（机械设计及理论专业论文）基于internet的提升机状态监测虚拟仪器技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于in t e r n e t 的提升机状态监测虚拟仪器技术研究 摘要 矿井提升机是联系地面与井下的重要设备。为保证其能可靠的运行， 除了选择性能可靠的设备和平时的悉心维护以外，还应该做好设备运行状 态监测方面的工作，以便及时发现隐情，防患于未然。 论文首先阐述了矿井提升机状态监测的意义，介绍了提升机状态监测 与虚拟仪器等技术的研究现状及其发展。然后再对提升机的结构特点进行 分析，建立了基于l a b v i e w 平台的提升机状态监测系统。对系统的构造原 理、实现方法、具体功能进行了详细的说明。 针对实验室2 j t p 1 2 提升机试验台，利用虚拟仪器开发平台 l a b v l e w 7 1 软件开发出运行状态监测系统。这一系统实现的主要功能有数 据采集、数据存储查询、信号分析处理、信号报警和远程传输。利用研华 的p c i 一1 7 1 3 数据采集卡和l a b v i e w 7 1 软件实现了对提升机系统的数据采 集和存储。根据煤矿安全规程的要求，编制了信号异常情况下的报警 程序。应用d a t a s o c k e t 技术开发出建立在t c p i p 协议基础上的数据传输 程序，详细介绍j ，传输的建立和连接过程。建立了能用s q l 语言存储和查 询数据的数据库。并且对以上功能进行了试验验证。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：提升机，状态监测，虚拟仪器，l a b v i e w ，数据库，s q l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ys e a r c h o fh o i s t e r sc o n d i t i o nm o n i t o rb a s e d0 n i n t e r n e t a bs t r a c t m i n eh o i s t e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tt h a tl i n k st h eg r o u n dw i t hu n d e r g r o u n d i no r d e r t oe n s u r ei t sr e l i a b l eo p e r a t i o n ，i na d d i t i o nt ot h ec h o i c eo fr e l i a b l ee q u i p m e n ta n dt h ec a r e f u l m a i n t e n a n c eo fp e a c e t i m e ，w es h o u l da l s od oag o o djo bi ns t a t em o n i t o r i n go ft h er u n n i n g e q u i p m e n t ，i no r d e rt op r o m p t l yd i s c o v e rq u e s t i o n sa n dt a k ep r e v e n t i v em e a s u r e s f i r s t l yw ed e s c r i b e dt h es i g n i f i c a n c eo fc o n d i t i o nm o n i t o r i n go f m i n eh o i s t e r ，i n t r o d u c e d r e s e a r c ha c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dv i r t u a li n s t r u m e n t s ，a n ds oo n a n dt h e nc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fh o i s t e rw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep l a t f o r mo f l a b v i e wi nf o u n d a t i o n o fa n a l y z i n ge l e v a t o r su n i q u ef e a t u r ei nt h i sp a p e r ad e t m l e d d e s c r i p t i o na b o u tt h es y s t e mt h e o r y ，m e t h o da n ds p e c i f i cf u n c t i o n sw a sc a r r i e do u t t h i sp a p e ra i m sa tl a b o r a t o r y2j t p - 1 2h o i s t e rt e s tp l a t f o r m ，u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t p l a t f o r ml a b v i e w 7 1 s o f t w a r et o d e v e l o pm o n i t o r i n gs y s t e m so fr u n n i n gs t a t e t h em a i n f u n c t i o n so ft h i ss y s t e ma r ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t as t o r a g ea n di n q u i r y ，s i g n a la n a l y s i s i n ga n d p r o c e s s i n g ，s i g n a l a l a r ma n dd i s t a n t s i g n a lt r a n s m i s s i o n u s i n go ft h ep c i 1713d a t a a c q u i s i t i o nc a r do fy a n h u aa n dl a b v i e w 