（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的矿井提升机监控系统.pdf

基丁l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 摘要 随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展 方向。本课题运用先进的的虚拟仪器开发平台l a b v i e w7e x p r e s s ，p c i 一6 0 2 4 e 多功能数据采集卡，结合提升机实验装置和传感器，开发了一套基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统。论文详细介绍了系统的硬件构成和软件设计，实现 了对提升容器实时位置、运行速度、提升方向、电枢电流、液压站油压、油 温等参数的动态图形显示和模拟仪表显示，对故障点的多媒体声光报警，及 其各运行参数和状态的数据存储、打印，数据记录的查询等功能。 这是l a b v i e w 在矿井提升机监控方面的尝试。经过反复试验，证明该系统 能够达到设计目标，软件操作简单方便。与传统的提升机监控系统相比具 有很大优越性。 关键词：提升机，虚拟仪器，l a b v i e w ，监控 基丁il a b v l e w 的矿井提升机监控系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n ds o f t w a r e v i r t u a li n s t r u m e n th a sb e c o m e m a i nd i r e c t i o no fm e a s u r e m e n tf i e l d s t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dam i n eh o i s t m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e w ，b ya p p l y i n ga d v a n c e dd e v e l o p i n gp l a t f o r m l a b v i e w7e x p r e s s ，p c i 一6 0 2 4 em u l t i - f u n c t i o n a ld a qb o a r do ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t a lf a c i l i t ya n ds e n s o r s 1 1 1 eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h e s o f t w a r ed e s i g nh a sb e e np r e s e n t e di nd e t a i la n dt h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h ef u n c t i o n a n dp e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a l l y g r a p h i c a l a n ds i m u l a t e d r e p r e s e n t a t i o n o f p a r a m e t e r s ，s u c ha st h er e a l t i m ep o s i t i o no fh o i s t ，v e l o c i t y ，l i f t i n gd i r e c t i o n ， a r m a t u r ee l e c t r i cc u r r e n t ，o i lp r e s s u r ea n do i lt e m p e r a t u r e ，e t c i ta l s oa c h i e v e dt h e f u n c t i o no fm u l t i m e d i aa l a r mi na c c i d e n tp o i n t ，d a t as t o r i n g ，p r i n t i n g ，c o n s u l t i n g ，a n d s oo n i ti sa na t t e m p ta p p l y i n gi nm o n i t o r i n gt h em i n eh o i s tb yl a b v i e w ：a n dh a s b e e np r o v e dt h a tt h i ss y s t e m ，w h i c hi sv e r ys i m p l ea n dc o n v e n i e n c ei no p e r a t i o n ，i s a v a i l a b l ei ne x p e r i m e n t c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lh o i s tm o n i t o r i n gs y s t e m i th a s as t r o n ga d v a n t a g e k e y w o r d s ：h o i s t ，v i s u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w , m o n i t o r i n g y7 7 6 7 9 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工 作及取得的磅究成果。