（机械制造及其自动化专业论文）矿井提升机综合后备保护装置.pdf

摘要 捅要 本论文介绍了矿井提升机及其后备保护保护装置，指出了矿井提升机后备保 护装置的必要性。然后介绍了虚拟仪器的概念，说明了虚拟仪器的硬件和软件结 构，继而介绍了虚拟仪器相应的编程软件l a b v i e w 。在对现有的提升机后备保护装 置进行了分析比较后，结合国内外现状，提出了一套运用虚拟仪器技术来设计矿 井提升机综合后备保护装置的方案。该套综合后备保护装置的原理为：通过多功 能数据采集卡采集各种信号，由软件程序进行处理，并判断是否报警，处理后的 数据用于显示和存储查询。为方便此套综合后备保护装置的实验，另设计了一套 提升机模拟实验装置，并说明了其实验模拟原理。 文中着重对综合后备保护装置的硬件和软件设计进行了分析和说明，其中软 件设计是该装置的核心部分。从软件构成、软件程序流程以及保护装置实现的功 能等方面详细介绍了软件设计的过程，并对该装置软件程序的各组成模块进行了 说明，最后给出了程序框图及程序流程图。 该套基于虚拟仪器技术的矿井提升机综合后备保护装置，经实验证明完全达 到了设计的要求，且操作界面直观而友善，扩展性强，为矿井提升机的安全有效 运行提供了可靠的保障。 图f 5 0 】表【l 】参1 4 0 关键词：提升机；后备保护；虚拟仪器；l a b v i e w 分类号；耵 3 9 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e r , a tf i r s t , h a sd i s c u s s e dm i n eh o i s t e ra n di t ss a f e t y , a n dp o i n t e do u tt h e n e c e s s i t yo fb a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n to fm i n eh o i s t e r t h e n , t h ep a p e rh a s i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fv i r t i l a li n m u m e n t , a n dh a se x p l a i n e dt h es t r u c t u r e so f h a r d w a r ea n ds o t t w a r eo f v i r t u a li n s t r u m e m a l s ol a b v i e w , p r o g r a m m i n gs o f t w a r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t , h a sb e e ni n t r o d u c e d t h i sp a p e rh a sa c c o u n t e df o rb a c k u pp r o t e c t i v e e q u i p m e n to fm i n eh o i s t e r , a n db yc o m p a r i n ge x i s t i n ge q u i p m e n t s ；ap r o j a c to fb a c k u p p r o t e c t i v ee q u i p m e n to fm i n eh o i s t e rw h i c hi sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e n p r e s e n t e d p r i n c i p l eo ft h ei n t e g r a t e db a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n tf o rm i l l eh o i s t e ri s ： t ou s ed a qt oa c q u i r es i g n a l s ，a n dt h e np r o c e s st h e s es i g n a l sb ys o f t w a r ep r o g r a m , j u d g ew h e t h e rt og i v ea na l a r m , t h ep r o c e s s e dd a t ai sd i s p l a y e d ，s a v e da n di n q u i r e d i n t h ep a p e r , f o rt h ee x p e r i m e n to f i n t e g r a t e db a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n tf o rm i n eh o i s t e r , a e x p e r i m e n t a la n a l o g i ee q u i p m e n th a sb e e ni n t r o d u c e d , a l s oi t sa n a l o g i cp r i n c i p l eh a s b e e ne x p l a i n