FB_CMA_OrderPowerSpectrum
Berechnung des Ordnungsspektrums reell-wertiger Eingangssignale.
Die Ordnungsanalyse dient der Analyse von Schwingungen an rotierenden Maschinen. Besonderheit ist, dass die Ordnungsanalyse auch verlässlich interpretierbare Ergebnisse liefert, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Komponente während der Analyse nicht gleichförmig ist, vgl. z.B. Windkraftanlagen oder rampende Motoren.
Bei der Frequenzanalyse, z.B. mit dem FB_CMA_PowerSpectrum, wird ein Zeitsignal (z.B. ein Vibrationssignal) in den Frequenzbereich transformiert. Die Darstellung der Spektralwerte erfolgt dann über die Frequenz. Hingegen wird bei der Ordnungsanalyse das Zeitsignal vor der Transformation mit Hilfe eines Encodersignals so transformiert und interpoliert, dass das Vibrationssignal räumlich äquidistante Abtastpunkte entlang eines Wellenumlaufs aufweist. Folgende Überlegung hilft beim Verständnis der Grundidee. Das Vibrationssignal und das Positionssignal werden zeitlich äquidistant gesampled. Ist die Wellengeschwindigkeit konstant, so kann das Vibrationssignal einfach auf äquidistante Positionen entlang eines Wellenumlaufs projizieren werden. Verändert sich die Geschwindigkeit während einer Umdrehung, so liegen die Abtastungen entlang eines Umlaufs nicht mehr äquidistant auseinander; wird z.B. die Welle schneller, vergrößert sich der Abstand zwischen zwei Abtastungen, da sich die Welle zwischen zwei zeitlichen Abtastungen weitergedreht hat als bei kleinerer Wellengeschwindigkeit. Durch Einbeziehung eines Encodersignals kann dieser Effekt durch entsprechende Interpolation kompensiert werden. Anschließend wird das Leistungsspektrum, vgl. FB_CMA_PowerSpectrum, berechnet. Das Ordnungsspektrum wird dann nicht über die Frequenz aufgetragen, sondern über die Ordnung.
Die Frequenzachse wird mit der maximalen Drehzahl fMaxRPM (in Umdrehungen pro Minute) der beobachteten Welle skaliert. Daraus ergibt sich für die Ordnungs-Achse.
Für die Frequenzachse gilt:
fSampleRate := cOversamples * (1000.0 / fTaskCycleTime);
fResolutionFreq := fSampleRate / cFFTLength;
fNyquistFreq := fSampleRate / 2;
Für die Ordnungsachse gilt:
fMaxOrder := fNyquistFreq / (fMaxRPM / 60);
fResolutionOrder := fResolutionFreq / (fMaxRPM / 60);Die Parametrierung erfolgt über die Struktur ST_CM_OrderPowerSpectrum_InitPars.
Der Baustein FB_CMA_OrderPowerSpectrum erwartet pro Kanal ein Vibrations- und ein Positionssignal. Diese werden durch den Baustein FB_CMA_SourcePaired als Tupel in die Analysekette eingebracht.
Gedächtniseigenschaften
Aufgrund der Verwendung der Welch-Methode wird jeweils der aktuelle Eingangsdatenpuffer zusammen mit den zuletzt übergebenen Puffern zur Berechnung genutzt. Die Anzahl der einfließenden Puffer ist abhängig von der gewählten Überlappung (nOverlap).
Die Frequenzanalyse berücksichtigt Sprünge in der Zeitreihe. Um ein korrektes Ergebnis zu erzielen, müssen sich deswegen die verwendeten Eingangsdatenpuffer lückenlos und ohne Sprünge aneinanderreihen.
NaN Vorkommnis
Falls der Eingangsvektor einen oder mehrere NaN (Not a Number)-Werte beinhaltet, wird der gesamte Ausgangsvektor mit NaN gefüllt. Siehe separates Kapitel für weitere Information über NaN Werte.
 | Behandlung von NaN-Werten Falls die oben beschriebenen Situationen, welche zu NaN-Werten führen, nicht ausgeschlossen oder sicher vernachlässigt werden können, muss das Anwendungsprogramm diese Fehlerwerte behandeln. |
Verhalten bei der Verarbeitung mehrkanaliger Eingangsdaten
Bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1) besteht die Möglichkeit unterschiedlicher Rückgabewerte je Kanal. In diesem Fall können gesonderte Rückgabewerte am Funktionsbaustein abgefragt werden. Sind die Ergebnisse von einem oder mehreren Kanälen unzulässig, jedoch nicht alle Kanäle, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults. Sind die Ergebnisse aller Kanäle unzulässig, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults.
Die Abfrage einer Liste der Rückgabewerte aller Kanäle kann über die Methode GetChannelErrors()erfolgen.
