基于LabVIEW的矿井提升机状态监测与健康诊断系统设计

祁瑞敏，张国栋

（郑州华信学院 机电工程学院，河南 郑州 451100）

矿井提升机是矿山最重要的大型机械设备，是矿井与外界相联接是唯一通道，它具有煤炭提升、人员升降及下放材料等重要作用。因此，对于矿机提升机运行的安全性具有重要意义[1]。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI公司）开发的一种图形化编程语言[2-4]。它能够将一定功能的模块简化为一个图标，这样对于用户而言不仅简单易编程，而且可以大大缩短开发的时间，提高效益。同时，内置有数据采集、测量分析、仪器控制及数据显示模块，能够为控制领域和测量测控行业提供高性能配置[5]。

1 总体设计

该系统的设计包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要实现信号的采集，包括对信号的预处理及类型转化，以便信号能够被计算机软件识别，使数据信息在LabVIEW软件上显示、处理。软件部分的功能是将采集到的数据信息进行处理，并对其进行时域分析、频域分析及相关分析等，获得矿井提升机运行的质量，对其可能出现的故障信息及早处理，排除安全隐患，如图1所示。

图1 健康诊断结构图Fig.1 Health diagnosis chart

1.1 硬件设计

该系统是的硬件部分是以工控机为中心，实现对数据的采集及处理。同时，对硬件的选取要综合通道数、信号采集速率、可靠性、可扩展性、计算机配置等因素进行。根据需要该系统所选择的硬件部分主要有：磁电式速度传感器、振动速度变送器、带CJC电路接线端子排、数据采集卡、工控机及显示器、键盘，硬件构成如图2所示。若设备发生异常通常是振动信号的频带能量会发生变化，所以该系统采用磁电式速度传感器来获得提升机的振动信号，即在提升机的不同部位分别放置传感器。

图2 健康诊断系统硬件构成Fig.2 Health diagnosis system of hardware

综合来看硬件部分实现的功能：首先传感器对提升机的各部位的水平和垂直方向分别放置一个传感器，提取振动信号，然后经变送器将振动信号转化为电流信号，同时由于传感器在获取信号的过程中一些干扰信号的存在，则需要用数据采集卡所自带的带CJC电路的端子排进行滤波处理，并将电流信号转化为直流的电压信号，以备采集卡直接进行数据的采集。

1.2 软件设计

在软件的设计时，首先是准备工作：要在工控机上安装LabVIEW和数据采集卡的驱动程序，在安装数据采集卡的驱动时要正确对各通道的参数进行设定，安装完毕时查看LabVIEW软件的后面板，里面就有数据采集卡相应的功能模块了。其次，对提升机健康诊断系统进行设计，它包括数据采集、信号处理与分析，通过对信号的时域分析、频域分析及相关分析，可以从总体上把握提升机是否存在的运行质量下降的情况，这样易于对系统的早期故障及潜在异常进行监测，确保提升机安全、可靠运行。其流程图如图3所示。

图3 健康诊断系统软件设计Fig.3 Health diagnosis system of software design

2 健康诊断系统应用

2.1 数据采集模块

LabVIEW软件最强大的功能之一就是数据采集，该诊断系统实现对多个通道的连续时间采集，完成对矿井提升机的实时在线监测。某个时刻观察到电动机的振动烈度较大，选取其水平和垂直方向进行分析。在信号采集之前要对采集参数进行设置，采用内部触发的方式，采样模式使用循环缓冲技术，防止数据溢出，这样才能使数据采集连续进行[6]。采样点要足够多，采样频率应符合采样定理：

即采样频率fs必须大于被采样信号最高频率fm的2倍。同时，根据需要对增益进行选择，尽可能还原出原始波形，选取1。数据采集程序如图4所示。

图4 数据采集程序Fig.4 Program of data acquisition

该系统可实现对多个通道连续数据采集，但在数据采集之前必须进行参数设置。由于此时电动机的振动烈度较大，本次试验只选择电机的水平、垂直方向2个通道，触发方式采用内部触发，采样点选取1 000，采样频率选取1 000 bit/s，采用循环模式。另外，采样时工控机内的缓冲时间3 000 s，为了尽可能的反映出原始信号每一个通道的采样长度定义为512，采样类型F表示对电压信号进行采集，如图5所示。

