【直播回顧】虹科產(chǎn)線實時數(shù)采檢測方案——高速采集助力智能化升級

5月25日，虹科云課堂【虹科產(chǎn)線實時數(shù)采檢測方案】圓滿結(jié)束，感謝大家的觀看與支持。

01

產(chǎn)線數(shù)采檢測相關(guān)技術(shù)背景

1.1

典型場景

對于產(chǎn)線數(shù)采檢測，讓我們從典型的工廠場景開始介紹。

每個工位都有上位機監(jiān)控下方的PLC控制器。指令、執(zhí)行單元和作用對象的狀態(tài)通過內(nèi)置傳感器進行采集和測量，反饋給PLC實現(xiàn)閉環(huán)控制。

工業(yè)4.0和智能制造升級關(guān)注設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)上云，但數(shù)據(jù)上云只是手段，依賴已有數(shù)據(jù)。如果原始數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不存在，上云無法解決工藝細(xì)節(jié)問題。

▲圖1:產(chǎn)線數(shù)采檢測的典型場景

因此，我們需要重視原始數(shù)據(jù)，尋求升級改進的可能性。為了獲取更精確的數(shù)據(jù)，一項重要方法是增加高速高精度的數(shù)采檢測系統(tǒng)?？扇〉牟呗允牵?span style="color:rgb(206,0,88);">增加新的數(shù)據(jù)采集方式。

針對此場景，我們將直接引入一套高速高精度的數(shù)采檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的采樣率從接近M級別到G級別不等，根據(jù)實際工藝頻率確定。該系統(tǒng)包含數(shù)采和檢測兩個部分，通過ADC進行數(shù)據(jù)采集和運算判斷，結(jié)果可本地存儲或上傳至云端。上位機可根據(jù)結(jié)果調(diào)整生產(chǎn)計劃和參數(shù)。

1.2

適用工藝&應(yīng)用行業(yè)

接下來我們將介紹數(shù)采檢測系統(tǒng)在高速脈沖工藝中的應(yīng)用。

▲圖2:產(chǎn)線數(shù)采檢測的適用工藝

在高速工藝中，如電焊、水刀切割、沖擊波清洗等，實際工作頻率遠(yuǎn)高于PLC的循環(huán)周期。因此，在控制高速過程時，PLC需借助高速模塊實現(xiàn)脈沖控制，而閉環(huán)反饋依靠低速的平均統(tǒng)計信息。我們對高速脈沖工藝進行了簡單分類：毫秒級脈沖（如電焊、水刀切割、沖擊波清洗）和納秒至微秒級脈沖（如激光切割、電火花加工）。

同時，產(chǎn)線數(shù)采檢測具有廣泛的行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)，它能夠在汽車制造、電子制造、金屬加工、塑料加工、醫(yī)療器械制造、機械制造中發(fā)揮重要的作用。

1.3

數(shù)采檢測系統(tǒng)的作用

數(shù)采檢測系統(tǒng)主要在以下四方面發(fā)揮作用。

一、診斷和監(jiān)控，確保穩(wěn)定性。作為外部標(biāo)準(zhǔn)參考，校驗內(nèi)部閉環(huán)控制的質(zhì)量，評估控制程序穩(wěn)定性以及設(shè)備實際老化和故障狀況。

二、異常檢測與分析，深入故障成因。將詳細(xì)工況和缺陷品的出現(xiàn)結(jié)合起來，通過和正常工況進行對比，找到造成故障的異常參數(shù)

三、質(zhì)量控制，及早發(fā)現(xiàn)異常。通過前期積累的經(jīng)驗，快速判斷異常產(chǎn)品的出現(xiàn)。及時調(diào)整生產(chǎn)計劃，并且終止不良品的繼續(xù)加工。

四、反饋控制，提升良品率。預(yù)警異常趨勢，實時反饋至控制端進行調(diào)參，或?qū)倓偝霈F(xiàn)的不良現(xiàn)象進行及時補救，降本增效。

02

虹科解決方案

2.1

硬件設(shè)計

首先，讓我們來看看硬件方面。

作為實時數(shù)采檢測方案，我們采用板卡形式的數(shù)采模塊。該板卡使用PCIe接口，可以同時插入多張卡進行采集。單張采集卡擁有8個通道，最高可實現(xiàn)80M采樣率，16位分辨率。如果我們將對通道密度的要求降低，單張卡只使用4個通道，那么在16位分辨率下，可以實現(xiàn)250M采樣率；14位可以實現(xiàn)400M；8位可以實現(xiàn)1.25G。在量程方面，可通過編程調(diào)節(jié)范圍從正負(fù)200mV到10V。

▲圖3:虹科方案的硬件設(shè)計

我們的方案需要使用插卡機箱。由于采用PCIe接口，我們選擇通用的x86工控機，無需購買專用機箱和控制器。只要工控機的PCIe插槽足夠，可以插入多張卡。在性能選擇方面，我們可以利用Intel的i7、i9以及AMD的線程撕裂者等CPU。內(nèi)存方面，通過使用4條內(nèi)存槽的主板，最高可達64G。硬盤容量限制較低，可以多放幾個固態(tài)硬盤。我們基于普通Windows平臺，無需額外補丁，與其他軟件的兼容性更好。用戶可以方便地在該平臺上運行其他程序或編寫自己的程序，對采集數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果進行額外處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

▲圖4:虹科方案的硬件設(shè)計

更值得關(guān)注的是，我們的硬件方案提供個性化的定制服務(wù)。以下是配件方面可選的方案。

▲圖5:配件方面的定制化服務(wù)

