LabVIEW系統(tǒng)及其在煤礦設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

胡志江

（西山煤電（集團(tuán)）有限公司杜兒坪礦， 山西 太原 030024）

引言

傳統(tǒng)的測控儀器由于使用不便、成本費(fèi)用高、技術(shù)更新緩慢等原因，越來越不能滿足現(xiàn)場的使用要求。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，將基于計算機(jī)的虛擬儀器用到機(jī)械設(shè)備的故障診斷上成為新的發(fā)展趨勢，通過采集原始數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，最終對煤礦機(jī)械零部件進(jìn)行合理的診斷，得到煤礦設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果[1-2]。這種基于LabVIEW的在線診斷方法可降低設(shè)備檢測成本，提高設(shè)備檢測效率，具有很大的發(fā)展前景。

1 LabVIEW概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)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(jīng)具備了非常強(qiáng)大的功能。在LabVIEW環(huán)境下，可以通過對專門程序的模塊進(jìn)行設(shè)計或調(diào)試，再利用合適的軟件支持，可以確保所創(chuàng)建出的人機(jī)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(shè)置有高端定時及觸發(fā)總線，還具有模塊化的I/O硬件和相關(guān)測試軟件，以滿足更精準(zhǔn)和任務(wù)量更大的測試。因此，作為一種開發(fā)環(huán)境，LabVIEW具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢[4]。

2 LabVIEW實現(xiàn)煤礦設(shè)備故障診斷的原理

煤礦設(shè)備的故障診斷通常以檢測設(shè)備的振動信號為主，結(jié)合對設(shè)備關(guān)鍵零部件的溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)的監(jiān)控，最后基于專業(yè)知識和經(jīng)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(jìn)行分析處理；狀態(tài)評價；系統(tǒng)自動修正或者人工修正。利用LabVIEW的相關(guān)函數(shù)模塊對數(shù)據(jù)采集卡采集到的各種信號進(jìn)行分析、處理，同時應(yīng)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(shè)備的故障診斷和修復(fù)。

2.1 基于振動信號的診斷原理

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中，不可避免地會產(chǎn)生振動與噪聲，而煤礦設(shè)備所處的特殊環(huán)境和重負(fù)荷工作狀態(tài)，決定了煤礦設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的振動和噪聲更加明顯。機(jī)械設(shè)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(jī)產(chǎn)生的噪聲疊加而成的，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速和設(shè)備的固有頻率對振動的影響最為顯著。設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)和異常運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)備關(guān)鍵零部件和整機(jī)的振動監(jiān)測對設(shè)備進(jìn)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(yīng)的傳感器對這些信號進(jìn)行采集，LabVIEW將采集到的信號通過在界面中表現(xiàn)出其“振幅-時域”波形，用相關(guān)函數(shù)對波形進(jìn)行分析，獲得波形的關(guān)鍵參數(shù)，然后與設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比，進(jìn)而得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常及判斷故障點位置所在。

2.2 基于轉(zhuǎn)速信號的診斷原理

設(shè)備的轉(zhuǎn)速是否正常直接反映設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。一般情況下，轉(zhuǎn)速測試的方式主要有光電式、機(jī)械式和霍爾效應(yīng)式等?；贚abVIEW的轉(zhuǎn)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(yīng)原理，將光電晶體管與光電二極管進(jìn)行組合而構(gòu)成控制開關(guān)，在轉(zhuǎn)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(shù)器得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，進(jìn)而通過計算得到目標(biāo)物的轉(zhuǎn)速[5]。

通過LabVIEW對采集到的脈沖數(shù)進(jìn)行分析，得到關(guān)于轉(zhuǎn)速的相關(guān)參數(shù)，然后對兩個相互聯(lián)系的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯上的比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩個參數(shù)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系與正常情況下的不同時，則可以判斷設(shè)備產(chǎn)生的相應(yīng)的故障。

2.3 基于溫度信號的診斷原理

機(jī)械設(shè)備的溫度特性也是設(shè)備的一大重要特性，因此對機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件的溫度監(jiān)測，可以用來輔助診斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。目前，工業(yè)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(dǎo)體集成式，其中，熱電偶式溫度傳感器應(yīng)用最廣泛。LabVIEW可通過熱電偶式溫度傳感器采集到設(shè)備的溫度信息，通過對采集到的各溫度值與預(yù)設(shè)溫度范圍進(jìn)行對比，可判斷出設(shè)備是否運(yùn)行正常及設(shè)備的故障點所在。

2.4 基于應(yīng)變信號的診斷原理

煤礦設(shè)備由于長期處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不可避免地會導(dǎo)致其關(guān)鍵承力部件發(fā)生一定的變形，但機(jī)械材料的變形都是有一定限度的，當(dāng)超過一定限度之后其變形將不可恢復(fù)，因此需要對易變形部件進(jìn)行實時監(jiān)測。

LabVIEW通過采集電阻應(yīng)變片的電阻信息，經(jīng)計算可得出此零部件的應(yīng)變量，然后將此應(yīng)變量與預(yù)設(shè)的應(yīng)變范圍進(jìn)行對比，可診斷出此零部件是否出現(xiàn)或即將出現(xiàn)故障。

3 故障診斷系統(tǒng)的組成

基于LabVIEW的煤礦設(shè)備故障診斷系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集器和接口設(shè)備組成。傳感器是采集相關(guān)信號的關(guān)鍵部件，可采集溫度、壓力等信號；數(shù)據(jù)采集器的作用是快速準(zhǔn)確地將傳感器得到的信號存入數(shù)據(jù)庫中，防止數(shù)據(jù)的丟失，同時可加快數(shù)據(jù)的分析速度；接口設(shè)備主要用來連接傳感器和數(shù)據(jù)采集器，以有效快速地傳送信號數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

軟件部分是基于Windows操作系統(tǒng)中LabVIEW平臺而編寫的程序。軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示四個模塊組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 基于LabVIEW的煤礦設(shè)備故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 基于LabVIEW的煤礦設(shè)備故障診斷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

4 LabVIEW在礦井提升設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)中的主要設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況直接影響到煤礦的生產(chǎn)安全[6]。礦井提升設(shè)備故障診斷系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理等部分組成。根據(jù)礦井提升設(shè)備的運(yùn)行特性，設(shè)置診斷系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象為電動機(jī)、減速器和滾筒，其主要監(jiān)測對象和內(nèi)容如表1所示。

表1 監(jiān)測對象和內(nèi)容

根據(jù)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(jù)其具體要求和相關(guān)參數(shù)選取合適的數(shù)據(jù)采集模塊來完成信號數(shù)據(jù)的采集。

軟件部分采用LabVIEW平臺進(jìn)行程序編寫，其中每個監(jiān)測點的溫度和振動信號處都設(shè)置有顯示燈，當(dāng)檢測值在正常范圍內(nèi)時顯示燈為綠色，當(dāng)檢測值超出正常范圍時顯示燈為紅色，系統(tǒng)產(chǎn)生報警并進(jìn)行記錄。系統(tǒng)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(jié)論

圖3 診斷系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)。

圖4 診斷系統(tǒng)主界面

2）將LabVIEW應(yīng)用在煤礦設(shè)備的故障診斷上，通過信號數(shù)據(jù)的采集和分析，對煤礦機(jī)械的零部件進(jìn)行合理的診斷，最終得到煤礦設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果；檢測成本低、效率高，具有很大的發(fā)展前景。