7 1s o f t w a r e ，w ea c h i e v e dt h eh o i s t e rs y s t e mo fd a t a c o l l e c t i o na n ds t o r a g e t h ea l a r mp r o c e d u r e si nas i g n a la b n o r m a lc i r c u m s t a n c e sa r e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o ”m i n es a f e t yr e g u l a t i o n s ”t h ed a t at r a n s f e rp r o c e s sb a s e do nt c p i pp r o t o c o li sd e v e l o p e db ya p p l y i n gd a t a s o c k e tt e c h n o l o g y ，o fw h i c ht h ec r e a t i o na n d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t r a n s m i s s i o nc o n n e c t i o n p r o c e s s a r ei n t r o d u c e di n d e t a i l f i n a l l y h a sc a r r i e do nt h e e x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o nt oa b o v ef u n c t i o n k e yw o r d s ：h o i s t e r ，c o n d i t i o nm o n i t o r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w , d a t a b a s e ，s q l 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：岱。垒墨 日期： 慢口8 l 。y 。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：毪。蚤墨 日期：趟互：兰二： 导师签名：越垄日期：碰么! 二 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 煤炭资源作为一种主要能源，在国民经济中起着重要的作用。近年来煤炭的价格在 逐年上升，形成大力开采之势。与此同时煤矿安全事故也频繁发生，经济和人员伤亡惨 重，给人们留下了深刻而惨痛的教训。煤矿安全已经成为煤炭生产中蚩待解决的问题。 矿井提升机是联系井下与地面的重要设备，其运行状态的好坏直接关系到提升机安 全。因此为确保其安全可靠的运行，除了在设计计算时合理选择运行状态参数外，关键 在于对实际运行状态的动态监测。 本文即以l a b vj e w 7 1 软件为平台，丌发了矿井提升机的在线监测系统。详细介绍 了系统的开发过程，并且介绍了各种功能的应用情况。 1 2 课题背景与意义 矿井提升机作为采矿业的大型机电设备，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。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。 提升设备的重大事故，不仅会造成很严重的经济损失，而且还会造成重大的人员伤 亡。因此矿井大型提升设备的维护是工程师们最关注的环节：每次停产检修，提升系统 是检修的重点。 复杂设备的偶然故障是不可避免的。所以计划预防维修制度己不适应当今生产发展 的需要，存在着大量的过剩维修，或者欠维修，造成了巨大的经济浪费。因此，研制和 使用提升机状态监测装置，开发一套简单适用的计算机监测系统是非常必要的，而且有 着极大的经济效益和社会效益。表现在： ( 1 ) 可以避免或减少整套设备停止运行以及突然发生恶性事故而造成巨大损失。 ( 2 ) 可以及时向操作人员提供情报，判明制动系统所处的状态，提高设备使用的合理性， 充分挖掘设备潜力，延长设备的使用时问。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 一旦发生故障，诊断系统能够根据专家系统的数据经过运算，得到当前的故障种类 和程度，及时提示司机当自仃提升机的运行状态。由计算机确定出维修决策，给出处理意 见，供维修人员进行参考，避免了维修的盲目性。 ( 4 ) 是推行现代维修体制的重要基础。 ( 5 ) 是提高煤矿自动化程度，减轻工人劳动强度，实现现代化采煤的重大措施。 在矿井提升机的信号监测过程中应用很多监测、信号传输、及信号采集仪器。往往 这些仪器都非常贵重，购买这些仪器会增加企业的负担，虚拟仪器就解决了这个问题， 它可以在计算机上通过软件实现现实仪器的功能，极大降低了成本。除此之外其主要优 势表现在： 1 虚拟仪器能够完全实现传统仪器的功能，与传统仪器相比极大的降低了仪器的成 本，可以根据自己的需要设计不同的仪器，缩短了研发周期，使得技术人员能在短时间 内开发出自己需要的虚拟仪器。 2 实现了仪器的智能化，使得技术人员能够远程诊断控制现场设备，使得在恶劣环 境下实时监测诊断成为可能。 3 由于网络技术的发展，虚拟仪器的网络化成为可能，可以借助于科研机构或科研 院所进行信号的分析和诊断，弥补了企业技术力量不足的缺点，合理优化配置技术力量。 实现了资源共享。 4 能够实现疑难故障的远程监测诊断，提高了诊断的可靠性，使疑难故障的准确诊 断成为可能。 5 虚拟仪器在计算机上实现了可视化，使得提升机的故障监测诊断更加直观。 由于以上优点，虚拟仪器以其独特的优势深受广大客户的青睐。一经产生就的到迅 速发展，尤其在发达国家，虚拟仪器更是发展迅猛。国内，由于在昂贵的精密高档仪器 方面国内主要依靠进口，因此虚拟仪器己经在国内各个领域得到了越来越广泛的应用。 因此，把基于l a b v i e w 7 1 平台的虚拟仪器技术引入矿井提升机的监测系统中既能 兼收虚拟仪器带来的优势和便利，又解决了矿井生产的安全问题。是将来信号监测的发 展方向。 