基于NI CompactRIO 智能监控系统设计与实现

时间：2024-07-28

王新孟

（南京铁道职业技术学院江苏南京 210000）

0 引言

提升机是一种主要用于物料垂直或斜向提升的装置，广泛应用于矿山、化工、建材、冶金和粮食等行业，提升机的工作原理是通过输送链轮和链条的运动来带动料斗垂直或倾斜地上下运动，从而实现物料的垂直或斜向提升。本文以矿井提升机为应用案例，设计一套智能监控系统。

矿井提升机是安装在地面或井下，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。矿用提升系统是煤矿生产作业重要的系统之一，它能否安全、可靠地工作直接关乎整个煤矿的安全生产和井下作业人员的生命安全，被誉为井下、井上的咽喉。由于提升机制动闸瓦磨损、提升绳绳径与绳槽不配套、液压油温过高以及工况环境影响等原因，提升系统容易发生故障。同时，煤矿提升监控系统普遍采用单片机，存在容易受到干扰、运行速率低等问题。本系统主要监控提升系统动态性能及运行状态，针对目前提升系统运行过程稳定性差、监控难的问题提出新的解决方案，建立并完善基于NI CompactRIO 的矿井提升机智能监控系统，提高提升系统运行的可靠性。

1 矿用提升系统

矿用提升系统一般用钢丝绳带动井筒内容器升降，完成输送物料和人员的任务。以开挖井筒提升系统为例，其主要由绞车、吊桶、吊盘、提升绳、悬吊绳、稳绳、吊盘提升天轮、吊桶提升天轮等构成［1］。

2 监控系统设计

本系统利用NI 公司的CompactRIO 嵌入式平台与实验室虚拟仪器工程平台（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）虚拟仪器设计语言组合开发出一套基于数据采集、信号处理分析、运行状态实时显示与仿真、网络发布、故障诊断并自动报警控制的系统。通过该系统可对提升机各种性能参数以及位置参数进行监测并对重大故障进行自应变处理，实现矿井提升系统的智能化改造。系统架构见图1。

图1 系统架构框图

2.1 硬件模块

CompactRIO 配置硬件包括模拟输入（artificial intelligence， AI）模块 NI9215、模拟输出（application objects， AO）模块NI9263，TTL 数字输入／输出模块NI9403。传感器包括速度传感器、油温油压传感器、位移传感器、电流传感器等。控制器主要是变频器、继电器等［2］。

2.2 软件设计

系统软件包含上、下位机两部分，之间采用以太网通信协议。下位机是利用嵌入 CompactRIO 平台的LABVIEW Real-Time VI 进行数据采集处理和输出控制。上位机是通过LabVIEW 开发软件设计的监控系统，采用模块化设计，主要包括登录模块、参数设置模块、提升系统模块等，具体如图2 所示，实现状态监测、故障诊断、数据存储及查询等功能。

图2 系统软件结构图

软件用户分为管理员和普通用户，管理员具有更多的设置权限，首次登录后会默认进入参数设置模块，设置采样参数和监控参数阈值等。系统进入监测运行状态后，会根据预设判断模型对参数异常情况发出预警并进行故障诊断，对一些特定情况会自动做出保护动作，系统程序流程图如图3 所示。

图3 系统程序流程图

3 监控系统功能实现

3.1 系统功能要求

监控系统主要实现以下功能：

（1）利用NI CompactRIO 实现提升系统信号的实时采集显示，并能够对提升速度进行控制。利用LabVIEW 平台实现提升系统吊桶姿态、液压安全系统、提升速度动态显示，同时能够对提升速度进行矫正控制，保障提升系统安全运行。

（2）基于LabVIEW 的网络发布。利用LabVIEW 的互联网服务器进行网络发布，利于监控数据的交流分析并实现远程监控。

（3）故障诊断并自动报警。通过对采集数据的分析处理，判断运行状态进行故障诊断并自动报警控制，使提升系统更加稳定。

3.2 主要功能实现

3.2.1 主界面监控数据和吊桶姿态显示

在主监控界面中，实时显示提升系统的液压站油压、温度和吊桶的速度、深度，如图4 所示。

图4 监控系统主界面

在交流电机的联动轴上安装旋转编码器，旋转编码器输出相位相差90。的A、B 两路脉冲，通过脉冲信号计算转速，进而求出吊桶的提升速度。

综上所述，随着社会经济的快速发展，对电力工程提出了越来越高质量与安全要求，因此，电力企业要提高对电力工程质量与安全的控制力度。在电力工程质量与安全控制的过程中，首先要做好施工方案及安全技术的检查指导工作，保证施工设计方案具有较强的科学性与合理性；其次，强化工程建设人员的质量与安全意识，使相关施工人员在整个施工过程中保持较强的安全意识以及认真的工作态度；最后，健全施工安全管理制度，真正做到安全施工。