据我所务，除了文中特别加以标洼和致落懿楚 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获褥塞熬壅至太堂或其他教育机构的学位或证书雨使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：磐携 签字日期渺重矿 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞擞堡羔杰堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期闻论文工作的知识产权单 位蕊于安徽理工大学。学校有权保整并惫霪家有关都f 己或枫梅送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 塞擞理王 盍望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者张磐绣 导师签名 签字日期：砸年厂月小 签字日期年月日 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 11 课题背景 第一章绪论 煤炭资源作为一种主要能源，在国民经济中起着非常重要的作用。近年来， 煤炭的价格持续飚升，形成大力开采之势。与此同时，矿井事故也频繁发生， 经济损失巨大，人员伤亡事故非常惨痛。煤矿安全日益成为重中之重，急待加 强。 矿井提升机作为采矿行业的大型机电设备，是煤矿大型设备“四大件”之 一，担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务，素有“矿 井咽喉”之称。提升机运行的安全可靠状况直接影响到煤矿生产人员的生命安 全和矿井的生产能力。我国对矿井提升机的安全问题极为重视，煤矿安全规程 中对矿井提升机的性能参数有明确要求。虽然矿井提升机本身有一些保护措施， 但由于煤矿生产的复杂性、环境的恶劣性和研究的局限性，有些保护未达到预 期效果，致使煤矿生产中仍有不少提升系统的重大人员伤亡和设备损坏事故发 生。据统计，仅二十世纪8 0 年代，对全国1 4 个省4 5 个矿务局1 1 2 个矿井抽样调查， 仅提升系统发生事故1 2 6 起，伤亡2 7 2 人，经济损失达七千万。 当前，我国有一大批老提升设备、机组，其服役已接近或超过其寿命期， 进入“损耗故障期”，故障率增多，而要全部更新，经济负担很重，根本不可 能。如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态，除了在设计计算时合理 选择运行参数外，关键在于对其进行状态监控。对提升机运行的主要参数进行 连续不断的在线监测监控使司乘人员随时了解提升机的运行情况，并在超限 时做出故障报瞀，供司乘人员操作时参考。如提升机过速而造成的过卷、过放 现象，制动器闸瓦的磨损，制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。通过对提升 机各主要参数的监测监控，可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处 理，可以大大减少事故的发生。因此，开发一套简单适用的计算机监控系统是 非常必要的。 1 2 国内外发展现状 鉴于矿井提升机在煤矿的重要作用，国内外对矿井提升系统的工况监测主 要有：提升运行状态的监测：液压制动系统的监测；钢丝绳的监测；电动机 及传动部分的监测等。 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 1 运行状态监测主要包括：提升方向、提升高度、提升速度、提升加减速度、 相对滑动距离，根据提升高度的变化和运行时间，可以计算出提升速度，根 据提升速度的变化和运行时间，可计算出n 减速度。系统需要采集的信号 为丌停车信号、提升高度信号及相对滑速等。 2 液压制动系统的监测：对液压系统的监测有制动盘偏摆度、空动时间、闸瓦 丌贴闸油压、液压站残压、闸瓦间隙和液压油温监测等。采用油压传感器、 电涡流位移传感器构成制动器的监测系统，油压传感器安装在液压站的总液 压回路中，电涡流位移传感器可实现空动时间和闸瓦间隙的检测。 3 钢丝绳的监测主要有：钢丝绳张力的检测，断丝检测、钢丝绳绳径的检测、 钢丝绳润滑的检测。监测的主要方法采用磁监测法。 4 电动机及传动部分监测内容有：工作电压、电流监测，减速器各轴瓦温度、 主轴轴瓦温度监测，电动机负荷瓦、反负荷瓦、电机定子铁芯温度监测，减 速器油压、油温、油质监测，振动监测。电流和电压的测量一般采用交流电 压隔离传感器。其它项主要包括电控系统的状态监测，及各种监测设备的自 检，一般由传感器直接读取，或者由人工定期测量。 国外研制矿井计算机监控系统始于2 0 世纪6 0 年代，在提升机状态监护方面 水平较高。特别是对闸控和速度监控系统等重要保护环节，设计更加合理，有 些环节设置双重保护，如过速保护，过卷保护等。这些保护措施，对提升机的 运行安全都是可靠的保证。以瑞典、德国和法国的为例，其监控情况如下。 以矾山磷矿副井的瑞典a b b 公司的提升机安全保护为例，整个系统是以a b b m a s t e rp i e c e2 0 0 i 为主控计算机，配以彩色监视系统计算机m a s t e rv i e w 8 1 0 i 、电机拖动系统电流环和速度环控制计算机，构成一个网络号为n e tl l 的 计算机网络，实现对整个提升系统的运行控制、状态监测和安全保护。 ( 1 ) 安全保护体系分为设备安全保护和运行安全保护两大部分： 设备安全保护包括：1 高压配电部分：过流速断，过负荷，接地故障，断 路器s f 。气体压力低：2 变压器：温度监测；3 低压配电部分：过流速断，接地 故障 4 可控硅变流器：过流速断，过负荷，按地故障，冷却风压和可控硅度 监视，电源相序保护等；5 电机：温度监测，冷却风压监视，也枢过电流、过 电压监视，励磁电流监测；6 液压制动系统：液压站油位、油压和油温监测， 2 基y - l a b v l e w 的矿井提升机监控系统 油泵电机过负荷保护，制动闸动作监视等。 