一2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 状态监测技术及其发展 煤矿监测监控技术的开发和应用，主要经历了以下几个发展时期： 1 、人工离线监测方式：这一时期主要是有经验的人员利用常规检测仪表或较复杂 的分析仪器对设备进行人工检测，根据自己的经验对设备的状态以及发展趋势做出判 断。这种监测方式只能对设备做出一些简单的判断，监测仪器仅仅是作为辅助。 2 、单机集中式在线监测：这种技术是以一台计算机作为中心，并配备有信号分析 处理、工况监测、故障诊断模块。设备的所有监测情况，如传感器信息等等，都传送到 这台计算机，单由此机进行分析。 3 、基于网络的远程监测系统：它是分布式监测诊断系统的种新的组成形式，并 由单纯的监测诊断功能向监测、诊断、管理和调度的集成化方向发展。监测诊断将直接 服务于设备的维修、管理乃至参与生产调度，以设备的状态维修为目标口3 | 。 我国从7 0 年代丌始从国外逐步引进一批计算机控制的安全生产监测监控系统，同 时引进制造技术。国内的很多公司及其科研院所投入大量的人力物力展开设备监测系统 的研制和丌发。经过几十年的努力，我国自行研制的安全生产监测系统迅速发展，目前 国内监测系统的结构与计算机管理方面达到了9 0 年代初国际先进水平，全国比较大的 矿井几乎都安装了监测系统1 。国家重点煤矿全部安装监测系统。并己成为煤矿标准化 达标的首要条件。国内还通过自主开发和对引进系统的改造，研制出多种k j 系列的煤 矿监测系统。和早期的产品比较，具有设备简单，组配灵活，容量大，检查周期短，安 全可靠，易于维护等诸多优点。 但是，现有监测系统存在着智能程度低、通用性差等问题，既不符合智能型集中监 控的要求，又不能完全满足煤矿安全生产的需要口6 1 。目前，我国安装的监控系统均针对 某一监测对象丌发，是单一的专用监测系统。传输方式上为主从式传输，没有一个符合 矿井电器防爆等特殊要求的干线标准，造成不同厂家的设备无法接入，无法共用传输电 缆。传感器及执行机构一般采用星型结构与分站连接，这样虽然能同时给传感器和执行 机构供电和传输信号，但是由于电缆复用率低，需铺设大量电缆，既增大系统投资，又 增加了系统电缆投资。传感器输出模拟信号和丌关量信号，这样很难实现传感器及执行 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 机构的电缆多路复用。传感器的电路均针对某一种传感元件设计，基于这种原因，它只 能实现标校、显示、声光报警、信号输出等基本功能，不能实现同一种电路配接不同传 感元件。 1 3 2 提升机状态监测 目f ； ，经过几十年的努力，我国对提升机状念监测的研究取得很多成就，有些甚至 达到了国际领先水平。比如，兖州矿业公司东滩煤矿研制的矿主井提升机状态监测系统， 该系统完成对提升机运行状态参数在线监测与曲线图分析( 包括电气设备电量参数、液 压系统的压力量与电流量、主轴振动信号等的在线监测) 功能，并且实现了滑绳量的识 别、捕捉第一故障点及参数记忆、主要操作事件及参数记忆、技术性能测定与报表、环 境监测功能，总体构成包括提升机拖动控制系统电量监测、制动控制系统的闸瓦间隙及 主轴振动动信监测、制动控制系统的压力信号及机房环境温度监测、控制系统故障源状 态监测、控制系统丌关量状态及轴编码器脉冲信号监测、监测系统电源6 个子系统。整 体水平居国内领先，在电量的测量方面达到国际先进水平，并且通过了技术鉴定。 各大高校也相继对提升机监测系统展丌研究，取得显著成就。太原理工大学开发的 针对提升机制动系统的监测和基于m s c - 5 1 的嵌入式提升机监测系统。嵌入式提升机监 测系统实现了对提升机多路信号的实时监测，并能实时存储数据和人机对话功能，以一 种新的思路实现了提升机的信号监测。中国矿业大学开发的针对提升机电气传动系统的 监测，河海大学利用激光测距原理开发的矿井提升机监测系统等，在吸纳前人研究成果 的基础上融合其它相关技术做了进一步的探索。这些高校发挥当地资源和区域优势在提 升机监测方面取得很大进展。对以后提升机的监测的发展方向起到良好的借鉴和指导作 用3 引。 国外对提升机的监测丌始时| 、日j 比较早，现在已经达到很高水平。特别是对闸控和速 度兼控系统等重要环节，设计更加合理，有些重要环节甚至还进行双重保护。这些措施 给提升机的安全运行提供了可靠的安全保证。 例如：瑞典的a b b 公司在矾山磷矿副井保护中实行了各方面的完善保护，整个系统 采用a b bm a s t e rp i e c e2 0 0 1 计算机为主控计算机，配以彩色监视系统计算机m a s t e r v i e w8 1 0 1 、电机拖动系统电流环以及速度环控制计算机，构成一个网络号为n e t l1 的 计算机监测网络，实现对提升机的完善保护、监测与控制。 法国也给提升机提供了完善的安全保护。整套系统中安全保护有6 0 多种，可分为3 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 大系统。系统一是机械性质的故障保护，系统电路包括制动控制系统电路、速度控制系 统电路、液压站系统电路。当这些系统出现故障时，对提升机施加机械的或者电气制动 力矩，控制提升机使其紧急停车，减速度控制在2 6 m s2 以内。系统二是速度控制、磁 场以及电枢整流器系统的监测与控制。系统三是盘型闸控系统，调零系统，控制电源的 接地、电机以及变压器超温等的监测与保护。当它们出现故障时切除速度信号，使自动 停车。 德国研制的a g e 提升机采用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。安全控制器采用机械式行程监控器，在数字式行程控制器发生故障时启 动机械式行程控制器，采用这样的双重保护，使速度行程控制更为可靠。数字式行程控 制器为提升机自动化运行计算和预置速度给定值，实现常规的行程控制系统的所有控制 和监测功能0 1 。 1 3 3 虚拟仪器 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国到1 9 9 4 年底，虚拟仪 器制造厂已达9 5 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额达2 9 3 亿美元，占整个仪器 销售额7 3 亿美元的4 到1 9 9 6 年，虚拟仪器己在仪器仪表市场中占有1 0 的份额生产 虚拟仪器的主要厂家n i 、h p 等公司，目前都生产数百个型号的虚拟仪器产品这些产品 在国际市场上有较强的竞争力，已进入中国市场呻1 。 