图5 数据采集Fig.5 Data acquisition

2.2 信号分析模块

信号分析是健康诊断最关键的一步，也是较难实现的一阶段。LabVIEW软件可将用户实现的功能比如：对信号的傅里叶变换、功率谱、加窗、滤波等，能够实现对信号的时域分析、频域分析、相关分析[7]。并将这些功能集成为一个图形化的模块，当用户需要时只需拖动相应的图标即可实现，其编程的快速性及易实现性是LabVIEW得以快速发展、应用的主要原因[8]。本系统是通过对信号的频域分析来实现对矿井提升机的健康诊断，即首先对信号进行采集，然后经滤波处理后再进行快速傅里叶变换，通过分析就可实现对提升机的健康诊断，如图6所示。

图6 信号分析程序Fig.6 Program of signal analysis

在对信号的分析之前要对信号进行滤波处理，本文采用的是中值滤波，然后对信号进行傅里叶变换，得到两个通道的幅值谱，如图7所示。可以看出在工频50 Hz的1/2频率分量处较为明显，而且波动较大，尤其是在电动机的水平方向出现了不稳定的现象。

图7 信号分析Fig.7 Signal analysis

可以看出通过波形幅值的变化，了解矿井提升机的运行状况，实现对设备的早期故障诊断。提早发现设备异常，及早采取措施，以免发生意外事故

3 结束语

基于LabVIEW的矿井提升机状态监测与健康诊断系统，能够实现对设备的实时监测，通过对采集的信号进行时域分析和频域分析可以及早发现设备的异常或是存在着运行质量下降的状况，实现了对设备的早期故障诊断。通过实践证明该系统具有可行性、可靠性。

[1]赵翔，李著信，萧德云.故障诊断技术的研究现状与发展趋势[J].机床与液压，2002（4）：3-7.ZHAO Xiang，LI Zhu-xin，XIAO De-yun.Research status and development trend of fault diagnosis[J].Machine Tool&Hydraulic Pressure，2002（4）:3-7.

[2]许童羽，程浩忠，周玉宏，等.基于LabVIEW的配电网谐波在线监测与分析系统[J].继电器，2008，36（1）:63-66 XU Tong-yu，CHENG Hao-zhong，ZHOU Yu-hong，et al.The distribution network harmonic wave about on-line monitoring and analytic system based on LabVIEW[J].Rely，2008，36（1）:63-66.

[3]陈双乾，袁荣湘，苗淑娴.电力系统间谐波检测在LabView平台上的实现与分析[J].陕西电力，2011（9）：19-22.CHENShuang-qian，YUANRong-xiang，MIAOShu-xian.Realization and analysis of interharmonics detection in power systembased on LabViewplatform[J].Shaanxi Electric Power，2011（9）：19-22.

[4]王文龙，赵政社，混平，等.液体火箭发动机地面试车应变数据采集系统研制[J].火箭推进，2011（3）：52-59.WANG Wen-long，ZHAO Zheng-she，HUN Ping，et al.Development of strain parameter acquisition system for liquid rocket engine ground testing[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（3）：52-59.

[5]王永晔，张颖，程璇，等.基于LabVIEW的电滞回线测试系统的开发[J].仪器仪表学报，2006（5）:501-504.WANG Yong-ye，ZHANG Ying，CHENG Xuan，et al.The design of ferroelectric hysteresis loop on system testing[J].Journal of Instrument and Apparatus，2006（5）:501-504.

[6]王鹏，凌俊斌，陈震伟.基于LabVIEW平台开发的一种雷电冲击测量系统[J].高压电器，2010，46（2）:79-82.WANG Peng，LING Jun-bin，CHEN Zhen-wei.Lightning impulse system design based on LabVIEW [J].Highvoltage Apparatus Based on LabVIEW，2010，46（2）:79-82.

[7]王晓，张宝怀.基于LabVIEW的换热器性能试验装置测控系统的开发[J].机械工程学报，2009，45（4）:309-312.WANG Xiao，ZHANG Bao-huai.Design of heat exchanger performance about testing facility，measurement and control system[J].Journal of Mechanical Engineering，2009，45（4）:309-312.

[8]张红梅，代克杰，张建勇.基于LabVIEW的旋转机械远程故障诊断系统研制[J].工业仪表与自动化装置，2004（6）:31-33.ZHANG Hong-mei，DAI Ke-jie，ZHANG Jian-yong.Design of on-linefaultdiagnosisforrotarymachine[J].Industrial Instrument and Automatic Device，2004，6:31-33.