运行安全保护包括：上下过卷保护；加减速区、全速区的过速保护：全 程的罐笼位置偏差监测和保护：计算机停机和网络通讯故障的监测；力矩失败 监视；电流环、速度环反馈信号监视：停车开关、安全门开关的故障监测：滚 筒反转、钢丝绳打滑监视：制动系统制动力、弹簧弹力测试。 ( 2 ) 系统安全保护信号的分为： 1 报警类，如电源接地故障等； 2 i 类紧急停车保护，其动作于系统紧急停车，即停止可控硅触发，断 丌液压制动系统电源，使制动油迅速泄压而制动，运行安全保护的绝 大部分属于此类，如井筒安全开关、定位开关故障等； 3 1 i 类紧急停车保护，其动作于可控硅变流器风机、电机风机电源跳闸。 此类保护如网络通讯故障、过速、过卷等。 4 1 1 i 类紧急停车保护，其动作于进线高压断路器跳闸，可控硅整流器主 电源断路器跳闸及风机停机和i 类紧急停车保护。此类保护女1 6 k v 高压 断路s f 6 气体压力低、高压过流、过负荷、接地和计算机停止等。 ( 3 ) 全程的过速保护设置以罐笼上升时为例，包括： 1 加速区和全速区的过速保护。在加速区和全速区，计算机总是在监视 着提升机的速度是否超过其过速保护设定值，如果超过就发出过速故 障信号进行i i 类紧急停车保护。 2 自动减速区的过速保护。a b b 提升机在首末端设置了强制自动减速功 能，其自动减速时的速度设定值按公式确定。从而获得整个减速区随 位置变化的与自动减速曲线平行的过速保护曲线。 3 爬行速度区的过速保护。当距终点的距离等于或小于5 m 时，罐笼进入 爬行速度区，只要速度超过设定的速度，就报警并进行i r 类紧急停车 保护。 法国的提升机对于安全保护的设置也非常完善，设计的安全保护有6 0 多种。 按照对提升机的保护作用，分为三个系统。 系统一设置的是属于机械性质的故障保护，系统电路包括液压站故障，制 动控制电路的故障以及速度控制系统的故障等。当这些故障出现时，均对提升 机施加机械的( 制动闸) 或者电气的( 晶闸管逆变制动) 制动力矩，控制提升机紧 急停车，减速度在2 6 m s 以内。 系统二包括提升机监控器，速度控制以及磁场，电枢整流器系统的电气故 障等。这类故障出现时对提升机施加制动力矩，使之紧急停车。 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 系统三包括盘型闸控系统，调零系统，控制电源的接地保护以及电机，变 压器超温保护等。这类故障出现时，提升机不需要紧急停车而只是切除基准速 度信号，让提升机自动减速停车。 德国的a e g 提升机的最大特点是采用了一台全数字式行程控制器和一台机 械式监控器相配合的速度监控系统。机械式行程监控器作为安全控制器，在数 字式行程控制器发生故障时，采用机械式行程控制器，提升机通过这样双重控 制器的控制，使系统的速度和行程控制更为准确可靠。a e c , 提升机系统的数字式 行程控制器，由行程计数器和数字式行程控制器两部分组成。主要作用是为提 升机自动化运行计算和预置速度给定值，完成常规行程控制器系统的所有控制 和监视功能。主要功能是绘制一种包络曲线对提升机的速度进行连续监视，将 包络线与速度实际值不间断地进行比较，其结果作为是否施闸的依据。 我国有一些大型矿井引进了国外的提升系统。但由于国外公司都有技术保 密制度，其核心技术( 如程序等) 无法掌握，在使用、维修和零配件的供应上都 受到限制。而对于大多数的中小型的矿井来说，其系统高昂的价格也是难以承 受的。 自八十年代以来，国内开展了提升系统安全监控的研究工作，全国近十余 家生产厂先后研制了提升机综合后备保护装置，“t j h b - 1 l 型矿井提升机微机后 备保护装置”“k t a u p 系列矿井提升安全监控系统装置”，“w k h b 型微机控制 绞车后备保护装置”，“m 1 2 3 b 提升机综合后备保护仪”等一批提升机后备保 护装置应运而生。 以m 1 2 - 3 b 为例，其系统是d a m c s 系列八位单片机为核心，通过安装在提升电 动机快轴上的传感器、深度指示器上的传感器、井筒内的同步开关传感器，对 提升机的工作状况进行连续检测和监控。当提升机出现等速段超速1 5 ，减速段 超速，爬行区超过2 m s ，过卷0 5 m ，深度指示器失效，卡箕斗( 距上井口4 5 m 以内) ，松绳( 距上井口6 5 m 以内) 时，m 1 2 3 b 在声光报警的同时动作安全回路， 以防止或阻止提升机出现重大事故。上述故障一旦发生，m 1 2 3 b 将记忆故障时 的提升方向、提升容器位置值、提升速度值和故障部位。同时设置减速点保护 继电器，对减速点实施了双重保护。m 1 2 3 b 还设置了提升勾数记录指示及两次 过卷保护，传感器工作状态指示、假井口设置、自检等辅助功能。 1 3 课题主要内容 本论文在深入研究矿井提升系统各种常见故障的特征的基础上，借鉴国内 外研究成果，采用美国n i 公司的l a b v i e w 集成开发平台，根据现有实验设备和实 4 基于l a b v j e w 的矿井提升机监控系统 验条件，以模拟提升行程的信号为主，开发了套集数据采集、状态监控、数 据存储为一体的多任务信息处理系统。 本论文主要内容包括： 1 完成提升机运行的实验模拟。通过在实验室构建一提升机模拟实验装置， 通过预编梯形图程序，下载到p l c 主机，利用p l c 和变频调速器来控制 机械模型的运动，力求最大限度的模拟出提升机的实际运行状况。完成提 升机行程信号的采集，通过运算得出提升机的速度和加速度。对制动系统 的油温采用实验室现有的传感器实验台进行简单模拟实验。对油泵运行状 态和报警信号采用p l c 实验台的开关量信号来模拟实验。 2 完成系统的软件设计。