型假设输出功率与输入功率及主轴转速呈函数关系，并使用多元逐步回归法求出了函数。在机床能耗特性研究方面，Draganescu F10等通过对试验获得的数据进行分析，基于响应曲面法对数据进行处理，将工艺参数作为自变量，将机床能效作为因变量，建立曲面三维模型，从而可以直观的看出工艺参数
24、对机床能效的影响，由此建立机床加工过程中能量消耗模型。Munoz11等也提出了一种机床加工过程的能耗定量分析方法，该方法分析加工切削原理，根据单位体积切除效率计算出机床切削加工过程中的能量消耗模型，并提出定量分析法。该方法可以分析机床切削加工过程中的刀具物理及化学特性的变化，如刀具的变形量，损耗量，表面化学反应等，也可以分析工件的物理特性对机床能耗的影响，如工件尺寸，材料及表面特性等。在国内，重庆大学刘飞12对CNC数控机床的能量流特性进行了深入研究，通过实验分析及对电机理论的建立，其建立了机床加工过程中的功率方程，通过功率方程推算出机床的整体能量模型，并基于该方程对机床的各动、静特性以及加工
25、过程中的能量损失状况，最终基于实际优化案例分析，给出了机械加工系统的节能方法与途径，为后续的节能优化奠定了理论基础。重庆大学的施金良13等全面分析了数控机床的能量传输规律，通过分析该规律建立变频调速机床主传动系统的能量流模型。而后进行试验分析，通过分析机床主轴及机床传动系统的功率，建立了变频调速机床主传动系统的整体动态功率平衡方程，由该方程可以得出机床实际切削加工过程的能量传输过程及主要耗能模块。同时将该平衡方程与普通机床主传动系统动态功率平衡方程进行比较，通过实际案例得出，该平衡方程对于普通机床的能量流同样适用。除此之外，贾顺14等也提出一种机床能耗模型，该模型基于动素理论，根据实际加工能量
26、消耗原理的差异，将整个数控机床的机械加工系统划分为若干个子动素，将机床的切削功率分解为空走刀功率和材料切削功率，进一步将两部分功率分解为若干动素功率，并借助实验建立每一个动素的功率平衡方程。然后通过实际加工案例作为研究，通过实验测量验证了该方法的可行性。该方法为研究机床功率模型提出了一种全新的思路。许建弟15等仿真出一步电机的工作特性并提出了节能的方法。王辉16等通过研究许建弟的理论，给出功率因数的函数，并建立功率因数控制方法，从而建立闭环异步电机功率因数控制系统。上述研究中，主要对机床的能量组成及流动过程进行研究，并相应的建立机床能耗模型，其主要研究思路包括：通过理论研究与经验公式的连接建立
27、能耗模型；或寻找出机床能耗影响因子，通过实验数据拟合机床能耗模型。通过上述两种研究方案，机床能耗模型的研究主要是基于切削功率模型建立起来的，通过测量切削功率，推导整个机床系统能耗模型，该方法复杂繁琐，且模型参数较多，难以精确的给出机床实际加工能耗模型。本文结合两种方法，提出一种直接能够采集机床能耗的方法，并给出理论基础，通过该理论基础，实际采集机床能耗信息，对信息进行分析，建立机床能耗模型，且该模型简单可靠。1.3 本文主要研究内容随着绿色制造的深入研究，机床能效的研究逐渐成为该领域的一个研究重点，但在研究的过程中，机床功率等信息难以采集，机床能耗等信息的采集和处理的方法有很大的改进空间。本文
28、以Cincinnati 公司HTC200M型数控车床为研究对象，以切削过程中的机床能耗采集为研究重点，基于LabVIEW系统建立数控车床多通道能耗采集系统。在设计数控机床多通道能耗采集实验台架时，先是简单介绍数据采集工作原理，为解决传统数据采集设备在应用时的模块功能单一、采样频率低、试验台搭建繁琐等问题，基于数据采集原理设计数控机床能耗多通道采集系统。首先进行总体结构的设计，整个采集模块由信号采集模块、信号调理模块、计算机显示模块和电源模块组成。然后根据硬件选用原则选择合适的硬件并进行硬件结构设计，其中主要组成部分为LabVIEW硬件模块，其中包括功率传感器、电压传感器、电流传感器及NI采集卡
29、等。传感器的选择从采集范围、精度等级和输出模拟信号的范围要求出发进行选择。为了能够将功率传感器集成放入箱中，保护功率传感器不易受外界干扰，同时也使得实验简单，易于操作，本文采取通过改变电流采集信号的输入口，将电流信号单独用电流传感器采集在传送至功率传感器中。当然，实验台架实际采集是针对高压电源进行的，其存在相当的骚扰信号，所以在连接传感器时还需要设计电源滤波器进行滤波处理。本实验台架中的硬件接口设计，在将传感器及采集卡放入箱中固定时，为了连接方便，防止线路接错，就需要对硬件的信号输入接口进行详细定义。对系统的软件进行设计，通过LabVIEW软件模块功能结构、数据采集程序设计、数据格式转换程序设
