基于NI CompactRIO 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王新孟

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210000）

0 引言

提升機是一種主要用于物料垂直或斜向提升的裝置，廣泛應(yīng)用于礦山、化工、建材、冶金和糧食等行業(yè)，提升機的工作原理是通過輸送鏈輪和鏈條的運動來帶動料斗垂直或傾斜地上下運動，從而實現(xiàn)物料的垂直或斜向提升。本文以礦井提升機為應(yīng)用案例，設(shè)計一套智能監(jiān)控系統(tǒng)。

礦井提升機是安裝在地面或井下，借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的提升機械。 礦用提升系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)重要的系統(tǒng)之一，它能否安全、可靠地工作直接關(guān)乎整個煤礦的安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的生命安全，被譽為井下、井上的咽喉。 由于提升機制動閘瓦磨損、提升繩繩徑與繩槽不配套、液壓油溫過高以及工況環(huán)境影響等原因，提升系統(tǒng)容易發(fā)生故障。 同時，煤礦提升監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用單片機，存在容易受到干擾、運行速率低等問題。 本系統(tǒng)主要監(jiān)控提升系統(tǒng)動態(tài)性能及運行狀態(tài)，針對目前提升系統(tǒng)運行過程穩(wěn)定性差、監(jiān)控難的問題提出新的解決方案，建立并完善基于NI CompactRIO 的礦井提升機智能監(jiān)控系統(tǒng)，提高提升系統(tǒng)運行的可靠性。

1 礦用提升系統(tǒng)

礦用提升系統(tǒng)一般用鋼絲繩帶動井筒內(nèi)容器升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。 以開挖井筒提升系統(tǒng)為例，其主要由絞車、吊桶、吊盤、提升繩、懸吊繩、穩(wěn)繩、吊盤提升天輪、吊桶提升天輪等構(gòu)成［1］。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)利用NI 公司的CompactRIO 嵌入式平臺與實驗室虛擬儀器工程平臺（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）虛擬儀器設(shè)計語言組合開發(fā)出一套基于數(shù)據(jù)采集、信號處理分析、運行狀態(tài)實時顯示與仿真、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、故障診斷并自動報警控制的系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可對提升機各種性能參數(shù)以及位置參數(shù)進行監(jiān)測并對重大故障進行自應(yīng)變處理，實現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)的智能化改造。 系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2.1 硬件模塊

CompactRIO 配置硬件包括模擬輸入（artificial intelligence， AI） 模塊 NI9215、 模擬輸出（application objects， AO） 模塊NI9263，TTL 數(shù)字輸入／輸出模塊NI9403。 傳感器包括速度傳感器、油溫油壓傳感器、位移傳感器、電流傳感器等。 控制器主要是變頻器、繼電器等［2］。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含上、下位機兩部分，之間采用以太網(wǎng)通信協(xié)議。 下位機是利用嵌入 CompactRIO 平臺的LABVIEW Real-Time VI 進行數(shù)據(jù)采集處理和輸出控制。上位機是通過LabVIEW 開發(fā)軟件設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，主要包括登錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、提升系統(tǒng)模塊等，具體如圖2 所示，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲及查詢等功能。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件用戶分為管理員和普通用戶，管理員具有更多的設(shè)置權(quán)限，首次登錄后會默認進入?yún)?shù)設(shè)置模塊，設(shè)置采樣參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)閾值等。 系統(tǒng)進入監(jiān)測運行狀態(tài)后，會根據(jù)預(yù)設(shè)判斷模型對參數(shù)異常情況發(fā)出預(yù)警并進行故障診斷，對一些特定情況會自動做出保護動作，系統(tǒng)程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能要求

監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

（1）利用NI CompactRIO 實現(xiàn)提升系統(tǒng)信號的實時采集顯示，并能夠?qū)μ嵘俣冗M行控制。 利用LabVIEW 平臺實現(xiàn)提升系統(tǒng)吊桶姿態(tài)、液壓安全系統(tǒng)、提升速度動態(tài)顯示，同時能夠?qū)μ嵘俣冗M行矯正控制，保障提升系統(tǒng)安全運行。

（2）基于LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。 利用LabVIEW 的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，利于監(jiān)控數(shù)據(jù)的交流分析并實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

