"在驗證結構狀態上，我們為客戶帶來了現代以太網驅動及基于網絡連接，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系統所帶來的裨益。"
- Jim Campbell, Viewpoint Systems, Inc.
The Challenge:
在某些結構相對難以接近的情況下，連續監測長島鐵路高架道路的結構健康。
The Solution:
使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW數字濾波器設計工具包來測量環境激勵產生的振動數據的模式分析，遠程捕捉數據并分析重要事件。
背景
工程師使用結構振動來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。 盡管多年來我們已經都使用了一定工具來監控結構振動，但是這些工具所收集到數據不是保真度高卻持續時間短的波形，就是持續時間長卻在頻段上有功率失真的測量結果。 許多結構只有在環境力量，例如風、車輛活動，附近的建筑，或者如地震和龍卷風存在等隨機事件的情況下發生振動才有意義。 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線通信技術上的最新進展，我們可以長期采集高保真波形。 我們還可以與匯聚了多個數據采集點的結構振動數據的主機進行通訊，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導者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開發了可在室外和其他較難接近的地方上運作的系統，它同時還保持了可用的基于PC的解決方案的能力。 最終，我們生產出了STRAAM SKG CMS™系統的增強版本，安裝在長島鐵路橋上。
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
- 實時分析自定義數據
- 定期將統計數據發布至主機
- 按要求將波形上傳至主機
- 提供堅固、重量輕、高性價比以及可靠的OEM部署
- 涵蓋靈活的架構來應對未來的挑戰
- 確保安全的用戶訪問控制
系統設計
我們選擇了一個基于NI CompactRIO平臺和動態信號采集（DSA）C系列模塊的系統。 CompactRIO和相關C系列信號調理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數安裝地點的典型環境極值。 此外，CompactRIO控制器沒有移動部件，增加了發生故障的平均間隔時間，并確保它可以承受在運輸和安裝過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。考慮到基本信號的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動態信號模塊（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
數據采集與過濾
DSA模塊通過由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號，輸出有關傾斜和加速度的信息。 由于大型結構在低頻率產生共振，因此，這些傳感器具有極低的噪聲、高度的動態范圍和低頻響應十分重要，從而可在小于1 Hz情況下收集有關結構的信息。 低頻率范圍和長期數據存儲的特點必須結合起來，以創造每秒200個樣本 (S/s)的最大的數據采集率。 由于擁有delta-sigma轉換技術，NI 9239的采樣速度并不慢，因此我們基于可編程門陣列（FPGA）以2000 S/s速度進行采樣并使用低通數字濾波來產生速率為200S/s的抗混疊信號。通過抽取獲得的簡單二次抽樣會違反Nyquist準則。我們使用LabVIEW 數字濾波器設計工具包生成了28抽頭的無限脈沖響應（IIR）濾波器，其3dB下降節點是采樣率的0.8倍，阻帶衰減大于90dB.數字濾波器設計工具包包括自動生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA。 我們精心選擇定點運算，以確保操作正確，從而避免過度使用FPGA資源。 最終的濾波器是一個帶4位尾數的24位定點數解決方案。
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采用專有的分析程序，從連續的加速度數據流中提取相關信息。 由于環境能量能夠激發結構變化，我們分析了一些初步的數據來定位共振。 在初期階段之后，我們配置CompactRIO來執行基于共振位置的專有分析。 初始設置的所有活動都是通過遠程無線通信進行的。 我們通過無線方式連接到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，并進行時域濾波計算，因此我們可以在STRAAM提供的復雜算法基礎上進行計算。 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開發環境大大簡化了調整這些計算的步驟。 我們進行更多的計算來辨別值得注意的事件，從而在重要狀況發​​生時提醒工程師：這些狀況可能意味著存在一個有意義的環境激勵或結構已發生很大的變化。
主機通信
為了成功運作，該系統需要與主機進行有效地通訊。 由于該系統部署的地方在幾乎不可訪問的地方和室外場所，因此所有的系統交互都需要進行遠程操作。 憑借蜂窩式調制解調器，系統通過TCP/IP上傳重要信息、發布事件警報并允許遠程配置。 我們設計的LabVIEW應用程序，定期以自定義二進制信息方式將概要信息發送至主機，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授權的訪問，我們的密碼保護所有連接。
Figure 3 - 數據文件配置屏幕
總結
我們已經成功地安裝了幾個基于CompactRIO平臺的功能型SKG CMS™系統。 通過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活動以及各種結構的警報條件。在驗證結構狀態上，我們的客戶享有現代以太網驅動及基于網絡連接帶來的裨益，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系統所帶來的好處。
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