美国n i 公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台l a b v i e w 。为了兼顾其他高级语言软件开发者的习惯，n i 还推出了l a bw i n d o w s c v i 、 c o m p o n e n tw o r k s 等交互式丌发平台。美国h p 公司的h pv e e t e k t r o n i s 公司的e zt e s t 和t e kt n s 以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚 拟仪器开发平台阳1 。 v i 在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究， 采用人工智能技术降低v i 的设计难度，使用户简洁地构成v i 系统，帮助用户对测试结果 进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主 知识产权的虚拟仪器核心丌发技术，也没有相关的行业标准虚拟仪器产业无论在规模 还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场加入 w t o 以后，我国虚拟仪器行业面临的形势更加严峻n 0 。 总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展，v i 技术也会不断向 气一 太原理工大学硕士研究生学位论文 前发展，微型化、智能化和网络化将成为今后v i 研究开发的主导方向。伴随网络技术的 高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) ” 的概念1 目自玎，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的 实验教学在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平重 庆大学秦树人等提出的智能化控件的思想，通过具有一定智能的多功能控件提高虚拟仪 器灵活性。 现在国内有很多高校和公司逐渐把虚拟仪器技术引入到矿井提升机的监测系统，并 且取得一些进展。提升机中虚拟仪器的应用才刚刚起步，处在萌芽状态，有待进一步发 展和完善。 1 4 本文主要研究内容 本文以实验室的2 j t p - i 2 矿井提升机为例，在对其结构特点进行分析的基础上， 通过现场试验，开发出基于l a b v i e w 平台的提升机远程监测与诊断试验系统。对该系统 的原理、功能进行详细的介绍，并对各功能模块的设计思路，实现方法以及系统的软、 硬件设计作了详尽的阐述。 主要完成的工作如下： 1 论述了提升机监测系统和虚拟仪器技术的发展与现状以及本课题的背景与意 义。 2 述了矿井提升机的性能、结构，根据实际情况设计了监测方案。 3 本文利用现有的硬件条件，组建了信号采集和预处理电路。 4 在l a b v i e w 软件平台基础上，利用d a q 技术，完成了多通道实时信号采集。 5 完成了信号的分析和处理，实现了故障报警功能。 6 应用a d o 技术实现了数据的存储和应用s q l 语句的查询功能。 7 通过d a t as o c k e t 技术和w e b 两种方式实现了信号的远程传输。 1 5 小结 本节主要分析了课题的背景与意义即提升机在线和远程监测的必要性和重要性：同 时就本课题设计到监测诊断、虚拟仪器技术的研究现状和发展作了相关的论述，在此基 础上提出本文的研究内容。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章相关技术与理论 2 1 引言 虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等 领域已经有了相当的发展。p c 机的出现使仪器的计算机化成为可能。在仪器计算机化的 领域中，n i 公司走在了前列，甚至在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已 经在m a c i n t o s h 计算机上推出了l a b v i e w 2 0 以前的版本。对虚拟仪器和l a b v i e w 长期 的、系统的和有效的研究丌发使得n i 公司成为业界公认的权威。 虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重 要方向。 作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、 测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自 动测试系统的同义语。 我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求 更加强劲：虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都 为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。因此，我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜 力。 现在虚拟仪器技术在发达国家的应用己非常普及，而我国基本上还处于传统测试仪 器与计算机互相分离的状态，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。加入w t o 以后， 我国虚拟仪器行业面临的形势更加严峻。因此，从引进国外先进的虚拟仪器技术和产品 入手大力推广虚拟仪器的应用无论对加速发展我国自己的电子仪器工业还是提高我国 的测试技术水平都具有重要意义。 2 2 虚拟仪器技术 2 2 1 虚拟仪器的定义及特点： 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n tv i ) 是2 0 世纪8 0 年代末由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，n i ) 提出的新概念，是对传统仪器概念上的重大 突破。它是以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设备和为实现特定功能而编制的 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 软件而形成的一种新型仪器m 1 。