基于LabVIEW的電機監測系統設計

喬俊福

(太原工業學院，山西 太原 030008)

基于LabVIEW的電機監測系統設計

喬俊福

(太原工業學院，山西 太原 030008)

設計了一套基于LabBVIEW的電機監測系統。系統選用NTC熱敏電阻傳感器、霍爾傳感器、扭力傳感器分別對電機溫度、轉速和扭力進行檢測，由NI PCI-6024E數據采集卡把各項數據處理后上傳到上位機，上位機采用LabVIEW編寫了登錄界面、數據采集系統界面和歷史數據顯示界面等對電機狀態進行監測，保證電機安全、穩定運行。通過實際系統測試證實該系統能快速、準確地測出電機的溫度、轉速和扭矩等參數，對電機監測的應用具有較強的參考價值。

電機；LabVIEW；監測系統； 設計

0 引言

步進電機、交流電機、直流電機等各種各樣的電機在當代的工業生產中有著很重要的作用，如何保證電機高效安全穩定運行不可忽視，所以對于電機的監測也成為一個必要的環節[1]。由于在負載模擬器項目的研制中主要關注電機的溫度、轉速、扭矩這3個參數，故本設計重點對這3個參數進行監測。

數據采集系統設計常用的軟件有LabVIEW、VC6.0、MATLAB和BASIC等，雖然這些軟件都可以實現人機界面的設計和程序設計，但這些軟件之間又有明顯的區別[2]。VC6.0、MATLAB和BASIC采用的機器語言都是基于文本的語言產生代碼，在編程時會需要大量的程序代碼，如果程序很復雜則編程時很容易出錯，并且在出錯之后不易修改。而LabVIEW所使用的G語言是圖形化的框圖程序，主要是利用流程圖或者框圖，很少使用程序代碼來編程，且其所使用的模塊都是工程師、技術人員和學者所認識的圖形、專業術語和概念[3]。所以利用LABVIEW在G語言的開發環境下進行編程大大提高了編程的效率，只要邏輯好，一個框圖也可以實現很多功能。本文根據需要設計了基于LabVIEW的電機監測系統，并進行了實際系統監測驗證。

1 電機監測系統硬件選型

本文對YC71電動機進行監測，其額定功率為250 W，額定電壓為220 V，額定轉速為2 800 r/min，2級。

1.1 采集系統方案設計

在電機上安裝溫度、轉速和扭力傳感器，將采集到的電機各信號經過數據采集卡處理后傳輸到LabVIEW所設計的人機界面進行數據和波形顯示，從而完成對電機的實時監測。電機監測系統結構框圖如圖1所示。其主要包括兩個部分：基于LabVIEW的上位機數據采集系統和實現PC機與采集傳感器的連接調試。

圖1 電機監測系統結構框圖

1.2 電機參數采集傳感器選型

(1) 溫度傳感器選擇。根據電機實際情況最終選擇NTC熱敏電阻溫度傳感器作為電機溫度采集傳感器。該傳感器具有精度高、反應靈敏和耐濕性高的優點，不僅適用于室內，在室外也同樣適用；其精度為-1%～1%，溫度范圍為-4 ℃～+110 ℃，阻值范圍為0.1 kΩ～500 kΩ。

(2) 轉速傳感器選擇。根據電機的應用環境選用霍爾速度傳感器監測電機轉速。該傳感器通過霍爾原件將這些變化的電壓以脈沖的形式輸出，從而轉變為速度信號的原理來進行測量。選用主要芯片為LM393的3144霍爾傳感器模塊實現電機的轉速測量。其電源電壓為4.5 V～24 V，輸出負載電流為25 mA，工作溫度范圍為-30 ℃～120 ℃。

(3) 扭矩傳感器。扭矩傳感器是將電機運轉過程中對發生扭轉的機件進行檢測，這些機件會產生扭轉力矩，如果扭轉力矩過大，很容易損壞機件。根據實際情況選用了TB-N1901扭矩傳感器，其測量范圍為0 N·m～500 N·m,精度為0.3%。

1.3 采集板卡選擇

根據以上傳感器類型及實際需求選用NI公司的PCI-6024E作為采集板卡，其接線方式為PCI的總線方式，采樣率為200 ks/s, 分辨率為12位, 最大量程為-10 V～10 V，提供16路模擬輸入，2路12位模擬輸出，8條數字I/O線和2個24位計數器等功能。

2 監測系統上位機軟件設計

2.1 上位機軟件結構

監測系統上位機主要實現電機溫度、轉速和扭矩的顯示及存儲調用功能。監測系統上位機軟件流程如圖2所示。

圖2 監測系統上位機軟件流程圖

2.2 數據采集人機界面的設計

基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計都離不

開前面板(數據采集人機界面)的設計、后面板圖形化框圖程序(數據采集程序)的設計和模塊連接設計3個部分。本設計的數據采集人機界面和數據采集程序設計分別如圖3、圖4所示。數據采集人機界面包括：物理通道，即采集卡的通道；最大電壓與最小電壓，即輸入電壓的量程；數據采集卡的采樣率；數據采集卡的實際采樣率；每秒模數轉換器采樣數,是AD的采樣速率；上限/下限，即通道信號數值上限與下限設置；報警模塊，即信號數值超出上限或低于下限進行報警；采集數據，即對采集到的信號進行波形顯示。

