基于LabVIEW和PLC的電鏟電機參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

葛文超，段 云，王博楠，胥 維

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

露天采礦作業(yè)主要包括穿孔、爆破、鏟裝、運輸，爆破效果的優(yōu)劣在很大程度上影響著后續(xù)鏟裝、運輸效率，進而造成總體成本變動，這已成為國內(nèi)外礦山業(yè)界的共識[1]。為了優(yōu)化爆破工藝，需要對爆破質(zhì)量進行定量評價，作為露天開采主要設(shè)備，電鏟能直接感知到所鏟裝爆堆的真實情況，電機的電壓、電流、能耗等參數(shù)能在一定程度上反映爆堆挖掘難易程度，進而間接反映爆堆破碎效果優(yōu)劣情況，因此可以通過監(jiān)測電機參數(shù)來評價爆破效果的好壞，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。KHORZOUGHI[2]通過對電鏟鏟裝過程能耗進行估算，評估爆堆可挖掘性。RASULI[3]通過監(jiān)測電鏟提升、回轉(zhuǎn)及推壓電機的電流，建立動態(tài)載荷監(jiān)測系統(tǒng)，為評估爆堆可挖掘性提供數(shù)據(jù)支持。但是，由于大部分露天礦區(qū)環(huán)境惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善、電鏟設(shè)備陳舊等，多數(shù)電鏟電機參數(shù)還未能實現(xiàn)有效監(jiān)測。

針對國內(nèi)多數(shù)露天礦山電鏟還未實現(xiàn)實時監(jiān)測的難題，本文開發(fā)研究一套基于LabVIEW和PLC的電鏟電機參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器和PLC采集各電機的電壓/電流數(shù)據(jù)，分析處理上傳至上位機，上位機選擇圖形化編程軟件LabVIEW實現(xiàn)電鏟電機參數(shù)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲等功能，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，用戶可訪問客戶端實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

電鏟電機監(jiān)測系統(tǒng)選擇太原重工設(shè)計生產(chǎn)的WK-35型電鏟，電鏟挖掘作業(yè)主要由提升、推壓、回轉(zhuǎn)以及行走機構(gòu)完成，根據(jù)電鏟工作特性，構(gòu)建的電鏟電機參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示，采集端主要由傳感器、PLC、車載終端構(gòu)成。電壓/電流傳感器感知電鏟電機電壓、電流信號并將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA直流電流信號，PLC檢測傳感器模擬量數(shù)據(jù)，完成A/D轉(zhuǎn)換后通過串口通信電路傳輸至上位機車載終端，在LabVIEW開發(fā)平臺上通過編寫數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)顯示與處理程序?qū)崿F(xiàn)電機運行參數(shù)的實時監(jiān)測，同時將采集端獲得的電壓/電流數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，并通過客戶端實現(xiàn)電鏟電機參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of remote monitoring system

2 系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)選擇提升電機、推壓電機、回轉(zhuǎn)電機、左行走電機以及右行走電機的電壓和電流值，共計10路模擬信號，電鏟各機構(gòu)電機參數(shù)信息如表1所示。

表1 WK-35電鏟電機參數(shù)信息

2.1 電壓傳感器

根據(jù)表1電機參數(shù)信息，電鏟電機額定電壓均為690 V，本文選用美控MIK-DJU-800 V接線式交流電壓變送器，如圖2所示，其電壓測量范圍為0～800 V，輸出4～20 mA直流電流，該傳感器可將正弦或畸形交流電壓轉(zhuǎn)換成獨立于負(fù)載且與測量值成比例的直流電流信號，符合電磁兼容(emc)和安全性的技術(shù)要求和規(guī)范，滿足本系統(tǒng)需求。

圖2 電壓傳感器實物圖Fig.2 Physical picture of voltage sensor

2.2 電流傳感器

電鏟最大額定電流經(jīng)計算約為680 A，本文選用美控MIK-DJI-1000 A開環(huán)直測式霍爾電流變送器，如圖3所示，其量程為0～1 000 A，輸出4～20 mA直流電流，該傳感器采用閉環(huán)零磁通磁平衡式原理，具有精度高、線性度好、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點，滿足系統(tǒng)需求。

