LabVIEW系統及其在煤礦設備故障診斷中的應用

胡志江

（西山煤電（集團）有限公司杜兒坪礦， 山西 太原 030024）

引言

傳統的測控儀器由于使用不便、成本費用高、技術更新緩慢等原因，越來越不能滿足現場的使用要求。隨著電子信息技術的發展，將基于計算機的虛擬儀器用到機械設備的故障診斷上成為新的發展趨勢，通過采集原始數據并對數據進行計算分析，最終對煤礦機械零部件進行合理的診斷，得到煤礦設備的運行狀態結果[1-2]。這種基于LabVIEW的在線診斷方法可降低設備檢測成本，提高設備檢測效率，具有很大的發展前景。

1 LabVIEW概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式[3]。這種圖形化的編程方法使程序變得更加直觀，使編程人員的思路更加清晰，可極大地提高編程人員的工作效率。

目前的LabVIEW已經具備了非常強大的功能。在LabVIEW環境下，可以通過對專門程序的模塊進行設計或調試，再利用合適的軟件支持，可以確保所創建出的人機交互界面的高效性和友好性，另外，LabVIEW具有集成性能的硬件級軟件平臺，依托于PC平臺而且具有同步集成功能，設置有高端定時及觸發總線，還具有模塊化的I/O硬件和相關測試軟件，以滿足更精準和任務量更大的測試。因此，作為一種開發環境，LabVIEW具有非常強的優勢[4]。

2 LabVIEW實現煤礦設備故障診斷的原理

煤礦設備的故障診斷通常以檢測設備的振動信號為主，結合對設備關鍵零部件的溫度、壓力、應力和應變等參數的監控，最后基于專業知識和經驗做出判斷。整個故障診斷過程主要分為四個過程：信號采集；對采集的信號進行分析處理；狀態評價；系統自動修正或者人工修正。利用LabVIEW的相關函數模塊對數據采集卡采集到的各種信號進行分析、處理，同時應用一些判定方法，如邏輯判定、功能判定、值域判定和時域判定等加以評判，最終完成煤礦設備的故障診斷和修復。

2.1 基于振動信號的診斷原理

機械設備在運行過程中，不可避免地會產生振動與噪聲，而煤礦設備所處的特殊環境和重負荷工作狀態，決定了煤礦設備運轉時的振動和噪聲更加明顯。機械設備的振動一般是由一系列的簡諧振動和其他振動的分量以及隨機產生的噪聲疊加而成的，其中電機的轉速和設備的固有頻率對振動的影響最為顯著。設備在正常運轉和異常運轉情況下的振動波形是有明顯差別的，因此可以通過對煤礦設備關鍵零部件和整機的振動監測對設備進行故障診斷。

振動測試項目通常有速度、加速度和振幅等，通過相應的傳感器對這些信號進行采集，LabVIEW將采集到的信號通過在界面中表現出其“振幅-時域”波形，用相關函數對波形進行分析，獲得波形的關鍵參數，然后與設備正常運轉時的相關參數進行對比，進而得出設備的運行狀態是否正常及判斷故障點位置所在。

2.2 基于轉速信號的診斷原理

設備的轉速是否正常直接反映設備的運轉狀態。一般情況下，轉速測試的方式主要有光電式、機械式和霍爾效應式等。基于LabVIEW的轉速信號診斷方法采用的測試方式為光電式。光電式式利用光電效應原理，將光電晶體管與光電二極管進行組合而構成控制開關，在轉速的測量過程中，首先利用帶孔的圓盤獲取脈沖，再使用LabVIEW中的計數器得到單位時間內的脈沖數，進而通過計算得到目標物的轉速[5]。

通過LabVIEW對采集到的脈沖數進行分析，得到關于轉速的相關參數，然后對兩個相互聯系的參數數據進行邏輯上的比較，當發現兩個參數數據的邏輯關系與正常情況下的不同時，則可以判斷設備產生的相應的故障。

2.3 基于溫度信號的診斷原理

機械設備的溫度特性也是設備的一大重要特性，因此對機械設備關鍵零部件的溫度監測，可以用來輔助診斷機械設備的運轉是否正常。目前，工業上常用的溫度傳感器有熱電偶式、熱電阻式、熱敏電阻式和半導體集成式，其中，熱電偶式溫度傳感器應用最廣泛。LabVIEW可通過熱電偶式溫度傳感器采集到設備的溫度信息，通過對采集到的各溫度值與預設溫度范圍進行對比，可判斷出設備是否運行正常及設備的故障點所在。

2.4 基于應變信號的診斷原理

煤礦設備由于長期處于高負荷運轉，不可避免地會導致其關鍵承力部件發生一定的變形，但機械材料的變形都是有一定限度的，當超過一定限度之后其變形將不可恢復，因此需要對易變形部件進行實時監測。

LabVIEW通過采集電阻應變片的電阻信息，經計算可得出此零部件的應變量，然后將此應變量與預設的應變范圍進行對比，可診斷出此零部件是否出現或即將出現故障。

3 故障診斷系統的組成

基于LabVIEW的煤礦設備故障診斷系統主要包括硬件部分和軟件部分。其中硬件部分主要由傳感器、數據采集器和接口設備組成。傳感器是采集相關信號的關鍵部件，可采集溫度、壓力等信號；數據采集器的作用是快速準確地將傳感器得到的信號存入數據庫中，防止數據的丟失，同時可加快數據的分析速度；接口設備主要用來連接傳感器和數據采集器，以有效快速地傳送信號數據。其硬件結構示意圖如圖1所示。

軟件部分是基于Windows操作系統中LabVIEW平臺而編寫的程序。軟件系統主要由數據采集、數據存儲、數據處理和結果顯示四個模塊組成，其結構示意圖如圖2所示。

圖1 基于LabVIEW的煤礦設備故障診斷系統硬件結構示意圖

圖2 基于LabVIEW的煤礦設備故障診斷系統軟件結構示意圖

4 LabVIEW在礦井提升設備故障診斷系統中的應用

礦井提升機是煤礦生產中的主要設備之一，其運行狀況直接影響到煤礦的生產安全[6]。礦井提升設備故障診斷系統主要由傳感器、數據采集和數據分析處理等部分組成。根據礦井提升設備的運行特性，設置診斷系統的主要監測對象為電動機、減速器和滾筒，其主要監測對象和內容如表1所示。

表1 監測對象和內容

根據實際情況，振動信號采用壓電式加速度傳感器，測量范圍是0.5～5 000 Hz；溫度信號采用熱電偶式傳感器，測量范圍是0～200℃；針對各種傳感器，需根據其具體要求和相關參數選取合適的數據采集模塊來完成信號數據的采集。

軟件部分采用LabVIEW平臺進行程序編寫，其中每個監測點的溫度和振動信號處都設置有顯示燈，當檢測值在正常范圍內時顯示燈為綠色，當檢測值超出正常范圍時顯示燈為紅色，系統產生報警并進行記錄。系統的程序框圖如圖3所示，程序前面板（主界面）如下頁圖4所示。

5 結論

圖3 診斷系統的程序框圖

1）LabVIEW是一款圖形化的編程語言，這種編程方法使程序的編寫變得更加直觀、清晰和高效，并且其特別適用于信號采集和監測系統。

圖4 診斷系統主界面

2）將LabVIEW應用在煤礦設備的故障診斷上，通過信號數據的采集和分析，對煤礦機械的零部件進行合理的診斷，最終得到煤礦設備的運行狀態結果；檢測成本低、效率高，具有很大的發展前景。