30、计和主界面设计，建立了软件系统。最后通过改变切削三要素对机床的瞬时功率进行测量，并根据实验数据计算得出本台架的实验精度。第二章 数控机床能耗多通道采集实验台架设计根据数据采集原理，通过Labview软件设计数控机床能耗多通道采集实验台架的搭建，完成基于USB接口的Labview数据采集与传输系统的硬件电路和软件程序的设计。 2.1 数据采集的工作原理假设现在对一个模拟信号、(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信
31、号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)， 一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，采样点在时域上是离散的。如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用以下数列表示：X= x0，x1，x2，X3，.，xN一1，该数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。此数列中仅仅用下标变量编制索引，不含有任何关于采样率（或t）的信息。所以如果已知该信号的采样值和采样率，就能得出信号x(t)的频率。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。由思奎斯特频率可知，如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和思奎斯特频率
32、之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A /D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5倍10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 采集的过程可以简化为，把一个连续不断的变化信号转换成相应的模拟或数字信号，该过程称为A/D（模拟-数字）转换过程。通过A/D转换再传输至相应的显示数据及处理设备中。标准的数字信号采集及处理系统主要构成如
33、图2.1所示。图2.1 数字信号处理系统 设被采集的信号为连续时间信号x(t)，采样脉冲为p(t)，从采样脉冲对x(t)信号周期性的取得离散抽样值，该值被称采样信号，其中n=0，1。这个过程就叫做采样过程。其中具体的过程如图2.2所示。 图2.2 采样过程信号图2.2 机床能耗数据多通道采集实验台架整体方案设计 2.2.1 传统数据采集设备在应用中的不足目前，以数据采集模块为核心的数据采集与控制实验台架在机床领域研究应用非常广泛。但是用现有国内外数据采集台架来采集机床能耗仍存在许多不足之处，如图2.3所示。图2.3 传统数据采集设备不足分析鱼骨图 （1）数据采集模块功能单一许多的现有生产的采集
34、产品所采集的信号类型比较单一，在分析机床能耗时，需对机床的总能耗、总电压、电流、主轴能耗、主轴电压、主轴电流、伺服模块能耗、伺服模块电压、伺服模块电流、主轴转速、主轴扭矩等多路信号进行采集。现有设备主要以日本的采集系统为主，其采集功能单一，且只能采集一路信号，当针对于多种复杂的现场情况需要采集的物理量时，该采集系统就难以满足需求。（2） 采样频率较低针对现有的采集系统而言，其采样频率较低，对于机床数据的采集有着严重的限制，不能完整的将机床物理量特性采集表达出来。（3） 实验台架搭建、使用过程繁琐，操作不便就现有的采集系统而言，主要是针对某一信号的采集，其传感器接线难以满足机床复杂线路。由此，本
35、课题通过运用霍尔元件和NI采集卡等硬件，并基于LabVIEW开发出一套针对机床物理量信号的快速数据采集系统。本课题设计的多通道数据采集系统主要针对大型机床运作时物理量及其状态进行监测采集，并且将采集到的物理量实时的转成模拟量，由USB口传输至计算机，其功能结构图如图2.3所示。图2.3 机床能耗数据多通道采集实验台架功能图（1）多通道数据采集功能主要负责采集机械功率、电压和电流等信号，能够同时采集多路信号，采集速率较快，且采集通路较多，采集精度高。（2）采集系统的配置功能系统监测采集机床功率、电压及电流信号，对信号采集速度有较高要求。同时，为了使得设备实现通用化，必须设立独立的接口，满足其他传