e d t h i sp a p e r se m p h a s i si st oa n a l y z ea n de x p l a i nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o fi n t e g r a t e db a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n tf o rm i n eh o i s t e r t h eh a r dc o r eo ft h i s e q u i p m e n ti st h ed e s i g no fs o f t w a r e t h ep r o g r e s so fd e s i g no fh a r d w a r eh a sb e e n e x p l a i n e d0 nt h ef a c t so ft h es t r u c t u r eo fs o t h v a r e ，p r o g r a mf l o wa n df u n c t i o n so f b a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n t t h e nm o d u l e so f p r o g r a mh a sb e e ne x p l a i n e d , a l s ob l o c k d i a g r a m sa n df l o w c h a r t sh a sb e e ng i v e n t h i si n t e g r a t e db a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n tf o r m i l l eh o i s t e rw h i c hi sb a s e d0 1 1 v i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e np r o v e d b ye x p e r i m e n tt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n to fd e s i g n t h ee q u i p m e n t , w h i c hh a sac l e a ra n da m i c a b l ei n t e r f a c ea n dg r e a te x p a n s i b i l i t y , p r o v i d e st h eo p e r a t i o no f m i n eh o i s t e rw i t hs a f e g u a r d f i g u r e 【5 0 】t a b l e 1 】r e f e r e n c e 【4 0 】 k e y w o r d s ：h o i s t e r , b a c k u p ，v i r t l l a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w c h i n e s eb o o k se a t a t o g ：t h 3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 为获得塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 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：0 瞳日期j 学 月垡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞丝堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕本人授权安徼 理工大学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) 嘉签字日期：0 曲7 年6 月，珀 f 签字日期：矿巧箪月，乒日 修 钮九移 签， 凇衫 作 ： 文 名 论 签 位 师 学 导 引言 引言 矿井提升机是采矿生产中的重要设备之一，其运转的安全性和可靠性，不仅 直接影响整个矿井的生产，而且还涉及人员的生命安全，因此对矿井提升机的保 护是非常重要的。目前，在国内有许多大型煤矿的提升系统都装配了国外先进的 后备保护装置，以增强对提升机的保护。与此同时，许多中小型煤矿却没有资金 来引进国外的装置，而是使用国产的提升机后备保护装置，甚至有些煤矿因为缺 乏资金而没有装配后备保护装置。因此，研究出经济、实用、可靠性高、适用范 围广的提升机综合后备保护装置有着十分显著的意义。 虚拟仪器的出现是对传统仪器的重大突破，它将测量仪器、控制仪器与计算 机结合起来，实现了“软件就是仪器”。近年来，基于计算机的虚拟仪器技术发展 十分迅速，逐渐显现出其巨大的优越性，许多机电设备特别是大型机电设备，在 设计其监控和保护装置时都广泛运用了虚拟仪器技术。本文拟将虚拟仪器技术运 用于矿井提升机综合后备保护装置的设计当中，根据实际需求开发一套安全可靠 的矿井提升机综合后备保护装置，并设计提升机实验模拟装置验以证其性能以及 可靠性。 