Beispielimplementierung
Eine exemplarische Implementierung ist unter folgendem Link verfügbar: Ordnungsanalyse
Ein- und Ausgänge
Die Ein- und Ausgangspuffer entsprechen einer der folgenden Definitionen (input / output shape). Die variablen Parameter sind Teil des Bausteineingangs stInitPars.
Bei der Verarbeitung eines einzelnen Kanals (nChannels = 1) gilt:
|
MultiArray im |
Elementtyp |
Dimensionen |
Dimensionsgrößen |
|---|---|---|---|
|
input stream A (Vibration) |
LREAL |
1 |
nWindowLength - nOverlap |
|
input stream B (Position) |
LREAL |
1 |
(nWindowLength - nOverlap) / (fSampleRateSignal / fSampleRatePosition) |
|
output stream |
LREAL |
1 |
nFFT_Length/2+1 |
Bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1) gilt:
|
MultiArray im |
Elementtyp |
Dimensionen |
Dimensionsgrößen |
|---|---|---|---|
|
input stream A (Vibration) |
LREAL |
2 |
nChannels x (nWindowLength - nOverlap) |
|
input stream B (Postion) |
LREAL |
1 |
(nWindowLength - nOverlap) / (fSampleRateSignal / fSampleRatePosition) |
|
output stream |
LREAL |
2 |
nChannels x nFFT_Length/2+1 |
Eingangsparameter
Die Eingangsparameter dieses Bausteins repräsentieren Initialisierungsparameter und müssen bereits bei der Deklaration der FB Instanz zugewiesen werden! (Alternativ: Init()-Methode). Sie dürfen nur einmalig zugewiesen werden. Eine Änderung zur Laufzeit ist nicht möglich.
VAR_INPUT
stInitPars : ST_CM_OrderPowerSpectrum_InitPars; // init parameter
nOwnID : UDINT; // ID for this FB instance
aDestIDs : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
nResultBuffers : UDINT := 4; // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
tTransferTimeout : LTIME := LTIME#500US; // timeout checking off during access to inter-task FIFOs
END_VARstInitPars: Baustein-spezifische Struktur mit Initialisierungsparametern vom Typ ST_CM_OrderPowerSpectrum_InitPars. Die Parameter müssen mit der obigen Definition der Ein- und Ausgangspuffer übereinstimmen.nOwnID: Identifiziert die Bausteininstanz mit einer eindeutigen ID. Diese muss immer größer als null sein. Eine bewährte Vorgehensweise ist die Definition einer Enumeration für diesen Zweck.aDestIDs: Legt die Ziele durch Angabe derer IDs fest, zu denen die Ergebnisse weitergeleitet werden sollen. Die Definition des Ausgangspuffers (wie oben beschrieben) muss mit der Definition des Eingangspuffers jedes gewählten Zieles übereinstimmen.nResultBuffers: Der Funktionsbaustein initialisiert einen Transfer Tray Stream mit der gegebenen Anzahl an MultiArray Puffern. Der Defaultwert ist vier.tTransferTimeout: Einstellung des synchronen Timeout für interne MultiArray Weiterleitungen. Siehe Kapitel Parallelverarbeitung.
Ausgangsparameter
VAR_OUTPUT
bError : BOOL; // TRUE if an error occurs. Reset by next method call.
hrErrorCode : HRESULT; // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
ipErrorMessage : I_TcMessage := fbErrorMessage; // Shows detailed information about occurred errors, warnings and more.
nCntResults : ULINT; // Counts outgoing results (MultiArrays were calculated and sent to transfer tray).
END_VAR-
bError: Der Ausgang istTRUE, falls ein Fehler auftritt. -
hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom TypHRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert. -
ipErrorMessage: Beinhaltet nähere Informationen zum aktuellen Rückgabewert. Siehe hierzu den Abschnitt Fehlerbeschreibung und Information. Für diesen speziellen Schnittstellenzeiger ist intern sichergestellt, dass er immer gültig/zugewiesen ist.
Methoden
Call():
Die Methode wird jeden Zyklus aufgerufen, um den Algorithmus auf die aktuellen Eingangsdaten anzuwenden. Der Baustein wartet auf Eingangsdaten, sofern die Methode weder neue Ergebnisse noch einen Fehler angibt. Dies ist ein reguläres Verhalten im Ablauf der Analysekette.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Call : HRESULT
VAR_OUTPUT
bNewResult : BOOL; // TRUE every time when outgoing MultiArray was calculated and sent to transfer tray.
bError : BOOL; // TRUE if an error occurs.
hrErrorCode : HRESULT; // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
END_VARbError: Der Ausgang istTRUE, falls ein Fehler auftritt.hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom TypHRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert. Dieser Ausgang ist identisch zum Rückgabewert der Methode.