36、感器连接需求。（3）模拟量数据处理功能主要负责将采集卡传输至计算机的=模拟量信号进行相应的数据处理，包括滤波等处理。（4）数据收集主控芯片将数据采集前端芯片所发来的模拟量数据进行收集。 2.2.2 整体方案设计在设计中，为了实现数控机床能耗多通道数据采集实验台架的可携带性，及更好的维护和升级，本实验台架设计成箱体结构。由NI采集卡配合Labview系统进行采集。数据的采集就是在计算机控制下，通过A/D器件把连续变化的模拟量转化为数字量。它是将模拟信号按一定的时间间隔抽取其瞬时值，从而把一个连续时间函数信号变成每隔一定时间间隔才有函数值的离散信号样本集。数据的采集与转换的结构形式可以是单通道的也
37、可以是多通道的，图2.4为本文设计的实验台架整体设计方案图，整个数据采集模块主要由信号采集模块、信号调理模块、计算机显示模块和电源模块组成。信号采集模块采集相应的物理信号，由传感器采集物理信号，并转成模拟或数字信号，再将信号传输至信号调理模块，由信号调理模块处理后直接传输至采集卡，再由采集卡转换成USB接口信号，传输至计算机中，部分信号直接传输至计算中。图2.4 多通道数据采集实验台架整体设计图 （1）传感器传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设训一中没有得到具体体现
38、，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。（2）信号调理电路板 从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波等。由于不同传感器有不同的特性，除通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下： 放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A /D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。 隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：一是从安
39、全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。 滤波信号调理系统可以从被测试信号中滤除不需要的成分或噪声。大多数信号调理模块都包含低通滤波器，以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分。（3）数据采集卡的选用 数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况而定。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。 采样频率 采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。 采
40、样方法 采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A /D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A /D转换器。但是出于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A /D转换器。 分辨率 ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。 电压动态范围 电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。 I/0通道数 根据以上性能指标，本系统采用NI公司 USB-6
41、343型数据采集卡。2.3 实验台架硬件设计 2.3.1 硬件设计及选用原则本文开发的多通道数据采集实验台架是一种适用于机床加工现场，开发最终目的是面向市场和工业监测现场用户需求，系统设计研发各个阶段都必须顾及到工业应用现场需求和特征。所以，本系统硬件电路设计必须要遵守下面几个规则，如图2.5所示：图2.5 硬件设计及选择原则 （1）可靠性原则本实验台架的工作环境恶劣，且主要在机床加工现场，其干扰噪声及污染源较多，且实际工作中还有可能伴随的振动，由此就需要设备能够长时间的在这种恶劣的环境中工作。（2）准确性原则本实验台架的主要功能就是要准确采集机床能耗等数据，且采集的通道较多，干扰噪声及电源的