该套综合后备保护装置的设计包括了软件设计和硬件设计两部分。其中软件 设计要求编写保护装置的软件程序，实现各项保护功能；硬件设计要求选用合适 的传感器、变送器以及信号采集装置，还包括设计适合实验用的提升机模拟实验 装置等。 v i i 安徽理工大学硕士论文第1 章绪论 1 绪论 1 1 课题背景 近年来，随着社会经济的发展，煤炭的价格开始持续上涨，煤矿开采量呈现 上升的趋势。而与此同时，矿井事故的发生率也越来越高，矿井安全生产越来越 受到人们的重视。安全生产是任何煤矿企业都应强调的重中之重的问题，因为在 矿井这一特殊生产环境中，若是发生事故，往往都是伴随着人员伤亡和巨大经济 损失的惨重事故。 矿井提升系统素有“矿井咽喉”之称，其中矿井提升机更是煤矿四种大型生 产设备之一矿井提升机是煤矿生产的重要设备，是联系井下与地面的主要运输 工具，担负着提升煤炭、矿石和矸石、升降人员、下放材料、工具和设备等重要 任务。矿井提升机能否安全可靠的运行，直接影响到煤矿生产人员的生命安全和 煤矿的生产能力【l 】。国家煤矿安全监察局在2 0 0 1 年9 月2 8 日发布，自2 0 0 1 年1 1 月1 日起施行了 中华人民共和国产品质量法煤矿安全规程，对矿井提升机的各 项性能参数做出了明确的要求，以确保其安全运行。 矿井提升机本身是带有一些保护装置的，但是在矿井生产的恶劣环境中，有 些保护装置难免会失去效用，造成提升机设备损坏甚至重大人员伤亡事故，特别 是目前我国尚有一大批陈旧的甚至超期服役的提升机设备仍在使用中，这些设备 故障率急剧增加，安全性大大下降。如果全部更新这些陈旧矿井提升设备将需娈 大量的资金，不符合我国现在的国情。 在不更新主要提升设备的情况下，给提升机增加一套综合后备保护装置，以 此来加强对提升机运行的监控以及保护，是保障矿井提升安全的非常有效的办法。 司乘人员可以通过综合后备保护装置实时了解提升机运行的情况，从而正确判断 该如何进行下一步操作，装置同时也会对提升机的故障做出报警提示，必要时可 以控制提升机进行紧急制动停车来保障人员设备的安全【2 】。 为矿井提升机增加一套综合后备保护装置将会大大提高提升机运行的安全性 和可靠性，因此，开发一套简单高效的提升机综合后备保护装置具有非常现实的 意义。 1 2 国内外发展 目前国外提升机设计比较先进的国家有瑞典、德国、法国等，他们的提升机 安全保护系统十分完善，特别是对速度监控保护环节，设计得更加完善，有些环 1 安徽理工大学硕士论文第1 章绪论 节设置双重保护，如果第一道失灵、还有第二道保护，例如过速保护既有机械离 心开关，又有电气过速系统等 3 3 。这些保护措施，对提升机的自动安全运行都是可 靠的保证。 国外的提升机安全保护体系分为设备安全保护和运行安全保护两大类： 设备安全保护包括：l 、高压配电部分；过流速断、过负荷、接地故障；2 、 低压配电部分：过流速断、接地故障；3 、变压器：温度监测；4 、可控硅交流器： 过流速断、过负荷、接地故障、冷却风压和可控硅的监视、电源相序保护；5 、电 机：温度监测、冷却风压监测、电枢过电流、过电压监测、励磁电流监测；6 、液 压制动系统：液压站油位，油压、温度监测、油泵电机过负荷保护、制动闸动作 监测等。 运行安全保护包括：过卷保护；加，减速区、高速区过速保护、全程提升容器 位置偏差监测和保护、计算机停机和网络通讯故障的监测、力矩失败监测、电流 环、速度环反馈信号监测、停车开关、安全门开关的故障监测、滚筒反转、钢丝 绳打滑监测、制动系统制动力、弹簧弹力监测等。 瑞典的a b b 公司在提升机罐笼行程速度保护方面做的很好，其全程过速保护 内容包括：l 、加速区和高速区的过速保护计算机持续监测提升机的速度是否超 过其过速保护的设定值，如超过，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。设置强制自动减速功能，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相平行的过速保 护曲线。3 、爬行速度区的过速保护。当距终点等于或小于5 米时，提升容器进入 爬行速度区，只要速度超过设定的速度，就会报警并进行i i 类紧急停车保护。 我国有许多大型煤矿都引进了国外先进的提升系统，不过其核心技术都是保 密的，造成了使用维护上依赖国外的不利情况。而中小型煤矿企业更是无力购买 国外先进提升设备。 八十年代，我国开始对矿井提升机的后备保护进行研制，并陆续推出了多种 提升机综合后备保护装置，如徐州卓尔电脑研究所研制生产的m 1 2 - - 3 b 提升机综 合后备保护装置、河南鹤壁矿务局监控仪器厂研制生产的t j h b i i 型提升机微机 后备保护装置等，它们都是以m c s 系列单片微机为核心。其中t 舳一i i 型提升 机微机后备保护装置的核心部分是m c s - - 5 1 单片计算机系统，装置由8 0 3 1 单片 计算机、固化控制程序和扩展输入，输出口、传感器、显示部分、执行机构和电源 等部分组成，能独立于原提升系统，增加了多项后备保护功能，适用于立井、斜 井、单水平提升的各种单绳缠绕式或多绳摩擦式提升机，其主要功能包括：提升 2 安徽理工大学硕士论文第1 章绪论 容器位置检测及数字显示、提升机速度检测及数字显示，自动减速、深度指示器 失效保护、最大速度超速保护、减速段限速保护( 按速度图保护) 、接近井口限速2 m s 保护、过卷保护、进入曲轨显示、卡箕斗保护、故障类型显示及声光报警、故障 记忆和恢复、自测试、滚筒传感器、深度指示器传感器、卡斗传感器工作状态监 视等1 4 1 。