同時，傳感器也可以根據(jù)客戶需求進行協(xié)商選型。

▲圖6: 傳感器方面的定制化服務(wù)

2.2

軟件設(shè)計

在軟件方面，我們有讀取、運算、數(shù)據(jù)展示以及存儲轉(zhuǎn)發(fā)四大突出功能。

讀取方面，無需設(shè)置觸發(fā)，利用高速的PCIe總線，連續(xù)地從數(shù)采卡中獲取實時讀數(shù)，吞吐量USB3.0的兩倍以上。

運算方面，無需設(shè)置觸發(fā)，利用高速的PCIe總線，連續(xù)地從數(shù)采卡中獲取實時讀數(shù)，吞吐量USB3.0的兩倍以上。

數(shù)據(jù)展示方面，無需設(shè)置觸發(fā)，利用高速的PCIe總線，連續(xù)地從數(shù)采卡中獲取實時讀數(shù)，吞吐量USB3.0的兩倍以上。

存儲與轉(zhuǎn)發(fā)方面，無需設(shè)置觸發(fā)，利用高速的PCIe總線，連續(xù)地從數(shù)采卡中獲取實時讀數(shù)，吞吐量USB3.0的兩倍以上。

下圖是對軟件設(shè)計細(xì)節(jié)中運算速度、計算算法、存儲轉(zhuǎn)發(fā)的介紹。

▲圖7:虹科方案的設(shè)計細(xì)節(jié)

綜上，相比于傳統(tǒng)數(shù)采設(shè)備，我們的數(shù)采系統(tǒng)具備更多的優(yōu)勢。以示波器為例，我們的產(chǎn)品優(yōu)勢在于：

大容量存儲 ｜高性能通用CPU｜易于擴展通道

實時處理數(shù)據(jù)｜可編寫額外的處理程序

此外，相比于USB外接的虛擬示波器，我們的產(chǎn)品優(yōu)勢在于：

更快的傳輸速度降低延遲 ｜連續(xù)采集無死區(qū)

實現(xiàn)更復(fù)雜的觸發(fā)方式｜一體集成減少拉線

03

產(chǎn)品應(yīng)用案例

基于上述的介紹，我們將在這部分為大家提供產(chǎn)品的實際應(yīng)用案例，分別是空氣壓縮機、三相電機、超聲應(yīng)用三個案例。

3.1

空氣壓縮機

針對空氣壓縮機的案例，我們常見于產(chǎn)線上。

▲圖8: 空氣壓縮機實驗場景原理圖

為了實現(xiàn)氣動控制，我們需要一個空氣壓縮機作為氣源?？諝鈮嚎s機的控制器基于平均值進行負(fù)反饋控制，但對于小波動無法準(zhǔn)確控制。因此，我們可以添加傳感器進行診斷和檢測。在實驗場景中，通過數(shù)采卡、供電、變送器和傳感器構(gòu)成了數(shù)采檢測系統(tǒng)的硬件部分。通過壓力和加速度傳感器的頻域分析，我們可以推斷壓縮機的轉(zhuǎn)速和工作狀況。使用麥克風(fēng)進行聲音波形分析，可以確定閥門狀態(tài)變化的時間點。綜合多種傳感器的信息，進行相互驗證和共同鎖定問題的思路是可取的。

▲圖9: 信號采集結(jié)果

▲圖10: 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

在實際應(yīng)用中，根據(jù)實際情況選擇合適的傳感器，利用數(shù)采卡上的多余通道對相鄰工位的情況進行測量，可以降低升級成本。

3.2

三相電機

現(xiàn)在我們來看一下三相電機的例子。

工業(yè)中，大部分小型電機采用PWM驅(qū)動。PWM信號是由專門的芯片產(chǎn)生，主控制器通過編碼器反饋位置信息并調(diào)節(jié)控制參數(shù)。然而，控制器并不了解電機的詳細(xì)情況，只需確保運行位置無誤即可。若想了解電機細(xì)節(jié)，可以采集三相PWM電壓和電流。其中，電流傳感器用于電流采集。

▲圖11: PWM驅(qū)動參與的工業(yè)流程

通過分析結(jié)果，我們可以進行一些判斷，如檢查電壓相位分布是否正確，判斷控制器老化和效率降低，以便維護或更換。通過頻率分析，我們還可以推測電機轉(zhuǎn)速和傳動系統(tǒng)是否存在打滑問題。異常增大的電流信號可能表示電機在某位置遇到較大阻力，指導(dǎo)軌道維修和故障排查。若生產(chǎn)中出現(xiàn)這種情況，可能意味著產(chǎn)品尺寸超出限制或存在潛在缺陷。

▲圖12: 采集效果

3.3

超聲應(yīng)用

工業(yè)和其他行業(yè)中廣泛使用超聲技術(shù)。超聲測量通常采用高帶寬的儀器級麥克風(fēng)和高速數(shù)采卡。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，數(shù)采卡的采樣率至少需要是被測超聲頻率的兩倍。為了準(zhǔn)確測量，我們通常選擇采樣率是被測頻率的5到10倍甚至更高的數(shù)采卡。

▲ 表1: 不同應(yīng)用的頻率范圍、單工/雙工、動態(tài)范圍信息比較

通過FFT分析，我們可以觀察到原始信號右側(cè)的浮動是由低頻雜散噪聲引起的。通過電腦的強大計算能力，我們可以進行低延遲的軟濾波處理，去除這些雜散噪聲。另外，我們還可以根據(jù)觸發(fā)點將多次超聲脈沖信號對齊并取平均，以比較每個信號與平均信號之間的差異，從而檢測異常脈沖。

▲圖13:測試結(jié)果