42、磁场影响较大，对于设备的准确性有相当的要求。（3）安全性原则实验台架的规划和硬件电路设计与制作必须要能够达到工业应用产品的安全规定，保证系统的电气性能安全，不会出现意外的电气安全事故。（4）标准化原则软硬件在设计之初，就需要考虑硬件及软件的标准化问题，为后续的完善及批量制作做好准备。（5）通用性原则实验台架的设计必须考虑兼容性的问题，如与其他设备的兼容性或通用性等，设备输出信号接口需设计通用接口，如USB接口、以太网接口等。（6）简易性原则实验台架的设计，必须考虑操作及实际使用问题，由此设备需满足操作人员的简易化需求，使得实际使用中方便易学。（7）可发展原则台架的设计也要考虑日后升级及优化的问
43、题，这就需要该实验台架在设计之初就按照通用性及标准化设计。 2.3.2 硬件结构数据采集是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础17。系统硬件结构如图2.6所示。系统硬件主要包括：工业计算机、数据采集卡NI USB-6343、功率传感器RS-2131-44、电压传感器RS-1331-44D1、电流传感器JLB-10VD2Y2、电源滤波器及24V供电电源等。数据采集卡采样NI公司推出的X系列NI USB-6343多功能数据采集卡，该采集卡可以通过USB接口直接和计算机连接。图2.6 实验台架硬件模
44、块结构图本实验台架主要由LabVIEW采集系统组成，因此，硬件模块主要组成部分为LabVIEW硬件模块，其中包括功率传感器、电压传感器、电流传感器及NI采集卡等。 2.3.3 硬件选择及设计（1）传感器本实验台架主要测量机床的功率信号、电压信号、电流信号，其选用的传感器种类为：功率传感器、电压传感器、电流传感器等。由于功率传感器包含了电压电流传感器的原理及连线方法，所以本文重点讨论功率传感器的选择及接线方法。本实验台架所采用的电压传感器型号为RS-1331-44D1。该传感器采集范围为0450V，精度等级为0.5%FS，输出010V模拟信号。采用的电流传感器型号为JLB-10VD2Y2，该传感
45、器采集范围为0450V，精度等级为0.5%FS，输出010V模拟信号。采用的功率传感器型号为RS-2131-44，两表法，该传感器采集范围为050KW，精度等级为0.5%FS，输出010V模拟信号。传统的功率传感器，采集电流时，是将被采集的导线穿入传感器本身，使得功率传感器必须与导线连接在一起，而本文通过改变电流采集信号的输入口，将电流信号单独用电流传感器采集在传送至功率传感器中，其连线图如图2.7所示，该方法的好处是，能够将功率传感器集成放入箱中，保护功率传感器不易受外界干扰，同时也使得实验简单，易于操作。图2.7 RS-2131-44型功率传感器接线示意图对于三相三线制供电系统可用二表法测
46、量三相负载的总有功功率。其检测方法如图3.8所示，对于有功功率的检测有三种方法，其分别为共A接法（电流分别测量电流，对应的测量电压，测量电流，及对应的电压）、共B接法（，和，）及共C接法（，和，），其接线如图2.8所示。图2.8 两表法测三相平均功率共A、B、C接法示意图设被测功率的负载是以星形形式联接，则三相瞬时的功率为： （2.1）在三相三线制中，即，代入式（3.1），并经整理后得： （2.2）根据正弦电路平均功率的定义，即可得出三相平均功率为： （2.3） 式中，为线电压与线电流之间的相位差角，为线电压与线电流之间的相位差角；表示AC端口电压的有效值，表示端线A的线电流有效值，同理。，为
47、功率表和的读数。由式（2.3）可见：三相总功率等于两表法测得数据之和。在实际测量时，若负载为感性或容性，且相位差60时，线路中的一只功率表指针将反偏（数字式功率表将出现负读数），这时应将功率表电流线圈的两个端子调换，其读数应记为负值，三相总功率为两表法读数的代数和。在负载对称时，两个功率表的读数为： （2.4）式中负载的阻抗角。于是被测功率的计算公式为： （2.5）（2）高压滤波器实台架实际采集是针对高压电源进行的，其存在相当的骚扰信号，任何电源线上高频传导骚扰信号均可用差模（Differential Mode，DM）和共模（Common Mode，CM）干扰信号来描述。差模干扰是由于传输导线之间流动所产生的，其干扰方式以对称形式出现；共模干扰是由于传输导线与地之间的流动所产生的，其干扰方式以非对称形式出现，如图2.9所示。 差模干扰 共模干扰图2.