此系统包括信号的采集、处理，各部分的逻辑关系， 参数的数据库存储与查询等。系统需要完成模拟信号、数字信号和脉冲信 号的实时采集及处理，以及对各参数的动态图形显示和模拟仪表显示，通 过将实际运行参数与系统各参数保护设定值进行比较，作为报警和控制的 依据。并将各参数进行数据库定时存储。当操作人员及管理人员对设备运 行状态进行查询时，可显示并打印各参数和状态的内容。 1 4 课题主要意义 提升机的实时监测一直是提升技术的重要课题之一。当前，许多煤矿都未 设置提升机的监控系统，国内外已有的监控系统大多数是对照个矿山的大型监 控系统。国外研制的监控系统稳定性虽好，但价格过高，对于中小煤矿来说是 难以承受的；国内研制的针对提升机的监控系统大都是采用单片机技术，其抗 干扰能力差，性能不稳定，而且在开发测试系统的软硬件方面主要采用汇编语 言、c 语言，在语言编程方面需要花费相当的人力和时间，并且己开发的专家系 统大部分仍工作在d o s 环境下，人机界面不友好，功能不完善，可扩展能力不 强，系统一旦建立，修改起来具有相当的难度。基于以上原因，本文采用全新 的虚拟仪器开发平台l a b v i e w 来开发整个监控系统。 虚拟仪器技术经过近2 0 年的发展，技术日趋成熟。美国虚拟仪器系统及其 图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。在我国，尽管虚拟 仪器的应用较晚，还处于应用初期、起步阶段，但其应用已经体现在航天航空、 机械工程、电力电子工程、建筑工程、生物医疗、纺织工程及其教学科研等诸 多领域，对科学技术的发展和生产产生了巨大的影响和经济效益。当前，在以 p c 机为基础的测、控软件中，l a b v i e w 的市场普及率已仅次于c + + 与c 。随着计 算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。因此选 5 基t - l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 择在l a b v i e w 平台下丌发的矿井提升监测系统有很好的应用前景。 基于l a b v i e w 的提升机监控系统，利用虚拟仪器公司研制的数据采集卡，能 迅速地建立一个功能强大、性能稳定的监控系统，并且工作在w i n d o w s 系统下， 界面直观形象。开发人员只需要理解各个图标的表示功能，在程序丌发中只需 要用连线连接各功能模块就能完成所需要的软件功能。同时l a b v i e w 支持模块化 与层次化设计，搭建程序非常清晰、可读，维护起来简单方便。不仅如此，l a b v i e w 也有很好的开放性和扩展性，使系统功能的扩展和完善变得非常容易。 基于l a b v i e w 的提升机监控系统是l a b v i e w 在矿山设备监控方面的一个尝 试。与以单片机为核心的监视系统相比，软件开发的时间缩短4 - 6 倍。与局限 于提升行程速度监视的系统相比，监视参数有所增加，并加入了简单的控制作 用系统功能有大幅度提高，其应用对提高中小煤矿的安全性方面具有重要意 义。 6 基丁l a b v l e w 的矿井提升机监控系统 21 矿井提升系统组成 第二章矿井提升系统简介 矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器，提升钢绳，提升机，天轮和 井架以及装卸附属装置等。常用的提升容器是罐笼和箕斗。如下图2 1 所示为 竖井单绳罐笼提升设备示意图。重矿车在井底车场或中间中段车场被推入下方 罐笼的同时，空矿车便正向井口车场被推入另一罐笼。两条钢绳2 的一端分别 与井口和井底罐笼相连，另一端分别绕过天轮3 引至提升机房，固定并以相反 的方向缠绕在提升机1 的卷筒上。提升机运行时，这两个罐笼就沿着井筒做上 下运动，以完成提升重矿车和下放空矿车的任务。 图2 一l 竖井单绳罐笼提升设备示意图 1 提升机；2 提升钢绳；3 天轮：4 井架；5 罐笼 2 2 矿井提升机的构成 以多绳摩擦式提升机为例，直流传动多绳摩擦式矿井提升系统主要由工作 7 基tl a b v i e w 的矿井提升机监控系统 机构、制动系统、机械传动系统、润滑系统、观测和操作系统、拖动控制和自 动保护系统、外加辅助部分等构成。 1 工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等。主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、 制动轮、调绳离合器等组成。 2 制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要 组成部分之一，是提升机最关键也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠 性直接关系到提升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒， 使提升机停止转动。 根据提升机的具体作业情况，制动装置的主要功能如下： 1 ) 当提升机停车时，可靠地闸住提升机，保证任何情况下均不能够转动： 2 ) 当提升机减速或重载下放时，参与提升机速度控制，使提升机的运行状 态不偏离预定要求，称为工作制动； 3 ) 当发生突然性事故或意外情况时，迅速且合乎安全要求地闸住提升机， 避免事故的恶性扩大和发展，为安全制动； 4 ) 双滚筒提升机在更换水平、调节钢丝绳长度时，能够闸住提升机的游动 滚筒并松丌固定滚筒。 液压传动装置的作用是作为制动力的能源，控制制动器的动作。即：根据 运行需要，分别实现工作制动和安全制动。