基于cRIO的嵌入式煤礦電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

徐志祥 曹冰冰 牛小剛 李春秋 張海 王春雨

摘要：為了解決煤礦電機運行狀態(tài)缺乏有效遠程監(jiān)測的問題，利用NI cRI0 9040工業(yè)級嵌入式控制器以及開發(fā)軟件平臺LABview設(shè)計了一種基于cRIO的嵌入式煤礦電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)。全面介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計以及各項功能模塊，使用NI cRIO 9040嵌入式控制器搭配NIC系列數(shù)據(jù)采集模塊搭建煤礦電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集硬件電路，通過LABview開發(fā)平臺開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)測煤礦電機的運行狀態(tài)參數(shù)，為后續(xù)的煤礦電機運行狀態(tài)的分析與故障診斷提供了數(shù)據(jù)支持，具有很強的實用性?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠很好地采集、傳輸煤礦電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在上位機與云服務(wù)器上能夠及時準確地接收到采集的電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對煤礦電機運行狀態(tài)的遠程不間斷監(jiān)測，解決了煤礦電機運行狀態(tài)難以有效遠程監(jiān)測的難題，滿足了遠程實時監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞：cRIO嵌入式控制器;煤礦電機;運行狀態(tài);遠程監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TD676

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0035-04

0 引言

隨著能源需求的不斷擴大以及煤礦井下設(shè)備機械化水平的不斷提高，作為煤礦開采設(shè)備動力來源的煤礦電機在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。若煤礦電機在運行過程中出現(xiàn)故障，不僅可能整臺設(shè)備損壞，甚至可能給工作人員的生命安全帶來嚴重威脅，因此實現(xiàn)電機工作狀態(tài)的實時監(jiān)測非常重要。實時監(jiān)測電機工作狀態(tài)，能夠減少不必要的損失，保障設(shè)備安全可靠運行[2-3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得電機運行狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷技術(shù)有了很大的進步。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使電機維護由故障后維修向故障前預(yù)警發(fā)展[4]。cRIO即NICompactRIO控制器，是NI公司的一款配置靈活，功能強大的高性能嵌入式控制器，其可搭配NIC系列I/O模塊，完成數(shù)據(jù)采集功能。cRIO外殼堅固、體積小、工作溫度范圍廣、能耗低、能夠在嚴酷惡劣的工業(yè)環(huán)境下提供控制和采集功能。利用cRIO強大的功能和性能可以實現(xiàn)多種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。鑒于此，本文基于cRIO嵌入式控制器設(shè)計一種煤礦電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有可靠性高、實時性好、體積小等優(yōu)點，能夠在煤礦電機工作的嚴酷惡劣環(huán)境下實時可靠地采集、保存煤礦電機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機與云服務(wù)器。利用該系統(tǒng)可以遠程不間斷地監(jiān)測到煤礦電機的運行狀態(tài)，保障煤礦電機設(shè)備安全可靠運行，減少不必要的損失，解決煤礦電機缺乏有效遠程實時監(jiān)測的難題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

根據(jù)煤礦電機運行特點，基于cRIO的嵌入式煤礦電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)CB/T1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，設(shè)定監(jiān)測的電機運行狀態(tài)參數(shù)有電壓、電流、溫度、軸承轉(zhuǎn)速以及軸承振動信號。

系統(tǒng)主要從電機狀態(tài)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)通信、電機軸承振動信號時頻域分析和數(shù)據(jù)存儲等方面進行設(shè)計，總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)硬件部分主要由嵌入式控制器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等組成。通過煤礦電機周圍部署的傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡采集設(shè)定監(jiān)測的電機的運行狀態(tài)參數(shù)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分首先采集設(shè)定監(jiān)測的電機運行狀態(tài)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲在嵌入式控制器的SD卡中，同時采集的數(shù)據(jù)利用光纖實時的上傳至上位機，在上位機對振動信號做時頻域分析。同時上位機傳輸數(shù)據(jù)至云服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件選型