利用LabVIEW 图形函数动画模拟吊桶、吊盘以及电机的位置和方向，方便工作人员直接监控。

3.2.2 提升速度显示与调控

在此功能界面用波形图绘出标准速度图，同时实时显示电机转速和吊桶运行曲线图，方便对各提升阶段的速度与加速度变化进行监测与比较，并将控制参数反馈至变频器控制电机，实现对提升速度的调控，进一步保障安全运行，如图5 所示。

图5 提升速度监控界面

提升系统电机提升过程可以分为6 个阶段，分别为初加速阶段、主加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段和停车阶段，煤矿作业安全规程对每阶段的速度与加速度有明确规定，以保障提升系统安全。

根据运行参数采用光离子化检测器（photoionization detector， PID）自适应算法，通过NI 主控制器驱动变频器，自动进行电机控制，实现无级调速，提升电机运行的平稳性和安全性，如图6 所示。期间若提升速度超出设定阈值或有其他故障，系统会执行预定程序，使提升机自动停机，确保安全。

图6 PID 自适应控制程序

3.2.3 液压系统监控

液压站与闸瓦共同作用实现对提升机的制动和松闸。油压、油温及闸瓦间隙都是影响制动安全的重要因素。利用图形仿真可以模拟出液压站工作状态以及闸瓦开启闭合状态，配合数字显示，实时显示油压、油温的参数变化及油泵、阀门、油路开闭情况，便于观察分析，并能及时对危险情况做出预警。如图7 所示。 ①液压站油压监测。需要在电磁换向阀的出口处通过螺纹连接一个压力传感器来实现液压站油压动态监测。油温的监视可将温度传感器安装在制动液压站油箱内。测量的油压、油温数据与设定的正常工作油压、油温比较，如果发现温度和压力异常，系统发出报警信号。 ②闸瓦的间隙测量。用电涡流传感器来测量闸瓦间隙，并记录每次磨损量ΔX，每次停机时计算∑ΔX，当超过一定值时系统发出报警信号。同时间隙不能太大，否则影响制动反应时间［3］。

图7 液压系统监控界面

3.2.4 故障诊断

如图8 所示，故障诊断是通过监测提升系统运行特征参数，包括振幅、位移、频率、电压、电流等，滤波处理后进行频域分析、时频分析，对比故障特征信号数据库，提前判断提升系统健康状况及其他安全隐患，从而及早采取相应的措施或有针对性、防范性地检修，避免安全事故和经济损失［4］。

图8 故障诊断界面

首先利用速度传感器检测电动机、减速器和滚筒基座水平和垂直方向的振动信号，然后根据数据采集卡进行数据采集，利用LabVIEW 中的分析函数和功能模块对特征信号值进行数字滤波以及进一步的分析处理，最后实现提升机的健康诊断。本系统可以对吊桶、电动机和减速器等进行故障分析，找出故障原因并记录结果。

3.2.5 互联网络发布

实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）的互联网服务器支持标准的超文本传输协议（hyper text transfer protocol，HTTP）。 DataSocket 是LabVIEW 网络编程的核心技术，它支持多种通信协议，采用类似WWW 浏览器定位资源的方法，通过统一资源标示符（uniform resource locator，URL）能够确定网络资源的唯一地址和遵循的通信协议。通过内置Monitor 和snap 函数可以便捷地在网络发布正在运行的VIs 前面板图。使用LabVIEW 搭建互联网服务器，可以充分发挥LabVIEW 计算能力强、开发简单的特点，特别适合测控领域云平台的建设。

首先进入LabVIEW 开发环境，点击主菜单“工具-＞选项”，在设置对话框中选择“互联网服务器：配置”进行网络配置。然后进入前面板菜单“工具-＞互联网发布工具”选择发布的VI，并保存至本地磁盘，此时本地或局域网内可以访问发布的VI。利用互联网发布工具，其他用户也可以通过互联网浏览器访问本机网页［5］。

3.2.6 系统数据库

LabVIEW 封装了由NI 公司开发的数据库连接工具，可以使用ADO 操作数据库。建立数据库并连接好后，调用ADO 封装函数可以便捷地创建表、删除表、插入记录、删除记录等。数据库记录系统的整个操作记录，保存运行数据以便事后查询。数据库查询类型包含单个查询、组合查询、时间控件查询，支持模糊查询搜索。数据被集中在一个服务器中，通过统一的文件系统，可实现有组织的数据控制，同时任何有权限的用户可以存储、提取数据库中的内容。