与国外进口的后备保护装置相比，其开发成本高，功能还不够完善，扩展 性能不佳、不易更新，且抗干扰能力不强。 1 3 课题主要内容 1 ) 设计供实验用的提升机模拟装置，并编写p l c 程序控制其模拟运行，最大 限度的模拟出实际的矿井提升机运行过程，提供提升机运行的各项状态参数。 选用合适的传感器及其信号处理装置，将反映提升机运行的各种物理量， 例如行程、速度等转换成相应的电信号，以便采集。要求传感器能实时的、准确 的、高精度的完成物理量与电信号的转换。 3 ) 选择适合的采集装置，能精确的采集到模拟、数字信号以便后期数据处理， 并能按要求准确输出信号。 4 ) 设计综合后备保护装置的程序。利用美国n i 公司的l a b v i e w 软件编写程 序，完成装置的信号采集、数据处理、数据存储与查询等功能，并处理和各项功 能的逻辑关系。要求数据处理准确，能够实时监测提升机运行状态，存储历史运 行数据，便捷查询历史运行数据。 1 4 课题来源及意义 本课题是安徽省教育厅自然科学研究项目( 2 0 0 6 k j 2 8 2 b ) 。 目前国外研制的后备保护装置虽性能好，不过价格上却是一般煤矿企业所难 以承受的。国内的许多提升机后备保护装置相对较落后，大多以单片机为核心， 采用c 语言或汇编语言编写程序的后备保护装置，抗干扰能力差，性能不够稳定， 而且开发周期长，成本高，且灵活性低，装置设计完成后往往不易进行改动。人 机界面不够友好、监测保护功能不完善也是其落后的一方面。因此本文利用虚拟 仪器平台来设计开发新型的提升机综合后备保护装置。 虚拟仪器技术经过二十多年的发展已经日趋成熟，它以计算机为核心。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。 3 安徽理工大学硕士论文第l 章绪论 所以，利用虚拟仪器技术来设计和开发提升机综合后备保护装置，将具有非常好 的应用前景【5 1 用虚拟仪器技术及其应用软件l 丑b v i e w 设计的提升机综合后备保护装置，设 计周期短，节省设计成本；装置功能多，灵活性强，便于后期增加其它需要的功 能：装置可靠性好，操作界面简洁明了，成本低，适合在中小煤矿使用。此套矿 井提升机综合后备保护装置的应用，将对提高中小煤矿生产安全性方面起到重要 的作用。 4 安徽理工大学硕士论文第2 章矿井提升机 2 矿井提升机 矿井提升系统是矿井生产中极其重要的组成部分，矿井提升机能否正常运行 直接影响到人员安全以及矿井的产量。 2 1 矿井提升机的组成 矿井提升设备的主要组成部分有：提升容器、提升钢丝绳、提升机( 包括机 械及拖动控制) 、井架或井塔以及装卸设备等，这些设备构成了矿井提升系统。一 般的矿井提升机都有两个提升容器，并且两个提升容器在矿井中做方向相反的直 线运动，即一个提升容器以一定的速度上升时另一个提升容器以相同的速度下降。 矿井提升系统也可分为两大类，即用以提升煤炭、矿石的主井箕斗提升系统和完 成其它辅助任务的副井罐笼提升系统。 2 2 矿井提升设备的分类 根据不同的出发点，矿井提升设备有以下几种分类方法： 1 ) 按用途可分为： 主井提升设备，提升煤炭或矿物； 副井提升设备，完成辅助提升任务。 2 ) 按提升容器可分为： 箕斗提升设备，用于主井提升； 罐笼提升设备，大型矿井用于副井提升，小型矿井也可兼作主井提升用。 3 ) 按提升机类型可分为： 缠绕式提升设备和摩擦式提升设备，二者都可以用于主井或副井提升。 4 ) 按拖动方式可分为： 交流提升设备和直流提升设备( 其中又有电动一发电机组供电与可控硅供电 之分) 。 5 ) 按井筒的角度可分为： 立井提升设备、斜并提升设备和露天矿斜坡提升设备。 矿井提升机按工作原理分类主要可分为单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升 机两种，其中单绳缠绕式又可分为单卷筒式提升机和双卷筒式提升机嘲。 5 安徽理工大学硕士论文 第2 章矿井提升机 2 3 矿井提升机的结构 熟悉矿井提升机的结构和工作原理，对于确保提升机的安全，防止和杜绝故 障及事故的发生具有重大意义。下面简单介绍一下提升机的结构及其工作原理。 单绳缠绕式提升机的工作原理如图l 所示。提升机安装在地面的提升机机房 里，钢丝绳一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮后悬挂提升容器，卷筒上固定两 根钢丝绳，并应使每根钢丝绳在卷筒上的缠绕方向相反。这样，当电动机经过减 速器带动卷筒旋转时，两根钢丝绳便经过天轮在卷筒上缠上和缠下，从而使提升 容器在井筒里做上下运动。 图i 单绳缠绕式提升机工作原理示意图 f i g u r e io p e r a t i o np r i n c i p l eo f s i n g l e - r o p el a p p i n gh o i s t e r 1 ：卷筒。2 ：钢丝绳。3 ：天轮。4 ：提升容器。5 ：平衡尾绳 单绳缠绕式双卷筒提升机具有两个卷简，每个卷筒上固定一根钢丝绳，并应 使钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反，其工作原理和特点与单卷筒提升机完全相 同。