（3）故障診斷并自動報警。 通過對采集數(shù)據(jù)的分析處理，判斷運行狀態(tài)進行故障診斷并自動報警控制，使提升系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

3.2 主要功能實現(xiàn)

3.2.1 主界面監(jiān)控數(shù)據(jù)和吊桶姿態(tài)顯示

在主監(jiān)控界面中，實時顯示提升系統(tǒng)的液壓站油壓、溫度和吊桶的速度、深度，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

在交流電機的聯(lián)動軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出相位相差90。的A、B 兩路脈沖，通過脈沖信號計算轉(zhuǎn)速，進而求出吊桶的提升速度。

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電力工程提出了越來越高質(zhì)量與安全要求，因此，電力企業(yè)要提高對電力工程質(zhì)量與安全的控制力度。在電力工程質(zhì)量與安全控制的過程中，首先要做好施工方案及安全技術(shù)的檢查指導(dǎo)工作，保證施工設(shè)計方案具有較強的科學(xué)性與合理性；其次，強化工程建設(shè)人員的質(zhì)量與安全意識，使相關(guān)施工人員在整個施工過程中保持較強的安全意識以及認真的工作態(tài)度；最后，健全施工安全管理制度，真正做到安全施工。

利用LabVIEW 圖形函數(shù)動畫模擬吊桶、吊盤以及電機的位置和方向，方便工作人員直接監(jiān)控。

3.2.2 提升速度顯示與調(diào)控

在此功能界面用波形圖繪出標準速度圖，同時實時顯示電機轉(zhuǎn)速和吊桶運行曲線圖，方便對各提升階段的速度與加速度變化進行監(jiān)測與比較，并將控制參數(shù)反饋至變頻器控制電機，實現(xiàn)對提升速度的調(diào)控，進一步保障安全運行，如圖5 所示。

圖5 提升速度監(jiān)控界面

提升系統(tǒng)電機提升過程可以分為6 個階段，分別為初加速階段、主加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段和停車階段，煤礦作業(yè)安全規(guī)程對每階段的速度與加速度有明確規(guī)定，以保障提升系統(tǒng)安全。

根據(jù)運行參數(shù)采用光離子化檢測器（photoionization detector， PID）自適應(yīng)算法，通過NI 主控制器驅(qū)動變頻器，自動進行電機控制，實現(xiàn)無級調(diào)速，提升電機運行的平穩(wěn)性和安全性，如圖6 所示。 期間若提升速度超出設(shè)定閾值或有其他故障，系統(tǒng)會執(zhí)行預(yù)定程序，使提升機自動停機，確保安全。

圖6 PID 自適應(yīng)控制程序

3.2.3 液壓系統(tǒng)監(jiān)控

液壓站與閘瓦共同作用實現(xiàn)對提升機的制動和松閘。油壓、油溫及閘瓦間隙都是影響制動安全的重要因素。 利用圖形仿真可以模擬出液壓站工作狀態(tài)以及閘瓦開啟閉合狀態(tài)，配合數(shù)字顯示，實時顯示油壓、油溫的參數(shù)變化及油泵、閥門、油路開閉情況，便于觀察分析，并能及時對危險情況做出預(yù)警。 如圖7 所示。 ①液壓站油壓監(jiān)測。 需要在電磁換向閥的出口處通過螺紋連接一個壓力傳感器來實現(xiàn)液壓站油壓動態(tài)監(jiān)測。 油溫的監(jiān)視可將溫度傳感器安裝在制動液壓站油箱內(nèi)。 測量的油壓、油溫數(shù)據(jù)與設(shè)定的正常工作油壓、油溫比較，如果發(fā)現(xiàn)溫度和壓力異常，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。 ②閘瓦的間隙測量。 用電渦流傳感器來測量閘瓦間隙，并記錄每次磨損量ΔX，每次停機時計算∑ΔX，當(dāng)超過一定值時系統(tǒng)發(fā)出報警信號。 同時間隙不能太大，否則影響制動反應(yīng)時間［3］。