圖3 電流傳感器實物圖Fig.3 Physical picture of current sensor

2.3 PLC控制器及相應(yīng)模塊[4]

系統(tǒng)選用三菱FX5UC-32MT/D型PLC控制器及對應(yīng)模塊，如圖4所示。FX5UC系列是三菱公司推出的新一代可編程控制器，其CPU模塊包含16個輸入、輸出點數(shù)，自帶以太網(wǎng)和RS-485端口；A/D模塊選擇FX5-4AD-ADP，該模塊包含4個模擬輸入通道，為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)采集需求，需要至少3個A/D模塊，當(dāng)A/D模塊輸入4～20 mA電流時，對應(yīng)數(shù)字量輸出值為0～12 800，分辨率為1.25 μA；通信模塊選擇FX5-232ADP，該模塊支持MELSOFT連接、MC協(xié)議以及Modbus RTU通信。

圖4 PLC及相應(yīng)模塊Fig.4 PLC and corresponding module

2.4 車載終端

考慮到電鏟現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，本文選用新漢VMC-3000工業(yè)計算機作為車載終端，如圖5所示。該車載終端基于Intel? AtomTMD2550處理器，內(nèi)置GPS接收器，支持藍(lán)牙、Wi-Fi、4G擴展，可接收、顯示、傳輸采集端信息。另外該終端設(shè)備集成IP65等級外殼，專為重型車輛設(shè)計，可在極嚴(yán)苛的環(huán)境下提供絕對的防水、防塵保護，前面板可有效阻止外部源以防錯誤觸摸，工作效率和安全性都能得到保障，滿足現(xiàn)場試驗要求。

圖5 車載終端Fig.5 Vehicle terminal

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖6所示，主要包括如下步驟：1)PLC初始化，設(shè)定A/D模塊相關(guān)參數(shù)；2)A/D模塊從傳感器獲取數(shù)據(jù)，完成A/D轉(zhuǎn)換后存儲在數(shù)據(jù)寄存器中；3)通過串口通信協(xié)議Modbus RTU實現(xiàn)PLC和上位機軟件LabVIEW的通信，LabVIEW讀取PLC寄存器數(shù)據(jù)；4)電壓/電流數(shù)據(jù)通過前面板顯示并保存；5)將各數(shù)據(jù)打包為單個數(shù)組，通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；6)編寫客戶端軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖6 軟件設(shè)計流程圖Fig.6 Software design flow chart

3.1 PLC程序設(shè)計

三菱PLC對應(yīng)編程軟件為GX Works3仿真軟件，該軟件是由三菱公司推出的綜合PLC編程軟件，是專用于PLC設(shè)計、調(diào)試及維護的編程工具，與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，功能及操作性能有所提高，使用更加方便[5]。

以FX5-4AD-ADP模塊通道1為例，通過查詢得知A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志對應(yīng)繼電器為SM6300，數(shù)字輸出值對應(yīng)特殊寄存器為SD6300，其它通道對應(yīng)繼電器和寄存器同理可查詢，編寫采集程序如圖7所示。根據(jù)傳感器輸出范圍，將A/D模塊輸入范圍設(shè)置為4～20 mA，采集得到的數(shù)字量值存儲在D0、D1、D2、D3等數(shù)據(jù)寄存器中，等待查詢。

圖7 PLC采集程序Fig.7 PLC acquisition program

3.2 通信協(xié)議

串口通信協(xié)議選擇Modbus RTU模式，在消息中每個8 bit字節(jié)包含兩個4 bit的十六進制字符，Modbus RTU模式的主要優(yōu)點是：在相同波特率下，可比ASCII方式傳送更多數(shù)據(jù)[6]。該協(xié)議使用主-從通信方式，即主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送請求，從設(shè)備分析并處理主設(shè)備的請求，然后向主設(shè)備發(fā)送結(jié)果，如果過程中出現(xiàn)任何差錯，從設(shè)備將返回一個異常功能碼[7]。在本系統(tǒng)中，主設(shè)備為車載終端，從設(shè)備為三菱PLC，讀取寄存器的功能代碼為03H，在讀取數(shù)據(jù)時主站請求報文如表2所示，從站應(yīng)答報文如表3所示。

通信協(xié)議中CRC(冗余循環(huán)校驗碼)含2個字節(jié)，即16位二進制數(shù)。CRC碼由發(fā)送設(shè)備計算，放置于所發(fā)送信息幀的末端，接收設(shè)備再重新計算接收信息的CRC，比較計算得到的CRC與接收到的CRC，如果兩者不相符，則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸出錯。

3.3 LabVIEW程序設(shè)計

上位機監(jiān)測軟件采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)，LabVIEW設(shè)計起初主要用于實驗室測控環(huán)境，目前在開發(fā)信號采集、過程控制、儀器檢測、儀器控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，與Visual C++、Visual Basic、MATLAB等編程工具相比，LabVIEW基于G語言，上手快，操作方便；用戶可根據(jù)自身需求自定義操作界面，且其性能由計算機配置決定，不受儀器廠商限制；可實時、直接對數(shù)據(jù)編輯；多線程技術(shù)可同時運行多個任務(wù)模塊，適合對現(xiàn)場設(shè)備進行實時監(jiān)測[8-9]。本文選擇LabVIEW軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、顯示存儲、實時上傳云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫以及客戶端遠(yuǎn)程訪問功能。