单绳缠绕式提升机的一个特点就是需要用较粗的钢丝绳缠绕在卷筒上，这就 要求卷筒必须具备一定的绕组表面积，以便能容纳下根据井深或提升高度所确定 的钢丝绳悬垂长度。单纯缠绕式提升机的规格性能、应用范围和机械结构等，都 是由这一特点来确定的。 一6 - 安徽理工大学硕士论文第2 章矿井提升机 2 图2 多绳摩擦式提升机工作原理示意图 f i g u r e 2o p e r a t i o np r i n c i p l eo f m u l t i r o p ef r i c t i o nh o i s t e r 1 ：卷筒2 ：天轮。3 ：钢丝绳。4 ：提升容器。 多绳摩擦式提升机如图2 所示，由于使用了数根钢丝绳代替一根钢丝绳，钢 丝绳的直径变小了，摩擦轮的直径因而变小，但由于有钢丝绳的根数增加，所以 摩擦轮的宽度相应的也要增加。多根钢丝绳连接在两个容器之间，分别绕过摩擦 筒1 和天轮2 ，通过摩擦筒的转动来带动容器提升或者下放。与单绳缠绕式相比较， 钢丝绳与摩擦筒的直径都有明显的减小【刀。 2 4 矿井提升系统的构成 矿井提升机的系统并非只是上面所示的提升机部分，它还包括润滑系统、机 械传动系统、观测与操纵系统、拖动控制和自动保护系统以及制动系统等。 1 ) 润滑系统：在提升机运行过程中不间断的给轴承以及齿轮啮合面压送润滑 油，保证轴承和齿轮的正常工作 ， 2 ) 机械传动系统：由减速器和连轴器组成。减速器用来减速并传递动力；连 轴器用来连接提升机的旋转部分，并向其传递动力。 3 ) 观测与操纵系统：包括操作台、深度指示器等装置。其中深度指示器可以 显示提升容器的所处的深度位置 4 ) 拖动控制和自动保护系统：包括主拖动电机和微拖动电机、电气控制系统 以及由p l c 控制的保护系统。 5 ) 制动系统：一般都是液压制动系统，包括制动器和液压传动装置两部分。 制动系统的功能就是使提升机卷筒刹车，停止提升机的运行，它的可靠性直接关 - 7 - 安徽理工大学硕士论文 第2 章矿井提升机 系到提升机的安全运行l ，3 l 。制动系统不但需要在提升机停车时牢固的闸住提升机 卷筒，还需要参与提升机的速度控制，保持提升运行的速度不偏离预设的数值， 同时在双滚筒提升机中，制动系统还被用来调节钢丝绳的长度i s 。 2 5 矿井提升机的运行 矿井提升设备的工作过程是提升容器在井筒中往返运动的过程，通常以提升 容器的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图嘲。图3 为提升机的 速度图。 1 ) 加速阶段t l ：两个提升容器离开卸载曲轨，以较大的加速度a l 运行，直至 最大提升速度v 。 2 ) 等速阶段t 2 ；此阶段中两个提升容器以不变的速度v 。在井筒中运行。 3 ) 减速阶段t 3 ：此时上升的提升容器已接近井口，下降的提升容器接近装载 点，应该减速，减速度为a 3 ，直至速度降至v 4 4 ) 爬行阶段0 ：此时提升容器进入卸载曲轨，为了减少冲击，容器以低速v 4 进行“爬行”。 5 ) 停车休止阶段t 5 ：此时提升机刹车，停止运行。 l 7 姜 惑 ! r t lt 2。t 3 一t tt 5 m ! q 区 图3 五阶段速度图 f i g u r e 35 - s t a g ev e t o c i t yp l a n - 8 安徽理工大学硕士论文 第2 章矿井提升机 2 6 后备保护 矿井提升机本身带有一些保护装置，但由于监控方法和手段的局限性以及矿 井中相对恶劣的环境，常使这些保护装置失效，人们为了增强对提升机的保护， 做出了许多尝试，经理论与实践的证明，为提升机增加一套后备保护装置是提高 其安全性的非常有效的方法嘲。 国内外的后备保护装置产品有许多种，但其都具备以下的后备保护功能： 1 ) 显示功能 提升容器位置( 深度、斜坡长) 显示对容器在井筒中运行位置进行动 态显示。 速度显示一动态显示提升容器在整个过程中的瞬时速度。 提升次数显示自动记录显示提升机次数。 保护功能 等速段超速保护在等速段的瞬时速度超过最大提升速度1 5 时，保护 仪发出声光报警信号，并发出制动信号。 自动减速容器到达减速点时，保护装置发出自动减速控制信号并有声 光提示。 减速段保护在减速段对提升机瞬时速度实行包络线保护，近井口实现 限速保护。 深度指示器失效保护深度指示器失效后，保护装置发出声光报警信号， 并且在接近井口时发出制动信号 卡箕斗保护当提升箕斗卡阻时发出保护控制信号，并伴有声光报警。 过卷保护当提升容器超过正常终端位置的o 5 米时，发出制动信号并有 声光信号提示。 3 ) 打印功能 可用打印机将存入保护装置内的数据打印出来。 目前国内提升机后备保护装置主要都是基于单片机、p l c ( 可编程控制器) 或 工控机为核心，常用的后备保护装置如图4 所示。