圖3 數據采集人機界面

2.3 登錄人機界面設計

數據采集系統是操作人員使用的軟件，為了保證數據的安全性，設計了登錄界面和登錄程序，即用戶只有在輸入正確的用戶名和密碼的條件下才能進入采集系統界面，使用該系統進行數據的采集和歷史數據顯示。

圖4 數據采集程序設計

2.4 歷史數據顯示人機界面設計

在采集系統中，歷史數據的存儲是必不可少的，而且為了便于對電機任何時刻的運行情況進行分析，還需要對歷史數據進行讀取，不僅可以手工現場操作讀取，還可以遠程在線查詢。查詢的方式為在采集界面點擊歷史數據按鈕進入歷史數據顯示界面，輸入要查詢的時間段，然后點擊數據顯示進行查詢。如果要顯示所在時刻的數據可以點擊數據采集按鈕，如果需要退出系統則點擊退出登錄即可。

對于歷史數據的查詢主要還是通過波形圖進行顯示，本設計針對電機的溫度、轉速和扭矩分別制作了對應的3個波形顯示圖如圖5所示，歷史數據顯示程序設計如圖6所示。

圖5 歷史數據顯示波形圖

2.5 監測系統仿真

由于一般的數據采集卡都比較昂貴，最少的也要千元以上，當在LabVIEW上設計好軟件部分之后，如果直接接硬件設備，則會在軟件不穩定運行的情況下損害數據采集卡，因此進行軟件部分的仿真是必要的。PCI-6024E的仿真圖如圖7所示。

圖6 歷史數據顯示程序設計

圖7 PCI-6024E的仿真圖

3 監測系統的運行與調試

系統的調試不僅需要對軟件設計的數據采集系統進行調試，而且還需要實際連接上電機進行聯機調試。具體分3步來實現：

(1) 硬件設備安裝，包括傳感器在電機相應位置的安裝、傳感器輸出端子與采集卡的鏈接及數據采集卡與PC機鏈接等。

(2) 數據采集系統初始化，包括采集卡軟件匹配、3個傳感器通道的選擇及相應參數設置等。

(3) 數據采集與顯示。將設置好的參數DAQ助手保存，然后在設計的程序框圖中將設置好的DAQ助手模塊接入程序框圖中，打開前面板，點擊運行，出現登錄界面，在用戶名中輸入“qiaojunfu”，在密碼處輸入“123456”點擊登錄。登錄成功后進入數據采集系統界面進行參數設置，包括通道選擇Dev1/ai0、通道的最大值100和最小值0;采樣率1 000、實際采樣率1 000.00、每循環采樣點數1 000、最大電壓5 V和最小電壓-5 V。設置完成后點擊開始采集按鈕進行電

機實際運行參數采集，電機監測系統采集到的數據如圖8所示。

圖8 數據采集系統數據顯示

如果需要歷史數據分析電機的運行情況，則需要進入歷史數據界面讀取數據。進入歷史數據采集界面后，選擇輸入一個已經采集過的時間段，例如調試選區的時間段為“D：program file(x86) 2015.6.18:10:42”然后點擊顯示數據，運行結果如圖9所示。當查詢結束后，如果需要退出界面，則點擊“退出登錄”按鈕，退出系統。

圖9 歷史數據查詢結果

4 結論

本設計適用于常用電機的實時監測，不僅可以采集數據、保存數據，而且還可以對歷史數據進行讀取，如果超出參數設定值報警燈會閃爍。同時加入了登錄界面，使得數據的安全得到保障。本設計的數據采集系統采集精度高、反應靈敏、穩定可靠，可以實時同步監測電機的溫度、轉速和扭矩，其應用前景較為廣闊。

[1] 張金美.基于虛擬儀器的電機測試系統的研究[D].無錫：江南大學，2008：1-3.

[2] 肖林.基于虛擬儀器的電機自動測試系統研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2006：11-17.

[3] 周峰.基本虛擬儀器的電機測試系統的研究[D].重慶：重慶大學，2006：1-7.

[4] 謬傳書,韓屏.基于LabVIEW的USB數據采集系統的實現[J].工業控制計算機，2004(17):23-24.

Design of A Motor Monitoring System Based on LabVIEW

QIAO Jun-fu

(Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

A set of motor monitoring system based on LabBVIEW is designed, which chooses the NTC thermistor sensor, Hall sensors, torque sensors to detect the temperature, rotational speed and torque of motor separately. By use of NI PCI-6024E data acquisition card, the data are acquired and uploaded to the PC. In PC, LabVIEW is used to write the login interface, data acquisition interface and historical data display interface of machine state monitoring, to guarantee the secure and stable operation of motor. The actual test confirms that the system can quickly and accurately measure parameters such as temperature, rotation speed and torque of the motor. The system has strong reference value for the motor monitoring application.

motor; LabVIEW; monitoring system; design

1672- 6413(2015)06- 0148- 03

2015- 05- 10；

2015- 09- 18

喬俊福(1979-)，男，山西左權人，講師，碩士，主要研究方向：自動化測試與控制技術。

TP273∶TM32

A