其功能为： 1 ) 作制动和安全制动时，制动力矩不得小于提升或下放载荷时最大力矩的 3 倍： 2 ) 当游动卷筒与主轴脱开时，制动系统作用在一个卷筒上的制动力矩应大 于或等于空容器和钢丝绳重量之和在一个卷筒上所造成的静力矩的1 2 倍： 3 ) 制动系统下放重物时的安全制动的减速度不小于1 5 米秒2 ，提升重物 时减速度不得大于5 米秒2 ； 4 ) 工作制动与安全制动不应同时重合，以免产生过大的制动力矩； 5 ) 安全制动时，制动器空行程时间不得大于0 5 秒； 对于多绳磨擦式提升机，安全制动时的减速度不应使钢丝绳在主导轮磨擦 衬挚上产生滑动。 8 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 3 机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速 和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 4 润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油 以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护和电动机联锁，即润 滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。 5 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机装置。深度 指示器的作用是：显示提升容器的运行位置；容器接近井口卸载位置和井底停车 场时，发出减速信号：当提升机超速和过卷时，进行限速和过卷保护。 6 拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系 统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况 下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动而实现对系统的保 护。自动保护系统一般是由p l c 来控制，是提升机的第一道重要的安全保护装置。 2 3 提升机运行速度图 以非对称五阶段速度图为例，其曲线图如图2 - 2 所示：t 1 为加速时间，t 2 为匀速时间，t 3 为减速时间，t 4 为爬行时间，t 5 为制动停车时间。 根据最新煤矿安全规程第4 2 4 条和4 2 6 条规定，立井中用罐笼升降人员时 的加速度和减速度不得超过0 7 5 m s 2 ，最大速度不得超过的0 5 h ( h 为提升高 度) ，且不得超过1 2 m s ；立井升降物料时，提升容器的最大速度不得超过 0 6 h ( h 为提升高度) 。斜井提升容器的最大速度和最大加、减速度应符合下列 要求：升降人员时的速度，不得超过5 m s ，并不得超过人车设计的最大允许 速度。升降人员时的加速度和减速度，不得超过0 5 m s2 。用矿车升降物料时， 速度不得超过5 m s 。用箕斗升降物料时，速度不得超过7 m s ；当铺设固定道 床并采用大于或等于3 8 k g m 钢轨时速度不得超过9 m s 。 为了保证提升机能够准确及平稳停车，对减速段的速度有所限制，v 4 = 0 3 0 5 米秒。在爬行阶段，为了减轻提升机对井架的冲击以及有利于准确停车， 9 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 一般速度为0 4 米秒0 5 米秒。制动阶段的时间t 5 t 1 秒。 v l jl 眷 差 西 j t 1 一一 t 2。 t 3 一一t 4 _t 5 口。l 口寸 趣 2 ，4 速度保护环节 图2 - 2 非对称五阶段速度图 1 等速阶段超速报警保护 煤矿安全规程规定捉升系统必须装设防过速装置：当提升速度超过最 大速度1 5 时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。 2 减速阶段限速保护 当提升机进入到减速段后，其速度按如下函数规律变化 圪：( k ) 2 2 a s 7 式中； 以一为提升机的额定速度； s 一减速行程； 一为减速段任一点的给定即时速度。 l o 基y - l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 若提升机的即时速度超过给定的速度，即v r 一 1 0 屹时，减速段报 警。煤矿安全规程规定提升装置必须装设减速功能保护装置：当提升容器( 或 平衡锤) 到达设计减速位置时，能示警并开始减速。 3 爬行阶段限速保护 提升装置必须装设限速装置：提升速度超过3 m s 的提升绞车必须装设限速 装置，以保证提升容器( 或平衡锤) 到达终端位置时的速度不超过2 m s 。 4 过卷保护 过卷保护是矿井提升机所有保护中的最后一道安全保护。提升装置必须装 设防过卷装置：当提升容器超过e 常终端停止位置( 或出车平台) 0 5 m 时，必 须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用。 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 3 1 虚拟仪器的基本概念 第三章虚拟仪器概述 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是用户在通用计算机平 台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时， 就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了 传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需 求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充 分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。