用这些方法在开发装置时，其 软、硬件方面都要花费相当大的人力、物力和时间，特别是国内的一些后备保护 装置，人机界面不友好，功能不够完善，灵活性欠佳，可操作性不好，同时易外 界环境的干扰，需要改进嘲 9 安徽理工大学硕士论文第2 章矿井提升机 图4 提升机后备保护装置 t ：i g u r e 4b a c k u pp r o t e c t i v ee q u i p m e n to f h o i s t e r i o - 安徽理工大学硕士论文第3 章虚拟仪器 3 虚拟仪器 3 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，虚拟 仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种 形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析 和处理；利用f o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能 的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专 用测量仪器一样“川。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义： 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”； 被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、 “波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作 的：虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放 大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板 就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器 的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所 以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与 计算机深层次的结合f 3 9 】。 应当指出，虚拟仪器是根据不同的测试需要，由实际的物理系统构成且主要 功能由软件实现的现实测控仪器。“虚拟”的真正含义并不在“虚”，而是指软件 的主体地位。软件是虚拟仪器设计中最重要、最复杂的部分l 。 3 2 虚拟仪器的发展过程 “ 第一代模拟仪器这类仪器在实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律 安徽理工大学硕士论文 第3 章虚拟仪器 为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类 指针式仪器借助指针来显示最终结果。 第二代一分立元件式仪器。当2 0 世纪5 0 年代出现电子管，2 0 世纪6 0 年代 出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器一 一分立元件式仪器。 第三代数字化仪器。2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现，诞生了以集 成电路芯片为基础的第三代仪器数字化仪器。这类仪器目前相当普及，如数 字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量， 并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第四代智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理 器为核心的第四代仪器智能仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进 行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为 智能仪器。其缺点是它的功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无论对 开发还是针对应用，都缺乏灵活性【1 2 1 。 目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合 正引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪 器虚拟仪器的出现。它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产 物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出 现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元【l 射。 3 3 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方而具有 更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。 一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等 还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，要求很高的制造技术，国内生产尚有 困难，采用虚拟仪器技术，可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计自己 的仪器系统。 