2.1 傳感器

本系統(tǒng)設(shè)定監(jiān)測的電機運行狀態(tài)參數(shù)包括電壓、電流、溫度、軸承轉(zhuǎn)速以及軸承振動信號。為了采集上述參數(shù)，選擇以下5種傳感器。

（1）交流電流變送器。能夠直接將被測交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的直流電流。輸出為4-20 mA標準信號，具有可靠性高、安裝簡便等優(yōu)點。

（2）交流電壓變送器。用于電壓信號的采集，其廣泛應(yīng)用在郵電、煤炭、冶金等領(lǐng)域。工作溫度范圍在-25-85℃內(nèi)，輸出準確度高，可靠性高。

（3）熱電阻式溫度傳感器。目前應(yīng)用較多的溫度傳感器有熱電偶、紅外溫度傳感器和熱電阻。在工業(yè)測溫中熱電偶一般用于高溫測量。紅外溫度傳感器測量結(jié)果會受到環(huán)境的影響。Ptl00是金屬熱電阻式的一種，工作原理簡單，測量準確度高、范圍大、穩(wěn)定性好，且體積較小[5]。因此本系統(tǒng)設(shè)計中，采用三線制的Ptl00來進行溫度測量。

（4）光電開關(guān)。軸承轉(zhuǎn)速的測量采用常閉漫反射型光電開關(guān)，其發(fā)射器和接收器一體化裝配，節(jié)約空間，檢測效果穩(wěn)定。

（5） IEPE型壓電式加速度傳感器。IEPE型壓電式加速度傳感器中集成了靈敏的電子元件，測量信號質(zhì)量好，噪聲小，抗干擾能力強。

2.2 嵌入式控制器

煤礦電機通常工作在粉塵含量較高、濕度較大且光線較弱的礦井下，工作環(huán)境惡劣，工作空間有限，并且本系統(tǒng)需要采集電機運行中的多種狀態(tài)參數(shù)且振動信號數(shù)據(jù)量大，所以為保證系統(tǒng)的實時性，需選用一款具有高速、低功耗、高性能、高可靠性、體積小等特點的嵌入式控制器。

數(shù)據(jù)采集平臺選取了NI公司生產(chǎn)的cRIO 9053工業(yè)級嵌入式控制器，有1CB DRAM內(nèi)存和4 CB非易失存儲，可在-20-55℃范圍內(nèi)正常工作，具有一個10/100/1 000 MB/s以太網(wǎng)端口，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的編程通信，具有高速處理能力。選用該控制器能夠完成在礦井等惡劣環(huán)境下的控制與采集功能，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

本設(shè)計依據(jù)所需傳感器類型以及傳感器的輸出信號選用了NI公司的以下4款數(shù)據(jù)采集卡。

（1） N19203。NI 9203為具有8個模擬電流輸入通道的C系列電流輸入模塊，用來采集電流和電壓信號，-40-70℃的工作溫度范圍，16位分辨率以及200kS/s的最大采樣率。

（2） N19216。RTD模擬輸入C系列模塊有8條通道和24位分辨率，該模塊可通過熱電阻式溫度傳感器測量溫度信號，精度誤差低于+1.0℃。

（3） NI9421。8通道漏極數(shù)字輸入模塊最大更新速率為100μs，其安裝在控制器的插槽內(nèi)，可以配合轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速。

（4） N19230。3通道C系列動態(tài)信號采集模塊可以通過壓電式加速度傳感器高精度采集振動信號，采樣率為12.8 kS/s/ch。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文主要對整個系統(tǒng)軟件設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、報警管理以及振動信號時頻域分析等5個模塊進行詳細設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

高準確性的數(shù)據(jù)采集是進行煤礦電機遠程監(jiān)測的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集程序主要完成數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集，通過對信號采集通道、采樣頻率、采樣點數(shù)等方面的設(shè)置完成數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集方面利用了LabVIEW實時控制模塊中的實時（ NI-DAQmx）模式，在該模式下利用LabVIEW對電流、電壓以及軸承振動信號進行采集，根據(jù)香農(nóng)定理，信號采集時采樣頻率至少為所采樣信號頻率的兩倍[6]。部分數(shù)據(jù)采集程序如圖2所示。