圖7 液壓系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2.4 故障診斷

如圖8 所示，故障診斷是通過監(jiān)測提升系統(tǒng)運行特征參數(shù)，包括振幅、位移、頻率、電壓、電流等，濾波處理后進行頻域分析、時頻分析，對比故障特征信號數(shù)據(jù)庫，提前判斷提升系統(tǒng)健康狀況及其他安全隱患，從而及早采取相應(yīng)的措施或有針對性、防范性地檢修，避免安全事故和經(jīng)濟損失［4］。

圖8 故障診斷界面

首先利用速度傳感器檢測電動機、減速器和滾筒基座水平和垂直方向的振動信號，然后根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，利用LabVIEW 中的分析函數(shù)和功能模塊對特征信號值進行數(shù)字濾波以及進一步的分析處理，最后實現(xiàn)提升機的健康診斷。 本系統(tǒng)可以對吊桶、電動機和減速器等進行故障分析，找出故障原因并記錄結(jié)果。

3.2.5 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

實驗室虛擬儀器工程平臺（LabVIEW）的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器支持標準的超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol，HTTP）。 DataSocket 是LabVIEW 網(wǎng)絡(luò)編程的核心技術(shù)，它支持多種通信協(xié)議，采用類似WWW 瀏覽器定位資源的方法，通過統(tǒng)一資源標示符（uniform resource locator，URL）能夠確定網(wǎng)絡(luò)資源的唯一地址和遵循的通信協(xié)議。 通過內(nèi)置Monitor 和snap 函數(shù)可以便捷地在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布正在運行的VIs 前面板圖。 使用LabVIEW 搭建互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，可以充分發(fā)揮LabVIEW 計算能力強、開發(fā)簡單的特點，特別適合測控領(lǐng)域云平臺的建設(shè)。

首先進入LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，點擊主菜單“工具-＞選項”，在設(shè)置對話框中選擇“互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器：配置”進行網(wǎng)絡(luò)配置。 然后進入前面板菜單“工具-＞互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布工具”選擇發(fā)布的VI，并保存至本地磁盤，此時本地或局域網(wǎng)內(nèi)可以訪問發(fā)布的VI。 利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布工具，其他用戶也可以通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器訪問本機網(wǎng)頁［5］。

3.2.6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

LabVIEW 封裝了由NI 公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫連接工具，可以使用ADO 操作數(shù)據(jù)庫。 建立數(shù)據(jù)庫并連接好后，調(diào)用ADO 封裝函數(shù)可以便捷地創(chuàng)建表、刪除表、插入記錄、刪除記錄等。 數(shù)據(jù)庫記錄系統(tǒng)的整個操作記錄，保存運行數(shù)據(jù)以便事后查詢。 數(shù)據(jù)庫查詢類型包含單個查詢、組合查詢、時間控件查詢，支持模糊查詢搜索。 數(shù)據(jù)被集中在一個服務(wù)器中，通過統(tǒng)一的文件系統(tǒng)，可實現(xiàn)有組織的數(shù)據(jù)控制，同時任何有權(quán)限的用戶可以存儲、提取數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)和傳統(tǒng)煤礦提升監(jiān)控系統(tǒng)比起來具有以下幾點優(yōu)點：

（1）全過程監(jiān)測提升吊桶高度、速度、加速度等參數(shù)，并通過動畫的形式實時展示，采用PID 自適應(yīng)算法控制電機，使提升機運行平穩(wěn)、安全。

（2）通過在液壓站、油泵等關(guān)鍵運行部位設(shè)置傳感器，實現(xiàn)對液壓站油壓、油溫及油泵運行狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測，防止制動系統(tǒng)重大安全事故發(fā)生。

（3）通過監(jiān)測運行參數(shù)，分析頻譜特征，提前預(yù)警安全隱患。 記錄、存儲運行數(shù)據(jù)，高效、便捷的查詢界面，易于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和控制。

（4）利用LabVIEW 的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)辦公地點多樣化，利于監(jiān)控數(shù)據(jù)的交流分析并實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

目前，LabVIEW 在煤礦監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用越加廣泛，雖然本系統(tǒng)還處在不斷開發(fā)完善階段，但可以預(yù)見類似的監(jiān)控系統(tǒng)在未來煤礦安全生產(chǎn)中將發(fā)揮越來越重要的作用。