另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计， 提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的 仪器设计因此，可以说虚拟仪器代表了未来测量仪器设计发展的方向【唧。 与传统仪器相比较，虚拟仪器还有许多其它优点： 测试结果的表达方式更加丰富多样。 1 2 安徽理工大学硕士论文第3 章虚拟仪器 可以方便地存储和交换测试数据。 可以通过多种现有的通信标准方便地同外设、网络及其它应用连接。 价格低而正可以重复利用。 技术更新快( 周期l 2 年) 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，仪器的程控 方法与程控指令就可以对仪器进行操作。 计算机强大的图形用户界面( g u i ) 增强了仪器的结果显示功能 具有几乎无限的数据记录容量。 自动化的测试过程。 用户可以自定义分析方式和接口。 可扩展的工程函数库。 自动生成测试运行报告 高品质的打印功能。 3 4 虚拟仪器的组成 虚拟仪器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，其结 构如图5 ： 图5 虚拟仪器结构组成 f i g u r e 5d n m ：h l 佗o f v i r t u a li n s t r u m e n t - 1 3 安徽理工大学硕士论文第3 章虚拟仪器 3 4 1 硬件组成 虚拟仪器中的硬件装置可分为以计算机为核心的系统装置和以传惑器、信号 调理器和数据采集器( a d 转换和数据存贮) 构成的外围装置。系统装置一般分为计 算机硬件平台和硬件接口两部分。图6 表示各种类型虚拟仪器硬件装置的基本框 图。 温度传感嚣 匝匦亘卜岖圃 压力传黪罂 匝耍圄匣囹 l k l 一 v x i 总线仪器 电流传感罂 串行接口仪罄 声学传感罂 并行接口仪器 现场总线设备 图6 虚拟仪器硬件系统装置 ， f i g u r e 6h a r d w a l f l gs y s t e mo f v i r t u a li n s t r u m e n t 1 ) 计算机硬件平台 虚拟仪器的计算机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 o 接口设备 i o 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 其相应的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7 所示。 - 1 4 安徽理工大学硕士论文 第3 章虚拟仪器 t i o 接口设备 d a q g p i b 仪器 一c 燃， p x i 模块 串口并口仪器 v x i 模块 ； 图7 虚拟仪器的构成方式 f i g u r e 7m o d eo f v i r t u a li n s t r u m e n t sc o n s t i t u t i o n 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p c i 插槽中即可。 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。 v 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 标推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。 3 1 传感器 传感器的发展经历了经典传感器时代和目前的智能传感器时代。智能传感器 在经典传感器的基础上，引入信号处理部分，扩大了经典传感器的使用和应用范 围。对于虚拟仪器而言，传感器的概念比较广，只要是能将电量信号或非电量信 号转换为标准电信号的装置，都可纳入传感器的范围1 4 1 。 传感器种类繁多，同一被测量信号可以使用不同类型的传感器，同一类传感 器可以用于多种量的测量。以下介绍两种传感器的分类方法。 1 5 安徽理工大学硕士论文第3 章虚拟仪器 ( 1 ) 按照被测量信号的性质分类 a 、机械量传感器：这类传感器用于测量位移、力、速度、加速度、重量、几 何尺寸等。 b 、热工量传感器：这类传感器用于测量温度、压力、流量、液位等。 ， c 、化学量传感器：这类传感器用于测量浓度、粘度、湿度、酸碱度、气体化 学成分、液体化学成分等。 d 、参量与电量传感器：这类传感器用于测量表面探伤、材料内部的裂纹或缺 陷、材质判别等。 ( 2 ) 按照输出量的性质分类 a 、参量型传感器 这类传感器的输出是非源的电参量( 使用时需要辅助电源) 。电参量包括电阻、 电容、电感和频率等参量型传感器又可分为电阻式( 电位器、热敏电阻、光敏电 阻、压敏电阻、磁敏电阻、气敏电阻等) 、电感式( 自感、互感、压磁、涡流等) 及 电容式等。 b 、电量传感器 电量传感器的输出为电量( 电势或电流) 。电量传感器又可分成热电式、光电池 式、电极电位式、磁电式和压电式等。电量传感器一般不需要电源，因为它自身 是有源的，故也称之为发电型传感器，又被称为能量控制型传感器。 4 ) 信号调理器与数据采集器 图8 表示典型的信号调理器与数据采集器原理框图。