基于LabVIEW的礦井提升機狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷系統(tǒng)設(shè)計

祁瑞敏，張國棟

（鄭州華信學院 機電工程學院，河南 鄭州 451100）

礦井提升機是礦山最重要的大型機械設(shè)備，是礦井與外界相聯(lián)接是唯一通道，它具有煤炭提升、人員升降及下放材料等重要作用。因此，對于礦機提升機運行的安全性具有重要意義[1]。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國國家儀器公司（National Instrument，簡稱NI公司）開發(fā)的一種圖形化編程語言[2-4]。它能夠?qū)⒁欢üδ艿哪K簡化為一個圖標，這樣對于用戶而言不僅簡單易編程，而且可以大大縮短開發(fā)的時間，提高效益。同時，內(nèi)置有數(shù)據(jù)采集、測量分析、儀器控制及數(shù)據(jù)顯示模塊，能夠為控制領(lǐng)域和測量測控行業(yè)提供高性能配置[5]。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要實現(xiàn)信號的采集，包括對信號的預(yù)處理及類型轉(zhuǎn)化，以便信號能夠被計算機軟件識別，使數(shù)據(jù)信息在LabVIEW軟件上顯示、處理。軟件部分的功能是將采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并對其進行時域分析、頻域分析及相關(guān)分析等，獲得礦井提升機運行的質(zhì)量，對其可能出現(xiàn)的故障信息及早處理，排除安全隱患，如圖1所示。

圖1 健康診斷結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Health diagnosis chart

1.1 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)是的硬件部分是以工控機為中心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集及處理。同時，對硬件的選取要綜合通道數(shù)、信號采集速率、可靠性、可擴展性、計算機配置等因素進行。根據(jù)需要該系統(tǒng)所選擇的硬件部分主要有：磁電式速度傳感器、振動速度變送器、帶CJC電路接線端子排、數(shù)據(jù)采集卡、工控機及顯示器、鍵盤，硬件構(gòu)成如圖2所示。若設(shè)備發(fā)生異常通常是振動信號的頻帶能量會發(fā)生變化，所以該系統(tǒng)采用磁電式速度傳感器來獲得提升機的振動信號，即在提升機的不同部位分別放置傳感器。

圖2 健康診斷系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.2 Health diagnosis system of hardware

綜合來看硬件部分實現(xiàn)的功能：首先傳感器對提升機的各部位的水平和垂直方向分別放置一個傳感器，提取振動信號，然后經(jīng)變送器將振動信號轉(zhuǎn)化為電流信號，同時由于傳感器在獲取信號的過程中一些干擾信號的存在，則需要用數(shù)據(jù)采集卡所自帶的帶CJC電路的端子排進行濾波處理，并將電流信號轉(zhuǎn)化為直流的電壓信號，以備采集卡直接進行數(shù)據(jù)的采集。

1.2 軟件設(shè)計

在軟件的設(shè)計時，首先是準備工作：要在工控機上安裝LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，在安裝數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動時要正確對各通道的參數(shù)進行設(shè)定，安裝完畢時查看LabVIEW軟件的后面板，里面就有數(shù)據(jù)采集卡相應(yīng)的功能模塊了。其次，對提升機健康診斷系統(tǒng)進行設(shè)計，它包括數(shù)據(jù)采集、信號處理與分析，通過對信號的時域分析、頻域分析及相關(guān)分析，可以從總體上把握提升機是否存在的運行質(zhì)量下降的情況，這樣易于對系統(tǒng)的早期故障及潛在異常進行監(jiān)測，確保提升機安全、可靠運行。其流程圖如圖3所示。

圖3 健康診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計Fig.3 Health diagnosis system of software design

2 健康診斷系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

LabVIEW軟件最強大的功能之一就是數(shù)據(jù)采集，該診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對多個通道的連續(xù)時間采集，完成對礦井提升機的實時在線監(jiān)測。某個時刻觀察到電動機的振動烈度較大，選取其水平和垂直方向進行分析。在信號采集之前要對采集參數(shù)進行設(shè)置，采用內(nèi)部觸發(fā)的方式，采樣模式使用循環(huán)緩沖技術(shù)，防止數(shù)據(jù)溢出，這樣才能使數(shù)據(jù)采集連續(xù)進行[6]。采樣點要足夠多，采樣頻率應(yīng)符合采樣定理：

即采樣頻率fs必須大于被采樣信號最高頻率fm的2倍。同時，根據(jù)需要對增益進行選擇，盡可能還原出原始波形，選取1。數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序Fig.4 Program of data acquisition

該系統(tǒng)可實現(xiàn)對多個通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集，但在數(shù)據(jù)采集之前必須進行參數(shù)設(shè)置。由于此時電動機的振動烈度較大，本次試驗只選擇電機的水平、垂直方向2個通道，觸發(fā)方式采用內(nèi)部觸發(fā)，采樣點選取1 000，采樣頻率選取1 000 bit/s，采用循環(huán)模式。另外，采樣時工控機內(nèi)的緩沖時間3 000 s，為了盡可能的反映出原始信號每一個通道的采樣長度定義為512，采樣類型F表示對電壓信號進行采集，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集Fig.5 Data acquisition

2.2 信號分析模塊

信號分析是健康診斷最關(guān)鍵的一步，也是較難實現(xiàn)的一階段。LabVIEW軟件可將用戶實現(xiàn)的功能比如：對信號的傅里葉變換、功率譜、加窗、濾波等，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的時域分析、頻域分析、相關(guān)分析[7]。并將這些功能集成為一個圖形化的模塊，當用戶需要時只需拖動相應(yīng)的圖標即可實現(xiàn)，其編程的快速性及易實現(xiàn)性是LabVIEW得以快速發(fā)展、應(yīng)用的主要原因[8]。本系統(tǒng)是通過對信號的頻域分析來實現(xiàn)對礦井提升機的健康診斷，即首先對信號進行采集，然后經(jīng)濾波處理后再進行快速傅里葉變換，通過分析就可實現(xiàn)對提升機的健康診斷，如圖6所示。

圖6 信號分析程序Fig.6 Program of signal analysis

在對信號的分析之前要對信號進行濾波處理，本文采用的是中值濾波，然后對信號進行傅里葉變換，得到兩個通道的幅值譜，如圖7所示。可以看出在工頻50 Hz的1/2頻率分量處較為明顯，而且波動較大，尤其是在電動機的水平方向出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖7 信號分析Fig.7 Signal analysis

可以看出通過波形幅值的變化，了解礦井提升機的運行狀況，實現(xiàn)對設(shè)備的早期故障診斷。提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及早采取措施，以免發(fā)生意外事故

3 結(jié)束語

基于LabVIEW的礦井提升機狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測，通過對采集的信號進行時域分析和頻域分析可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常或是存在著運行質(zhì)量下降的狀況，實現(xiàn)了對設(shè)備的早期故障診斷。通過實踐證明該系統(tǒng)具有可行性、可靠性。

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