它具有传统仪器 所具备的信号采集、信号分析、信号输出的功能，其基本构成包括计算机、虚 拟仪器软件、硬件接口和( 或) 测控仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最 简单，也是最本质的表述。 影响最大的虚拟仪器编程语言是美国n i 公司的l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v ir t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n t h ) 和l a b w i n d o w s c v i ( cf o rv i r t u a l i n s t r u m e n t s ) 。l a b v i e w 是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言( g 语言) ， 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块，使 用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时，l a b v i e w 继承了高级编程语 言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化设计，这种结构的设计 增强了程序的可读性。 l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司所提供的另一套优秀的开发平台。它以c 语言为核心，将计算机软件设计平台与数据的采集、分析、处理及结果表达等 仪器专业工具有机地结合起来，为熟悉c 语言的开发人员建立检测系统、测量 系统、数据采集系统及过程监控系统等提供了一个理想的软件开发坏境。 目前，虚拟仪器技术在国内外发展很快，以美国n i 公司为代表的一批厂 商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。 3 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的结构如图3 1 所示。由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用 软件两大部分构成。 1 2 基于l a b v l e w 的矿井提升机监控系统 3 2 1 虚拟仪器的硬件系统 图3 - 1 虚拟仪器结构示意图 构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和接口设备。 1 计算机硬件平台 虚拟仪器的硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算 机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚 拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等 方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 2 i 0 接口设备 i 0 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总 线有其相应i o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡板( 简称为数采 卡板，d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器 的构成方式主要有5 种类型，如图3 2 所示。 3 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 一! ! 二坠皇1 - 一 叫竺! ! 呈堡竺i _ 一 i 被测信号卜_ 一一串口仪器| + 一 一计算机 一臣亟丑一 图3 - 2 虚拟仪器的构成方式 g p i b 系统 g p i b 系统是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 p c d a q 系统 p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组 成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，将 数采卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 v x l 系统 v x i 系统是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 拟仪器测试系统。 p x i 系统 p x i 系统是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟 仪器测试系统。 串口系统 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟 仪器测试系统。 4 基y - l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 322 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软件和硬件资源，使本柬需要 硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统 的功能与灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从低层到顶层，虚 拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软件。