| Falls ein Timeout eintritt oder kein MultiArray Puffer für das Ergebnis verfügbar ist, so gehen weder die Eingangsdaten noch die Ergebnisdaten verloren. Sie werden beim nächsten Aufruf weitergeleitet. |
Init():
Üblicherweise ist diese Methode in einer Condition Monitoring Applikation nicht notwendig. Sie bietet eine Alternative zur Bausteininitialisierung. Die Init() Methode darf nur während der Initialisierungsphase der SPS aufgerufen werden. Sie kann nicht während der Laufzeit verwendet werden. Es sei auf die Verwendung von einer FB_init Methode oder dem Attribut 'call_after_init' hingewiesen (siehe TwinCAT SPS Referenz). Hiermit wird zudem die Bausteinkapselung erleichtert.
Die Eingangsparameter der Bausteininstanz dürfen nicht bei der Deklaration zugewiesen werden, falls die Initialisierung mit der Init() Methode erfolgen soll.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Init : HRESULT
VAR_INPUT
stInitPars : ST_CM_OrderPowerSpectrum_InitPars; // init parameter
nOwnID UDINT; // ID for this FB instance
aDestIDs : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
nResultBuffers : UDINT := 4; // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
END_VARstInitPars: Baustein-spezifische Struktur mit Initialisierungsparametern vom Typ ST_CM_OrderPowerSpectrum_InitPars. Die Parameter müssen mit der obigen Definition der Ein- und Ausgangspuffer übereinstimmen.nOwnID: Identifiziert die Bausteininstanz mit einer eindeutigen ID. Diese muss immer größer als null sein. Eine bewährte Vorgehensweise ist die Definition einer Enumeration für diesen Zweck.aDestIDs: Legt die Ziele durch Angabe derer IDs fest, zu denen die Ergebnisse weitergeleitet werden sollen. Die Definition des Ausgangspuffers (wie oben beschrieben) muss mit der Definition des Eingangspuffers jedes gewählten Zieles übereinstimmen.nResultBuffers: Der Funktionsbaustein initialisiert einen Transfer Tray Stream mit der gegebenen Anzahl an MultiArray Puffern. Der Defaultwert ist vier.
ResetData():
Die Methode löscht alle bereits hinzugefügten Datensätze, vgl. Gedächtniseigenschaft des Funktionsbausteins. Wird nach einem ResetData() die Call()-Methode wieder aufgerufen, muss entsprechend erst der interne Speicher wieder aufgefüllt werden um ein gültiges Ergebnis zu berechnen.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD ResetData : HRESULT
VAR_INPUT
END_VARPassInputs():
Solange eine FB_CMA_Source Instanz aufgerufen wird und somit Signaldaten zu einem Zielblock übertragen werden, müssen wie in der API SPS Referenz erläutert alle weiteren Blöcke der Analysekette zyklisch aufgerufen werden.
Manchmal ist es sinnvoll, einen Algorithmus für eine bestimmte Zeit nicht auszuführen. Beispielsweise sollten manche Algorithmen nur nach vorherigem Training bzw. Konfiguration ausgeführt werden. Zwar muss der Funktionsbaustein dennoch zyklisch aufgerufen werden, aber es ist ausreichend, wenn die am Baustein ankommenden Daten im Kommunikationsring weitergeleitet werden. Dies geschieht mittels der Methode PassInputs() anstelle der Methode Call(). Hierbei wird der Algorithmus selbst nicht aufgerufen und entsprechend kein Ergebnis berechnet sowie kein Ausgangspuffer generiert.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD PassInputs : HRESULT
VAR_INPUT
END_VARGetChannelErrors():
Die Methode ermöglicht die Abfrage einer Liste der kanalspezifischen Rückgabewerte bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1). Ein Aufruf ist sinnvoll für den Fall, dass der Rückgabewert des Bausteins einem der Werte eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults oder eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults entspricht.
-
Rückgabewert: Information über den Ausleseprozess der Liste der Fehlercodes. Der Wert wird auf
TRUEgesetzt, falls die Abfrage erfolgreich war,FALSEanderenfalls.
METHOD GetChannelErrors : BOOL
VAR_IN_OUT
aChannelErrors : ARRAY[*] OF HRESULT;
END_VAR-
aChannelErrors: Fehlerliste vom TypHRESULTder LängenChannels.
Der Baustein FB_CMA_PowerSpectrum berechnet das Leistungsspektrum für reell-wertige Eingangsdaten.
Voraussetzungen
Entwicklungsumgebung | Zielplattform | Einzubindende SPS-Bibliotheken |
|---|---|---|
TwinCAT v3.1.4022.25 | PC or CX (x86, x64) | Tc3_CM, Tc3_CM_Base |