3.3.1 數(shù)據(jù)讀取與處理

如圖8所示，程序通過調(diào)用LabVIEW中VISA配置函數(shù)對串口進行初始化設(shè)置，除串口號均選用默認(rèn)值：波特率選擇9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，串口號選擇COM3。系統(tǒng)運行時，PLC經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)幀通過RS-232串口傳輸至上位機，按照上位機和下位機之間的通信協(xié)議，VISA讀取函數(shù)每次讀取PLC傳輸?shù)墓潭ㄗ止?jié)數(shù)據(jù)，通過截取字符串函數(shù)及數(shù)值/字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)將輸入字符串轉(zhuǎn)換為所需數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成后根據(jù)比例關(guān)系計算得到真實電壓/電流值。

圖8 數(shù)據(jù)讀取與處理程序框圖Fig.8 Block diagram of data reading and processing program

3.3.2 數(shù)據(jù)顯示與保存

數(shù)據(jù)顯示與保存程序主要是將采集處理后的電壓和電流值等參數(shù)實時顯示并保存。程序通過創(chuàng)建局部變量實時顯示各電機數(shù)據(jù)，并以時間點為文件名將數(shù)據(jù)保存為csv格式，使用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)顯示與保存程序見圖9。

圖9 數(shù)據(jù)顯示與保存程序框圖Fig.9 Program block diagram of data display and storage

3.3.3 服務(wù)器端程序

為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，需將電鏟電壓/電流數(shù)據(jù)實時上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器功能主要是接收、解析采集終端上傳的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。本文選擇TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，使用LabVIEW編寫的服務(wù)器端程序框圖如圖10所示，程序界面如圖11所示，該程序通過監(jiān)聽對應(yīng)端口，接收采集端上傳數(shù)據(jù)并解析，同時顯示采集終端設(shè)備的IP地址、端口號以及上下線時間。

圖10 服務(wù)器端程序框圖Fig.10 Server side program block diagram

圖11 服務(wù)器端軟件界面Fig.11 Server side software interface

該程序依據(jù)性能為主、展示為輔的設(shè)計理念，軟件界面設(shè)計相對簡單，大部分顯示與操作功能未顯示在軟件界面上，大大減少了前臺數(shù)據(jù)分析的工作，將系統(tǒng)資源主要用于數(shù)據(jù)通信過程，確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。

3.3.4 客戶端程序

基于C/S模式的客戶端軟件采用LabVIEW編寫，通過生成EXE文件和對應(yīng)的安裝包文件，可以在沒有LabVIEW的Windows環(huán)境中運行，該軟件是針對電鏟遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)編寫的專用軟件，主要用于監(jiān)測、顯示、查詢電鏟電機運行參數(shù)，支持多臺終端同時查看監(jiān)測信息。該軟件的主要功能：1)用戶登錄信息管理；2)電鏟電機運行參數(shù)獲取；3)電機歷史運行參數(shù)獲取?？蛻舳顺绦蛑鹘缑嫒鐖D12所示。

圖12 客戶端程序主界面Fig.12 Main interface of client program

4 現(xiàn)場試驗

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，選擇在德興銅礦銅廠WK-35電鏟上進行現(xiàn)場試驗，圖13為現(xiàn)場硬件設(shè)備安裝圖，對電壓/電流等數(shù)據(jù)進行采集，將傳感器、PLC、電源通過導(dǎo)軌固定。圖14為上位機終端安裝位置，上位機終端通過萬向球頭支架固定，起到防震作用。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，能夠滿足系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)需求，設(shè)計合理，具有良好的可移植性和穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖13 硬件設(shè)備安裝圖Fig.13 Installation diagram of hardware equipment

5 結(jié)論

利用LabVIEW和PLC作為主要軟/硬件，將測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)電鏟電機參數(shù)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。目前該系統(tǒng)已成功部署在江西德興銅礦銅廠18#WK-35電鏟上，通過6個月的現(xiàn)場測試，該監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測電鏟電機電壓、電流運行參數(shù)，人機界面友好，具有較強的實用性和可靠性，該系統(tǒng)為實現(xiàn)數(shù)字化、智能化礦山提供一定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為其他型號電鏟電機監(jiān)測乃至其他工作參數(shù)的監(jiān)測提供可借鑒經(jīng)驗。