虚 拟仪器的软件结构如图3 3 所示。 图3 - 3 虚拟仪器的软件结构 1 v i s a 厍 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库实质就是标 准i 0 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留 于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层 连接，用来实现对仪器的控制。对于仪器驱动程序开发者来说，v i s a 库是一个 可调用的操作函数库或集合。 2 仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应 用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂 商将其以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。 3 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、 友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软 件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种 功能函数，如频域分析的功率谱估计、f f t 、f h t 、逆f f t 、逆f h t 和细化分析等； 时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排 1 5 基丁l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 序等；滤波设计中的数字滤波等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的 功能提供了基础。 3 3 虚拟仪器特点 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的 仪器种类。从构成和功能上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应 的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特 殊功能的高档低价的新型仪器；从使用上来说，虚拟仪器利用强大的图形化丌 发环境，建立直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板( 即软面板) ，可以有效地提高 仪器的使用效率。 虚拟仪器与传统仪器的比较见下表： 表3 1 虚拟仪器 传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较著 关键是软什，系统性能升级方便，通过网络下关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上fj 载升级科序既可。 服务。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 川户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接 功能单一，只能连接有限的独立殴备 开发与维护费州降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 - - 2 年)技术更新周期长( 5 一l o 年) 3 4l a b v i e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验 室虚拟仪器工程平台) 是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司推出的一种基于图形 化编程语言的虚拟仪器软件开发环境，带有大量的内置功能，能够完成仿真、 数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。使用l a b v i e w 能让您享受 到强大的图形化编程语言所带来的灵活性，而无需忍受传统开发环境的复杂编 程工作。l a b v l e w 可在单个环境下提供广泛的采集、分析和显示功能，所以可以 无缝地开发出一套完整的应用解决方案。 特点如下 1 6 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 赢观的图形化环境实现了开发工作的高效率。在l a b v i e w 图形化环境下，无 需编写代码文本命令行即可获得强大的开发工具。在l a b v i e w 中，您只需要 拖放已经丌发好的图形控件，就可以轻松快捷地开发出应用程序的用户界 丽。然后，再通过组合科学家和工程师们都十分熟悉的框图模块来实现系统 的各种函数功能。 2 缜密地集成了上千种仪器和测量设备驱动。l a b v i e w 能与测量硬件无缝连 接，因此可以快速的使用和配置各种测量设备，从任何的独立测量设备、到 插入式数据采集设备、运动控制器、图象采集系统、实时系统、分布式控制 和可编程控制器( p l c ) 等。此外，l a b v i e w 还支持来自几百家仪器供应商 的2 0 0 0 多种仪器驱动库。 3 通过编译使系统性能最优化。在许多应用中，执行速度是关键。利用一个内 置编译器使之生成优化的代码，使l a b v i e w 程序的执行速度提高到与编译c 语言程序相当的程度。运用l a b v i e w ，可以应用多种平台上开发出满足最高 性能要求的系统，包括：w i n d o w s ，l i n u x ，m a c i n t o s h ，u n i x 或实时操作系统。 