對于轉(zhuǎn)速與溫度信號的采集，程序設(shè)計方面利用LabVIEW實時控制模塊中的實時掃描（I/O變量）模式。轉(zhuǎn)速信號采集時，光電開關(guān)的輸出信號近似為頻率一定的方波，采集到的是脈沖值，Is內(nèi)方波的個數(shù)為方波的頻率，，通過頻率可計算出軸承的轉(zhuǎn)速n：

n= 60f

在數(shù)據(jù)采集軟件部分使用了生產(chǎn)者消費者模型，其中生產(chǎn)者循環(huán)中完成對數(shù)據(jù)的采集，消費者循環(huán)中完成將數(shù)據(jù)存儲在控制器SD卡并上傳至上位機。運用該模型能保證采集到的數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)的丟失。

3.2 數(shù)據(jù)通訊模塊

為了便于后續(xù)對電機狀態(tài)的遠程監(jiān)測與故障診斷，需要將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器與上位機，上傳云服務(wù)器有利于遠程隨時隨地監(jiān)測電機狀態(tài)，并為之后的電機狀態(tài)的診斷提供數(shù)據(jù)支持。上傳上位機，有助于現(xiàn)場的工作人員查看電機狀態(tài)。因此數(shù)據(jù)通信在系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位。

當前，串口通信是一種常用的通信方式，但是其適用于短程數(shù)據(jù)傳輸，不適用于數(shù)據(jù)遠程通訊。TCP/IP協(xié)議是以太網(wǎng)最廣泛的協(xié)議，其實用性和開放性良好，通信可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸準確，通信距離遠，傳輸速率高，因此針對實時性要求高的、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，均采用網(wǎng)線傳輸方式。在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模塊，數(shù)據(jù)終端與上位機之間采用TCP協(xié)議進行通信[7-10]。上位機接收到數(shù)據(jù)后，通過在上位機編寫的人機交互界面，將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)值或者波形的形式顯示。變化較慢的溫度、轉(zhuǎn)速信號依據(jù)數(shù)值顯示，變化較快的電流、電壓以及振動信號通過波形實時顯示。

LabVIEW封裝了基于TCP協(xié)議的各種函數(shù)，利用LabVIEW提供的TCP選板中的函數(shù)能夠方便、簡單地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)利用TCP協(xié)議完成數(shù)據(jù)終端與上位機的通信程序流程如圖3所示。

由于HTTP協(xié)議使用起來比較簡單，通信速度快，允許傳輸任意類型的數(shù)據(jù)對象，節(jié)省傳輸時間。所以上位機與云服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信采用HTTP協(xié)議。因為JSON格式簡單清晰，易于編寫與閱讀，同時也易于機器解析和生成。數(shù)據(jù)傳輸類型選擇了JSON數(shù)據(jù)格式。

3.3 數(shù)據(jù)存儲程序

數(shù)據(jù)存儲是系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，通過存儲的數(shù)據(jù)可以查看電機運行歷史狀況，對比歷史數(shù)據(jù)更有利于發(fā)現(xiàn)電機的故障。設(shè)計一個數(shù)據(jù)存儲模塊存儲實時數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)包括采集的電流、電壓、溫度、軸承轉(zhuǎn)速以及軸承振動信號，數(shù)據(jù)以文本格式存儲在cRIO的SD卡。存儲的數(shù)據(jù)同時包含數(shù)據(jù)采集時間，為了便于查找歷史數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采集時間作為文件名。數(shù)據(jù)存儲模塊程序流程如圖4所示。為了避免數(shù)據(jù)存儲達到SD卡容量限定值而導致容量崩潰，在數(shù)據(jù)存儲模塊使用條件框圖進行判斷，當存儲數(shù)據(jù)達到設(shè)定值時，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定刪除歷史數(shù)據(jù)，避免系統(tǒng)發(fā)生容量崩潰的情況。數(shù)據(jù)存儲模塊程序如圖5所示。