图中振荡器提供时钟信 号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和选择不同的测量范围；滤波器滤除干 扰信号和不满足采样条件的信号，提取代表被测物理量的有效信号；放大器将待 采集的信号放大( 或衰减) 至采样环节的量程范围内，通常，放大器的增益是可调或 具有多个不同增益倍数，用户可根据输入信号幅值的不同，选择最佳的增益倍数； 采样保持器在时钟信号的作用下，锁存某一瞬时的电压值并保持信号幅值不变直 到下一个时钟信号，采样保持器主要用于多通道采集时各通道保持同步或相位差 比较小的情况；多路开关将各路被测信号轮流切换到信号调理和数据采集模块， 实现多路信号的采集；a d 转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信 号幅值的量化。 1 6 安徽理工大学硕士论文 第3 章虚拟仪器 图8 模拟信号调理器与敷据采集器原理框图 f i g u r e 8b l o c kg r a p ho f a n a l o gs i g n a lc o n d i t i o n e ra n dd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t 除此之外，还有诸如阻抗匹配定时，计数器、总线接口电路以及其它辅助电路， 它们按一定的时序协同工作完成对信号的调理、采集和传送掣”】。 虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了，并且打破了传统仪器 由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使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。目前在这一领域内，使用较为广泛 的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w 图形化编程语言。 3 4 2 软件组成 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，使本来需要硬 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9 所示。 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库 v i s a 库实质就是标准的f o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个f 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 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。 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 1 7 安徽理工大学硕士论文第3 章虚拟仪器 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 l i 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。 图9 虞拟仪器的软件结构图 f i g u f e 9s o f f w 跚es t r u c t u r eo f v i r t u a li m m a n e n t 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具只有文 本式编程语言和图形化编程语言两类。其中文本式编程语言有v i s u a lc + + ，v i s u a l b a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等，图形化编程语言有l a b v i e w ，h p v e e 等 m l 。 本文就是用美国n i 公司的图形化编程软件l a b v l e w 来编写程序。 3 5l a b v i e w 介绍 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 g ) 是一种图形化的编程语 言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集 和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的 硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e ) 等软件 标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的 虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趔1 7 1 。 图形化的程序语言，又称为。g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工 程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。 它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据 采集