4 适用于流程图设计的开发环境。与其他通用的编程语言不同，l a b v i e w 针对 一些应用提供了专门功能，如仿真测量、控制和自动化应用等，这将加速系 统的开发进程。无论是内簧的分析功能还是与各种i o 设备接口，l a b v i e w 为工程师和科学家提供快速建立测试和测量，数据采集，嵌入式应用，科学 研究和过程监控所需要的各种功能。 5 与其他应用程序的开放式连接。利用l a b v i e w ，可以通过因特网， a c t i v e x ，d l l ，共享库，s q l ，t c p i p ，x m l ，o p c ，无线通讯或其他方式和不 同的应用程序建立连接。l a b v i e w 的开放式连接特性能够建立灵活的开放式 应用，并与其他应用程序进行通讯。同时l a b v i e w 还支持m a t l a bm 脚本及 一些常用程序的直接连接，如m a t h e m a t i c a ，e l e e t r o n i c sw o r k b e n c h 公司 的m u l t i s i m m a t h c a d ，和t i 公司的c o d ec o m p o s e rs t u d i o 。 当前，在以p c 机为基础的测、控软件中，l a b v i e w 的市场普及率已仅次于 c + + 与c 。随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪 器标准。因此选择在l a b v i e w 平台下开发的矿井提升监测系统有很好的应用前 景。 1 7 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 4 1 引言 第四章监控系统的组成及工作原理 对于提升机监控系统来说，输入输出的信号多，种类复杂，归纳一下主要分 为三类：模拟量的输入输出，如液压站的油压、油温、提升机电枢电流等；有 数字量的输入输出，如油泵运行或关闭等；有脉冲量的输入输出，如测量电动 机转速的轴旋转编码器等，本文针对不同的信号，设计了不同的模型进行模拟 实现。其中，以旋转编码器输出的脉冲信号的采集为主。 4 2 系统模型组成 根据提升机运行原理，针对其运行的实际情况，我们在实验室丌发了一套 独立的模拟提升监控系统，系统的组成见图4 1 。 p l c 土机p 刊变频调速器 一p l c l i 计算机 提升机模拟实验装置 i， 数 ( l a b v i e w 叫报警 据 开发平台， 采 设备驱动 油雁估臆照 信 集 号 卡 程序等1 叫业 温度传感器 调 理 叶l 显示 继电器、接触器i 图4 - 1 监控系统构成框图 模拟监控系统由p l c 、变频调速器及其提升机模拟实验装置等组成，主要 完成模拟提升机的实际运行的功能。按照矿井提升系统的运动规律，先将模拟 提升系统实际运行情况的梯形图程序下载到p l c ，通过p l c 和变频器调速控制提 升机模拟实验装置的交流异步电动机运转，交流电机再经过内部微调速带动联 1 8 基于l a b v i e w 的矿井提升机监控系统 动轴转动，以此带动指针在标尺上左右移动。联动轴上装有同轴的旋转编码器， 每转可发出2 0 0 个脉冲，用于测量提升行程和提升速度，其测量精度可达 0 o l m m 。通过预设绝对认址器和光电开关的位置，来模拟提升机运行的五个速 度阶段。另外，旋转编码器可输出相位相差9 0 。的2 路a 和b 脉冲用于鉴别提升 机运行方向。 制动参数的监控理论上采用独立的液压装置来完成。油压动念监测采用 安装在液压站的总油压传感器，油温的监视采用温度传感器。由于条件限制， 在此系统中，系统通过采用一温度传感器来简单模拟，将传感器输出信号接入 n i 公司的数据采集卡的模拟输入口，通过采得的数据与实验台实际的电压表显 示数值比较，来验证模拟信号的采集和监视功能的准确性。 提升系统的开关量信号，如油泵的运行状态、闸瓦的开合等。这些丌关量 的采集理论上是相同的，在本次实验中，将采用p l c 实验台的逻辑开关来模拟 实际的继电器所发出的数字信号，用p l c 的信号灯来接收采集卡数字输出量来 验证数字输入输出的准确性。 从传感器采集的数字信号、模拟信号及脉冲量，接入数据采集卡的数字输 入端曰、模拟输入端口、计数器输入端口，通过采集卡自带的驱动程序 ( m e a s u r e m e n t a u t o m a t i o n ) ，将信号采集到计算机进行实时监测处理，如果 提升状态异常，立刻报警显示，同时将报警信号由数字输出端口送出到p l c ，进 行安全制动。 4 3 系统硬件组成及工作原理 1 三菱f x l n 一6 0 m r 型p l c 主机，如图4 - 2 所示。 | 鳘| 4 - 2 二菱f x i n 一6 0 m r 州 图4 - 3 交流直流电源5 v 3 a 、2 4 v 0 8 a 此p l c 具有3 6 点输入、2 4 点输出，完成模拟提升机运行的功能。实现步 骤：按照矿井提升系统的运动规律，先在其编程软件上设计好提升机的运行状况 的梯形图程序( 具体梯形图程序见附录，有时间控制方式和行程控制方式两种) ， 1 9 基tl a b v i e w 的矿井提升机监控系统 梯形图的编制完全按照实际提升机运行的加速一高速一减速一爬行一制动五个 阶段束设定不同的输出信号。 将编制好的程序通过r s 2 3 2 串口下载到p l c 主机。运行该程序，p l c 主机 的各输出信号接入变频器，出变频器接收的信号来控制交流电机的转速，使提 升机模拟装置严格按照程序步骤做变速运动，来达到模拟提升机运行的目的。 2 电源模块，如图4 3 所示。 此电源模块为p l c 、变频器提供2 2 0 v 交流电源。具有控制、显示、操作、 零压、短路保护功能。设置空气