3.4 報警管理功能

上位機接收到cRIO上傳的數(shù)據(jù)，通過報警管理模塊中預(yù)設(shè)的溫度、電流以及電壓報警閾值，完成對以上3種狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。溫度、電流、電壓數(shù)據(jù)達到報警閾值時，系統(tǒng)人機交互界面指示燈的顏色將會由綠變紅，呈紅色顯示，從而對電機的三路線電流、三路線電壓以及溫度進行警示監(jiān)測。

3.5 振動信號時頻域分析

電機軸承振動信號的分析有多種方法，任何一種方法都不具有普遍適用性，因而本系統(tǒng)設(shè)計中將時域分析與頻域分析編寫到系統(tǒng)中，以擴大適用范圍。

時域分析模塊包含時域波形以及時域指標兩部分，時域指標選取了對振動信號分析較為重要指標，包括均值、均方根值、峰值、峭度、峰值因子、波形因子、脈沖因子。當出現(xiàn)故障時，信號的峰值、均方根值等時域指標會有不同程度的增大，通過觀察時域指標的變化以及時域波形的形狀可以初步判定電機軸承是否出現(xiàn)故障。

如圖6-7所示，頻域分析部分包括頻譜圖以及軸承故障特征頻率。利用快速傅里葉變換（FFT）完成振動信號從時域到頻域的變換，得到振動信號頻譜圖，使得觀察電機軸承運行狀態(tài)更為直觀[11-13]。通過頻譜圖與理論計算的故障特征頻率進行對比，查找最接近的頻率，進而判斷出軸承是否出現(xiàn)故障.若出現(xiàn)故障可初步判斷故障部位。在實際應(yīng)用中，譜峰處的頻率不一定等于理論值，這是由于受到軸承尺寸等誤差導致的，所以進行對比時需要在理論值的上下一定范圍內(nèi)尋找與其近似的值來進行判斷。

4 現(xiàn)場測試

為驗證系統(tǒng)的可用性以及可靠性，該監(jiān)測系統(tǒng)已在撫順煤礦電機制造責任有限公司的總裝車間內(nèi)進行了試驗，進行試驗的電機是該公司研制的礦用三相異步電機YBSS2-250。其中，PT100、轉(zhuǎn)速以及振動傳感器安裝在電機內(nèi)部，交流電流變送器、交流電壓變送器、數(shù)據(jù)采集卡、控制器等設(shè)備安裝在電機上改裝的接線盒內(nèi)。由于光纖的損耗低、抗干擾能力強、傳輸更可靠等特點，所以將接線盒內(nèi)的控制器通過網(wǎng)線和光電轉(zhuǎn)換器相連，將輸出的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，利用光纖傳輸數(shù)據(jù)。

測試過程為：（1）啟動該礦用電機，使之空載運行;（2）啟動控制器，采集煤礦電機狀態(tài)參數(shù);（3）利用PC機作為上位機，接收數(shù)據(jù)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器;（4）將交流電流變送器和交流電壓變送器接入現(xiàn)場多功能數(shù)據(jù)采集儀，然后以相同的采樣頻率采集電機運行的電壓和電流數(shù)據(jù)。將PC機顯示的數(shù)據(jù)與多功能數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)PC中顯示的教據(jù)與其基本吻合，PC機中監(jiān)測的電流數(shù)據(jù)如圖8所示。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行正常，監(jiān)測的數(shù)據(jù)真實準確，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦電機運行狀態(tài)的遠程連續(xù)監(jiān)測。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于cRIO的嵌入式煤礦電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時采集電機運行狀態(tài)參數(shù)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實時、準確地傳輸?shù)缴衔粰C與云服務(wù)器。經(jīng)過現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等任務(wù)，能夠滿足對煤礦電機運行狀態(tài)遠程實時監(jiān)測的要求，為電機運行狀態(tài)的分析和故障診斷提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為電機設(shè)備可靠、安全地運行，提供了保障。

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