v l 改变了传统的测量模式，把原来由某些硬件甚至许多 硬件完成的功能，通过软件来实现h 1 。 虚拟仪器技术的特点： 1 高性能 虚拟仪器技术是在计算机技术的基础上发展起来的，在数据导入磁盘的同时就能进 行繁琐的数据分析和处理。随着计算机和网络技术的发展，虚拟仪器技术将越来越能体 现其高性能的特点。 2 可扩展 由于虚拟仪器软件的灵活性用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投 资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个测试系统。在利用最新科技的时候， 就可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 3 开发周期短 虚拟仪器开发软件的灵活设计极大的缩短了工程师开发系统的时间，使得工程师可 在极短的时间内开发出符合要求的测试诊断系统。 4 可实现系统集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复 杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同 设备要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的i 0 设备提供了标准的接口，帮助用 户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 2 2 2 基本原理 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，以通用计算机为核心的硬件平台，由用户设计定 义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现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。虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计 算机的界限模糊了。 2 2 3 主要功能 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i 0 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。 一8 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3l a b vie w 软件 2 3 1 概述 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 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 ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i ) 的创新软件产品，也是 目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。 l a b v i e w ( 1 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 ) 是一种图形化 的编程语- a 和开发坏境，它广泛的被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是 标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 不仅提供了与遵从g p i b ，v x i ，r s 一2 3 2 和 r s 一4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数，而且其图形化的编程界面使编程过程生动有趣。l a b v i e w 是一个 功能强大的且灵活的软件，利用它可以方便的建立自己的虚拟仪器。 以l a b v i e w 为代表的图形化程序语言，又称为g 语言。使用这种语言。编程时，基本 上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。l a b v i e w 软件尽可能利用工程技术 人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工 程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷 途径他1 。 2 3 2l a b v i e w 的有关功能 在该软件的支持下，能够实现绝大多数传统仪器的功能。比如数据存储，数据检索， 波形回放等。还能构建自己需要的仪器，实现传统仪器的功能，达到节省成本实现仪器 的智能化集成化的效果。本软件提供的网络传输功能可将位于不同地区的虚拟仪器连 接，实现虚拟仪器的网络化。 l a b v i e w 软件是n i 公司丌发的专门针对设备的监测诊断与控制丌发的一款软件，其 兼容性强，功能强大。用户能利用这款软件开发出自己所需要的系统。最重要的是，现 在世界以及国内的许多监测仪器公司所生产的产品大都能直接或者间接的应用l a b v i e w 软件进行系统丌发。比如本课题所应用的研华公司的数据采集卡，虽然不能直接用 l a b v i e w 对其进行数据采集，但是公司专门针对n i 公司的l a b v i e w 软件，开发出采集程 序。这一采集程序相当于数掘采集卡与l a b v i e w 软件的接口程序，把采集卡获得的数据 输入电脑，应用l a b v i e w 对其进行后期处理。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 2 1 数据采集d a q 这是所有监测系统最前期的工作，其流程是通过数据采集卡把采集到的数据采集到 计算机里。由于n i 公司以研制开发先进的d a q 产品起家，因此，功能强大的d a q 产品 软件支持是l a b v i e w 的显著特色之一。 在l a b v i e w 中用户是通过l a b v i e wd a qv l s 来完成d a q 编程应用的，所有的l a b v i e w d a qv i s 都包含在功能模板_ d a t aa c q u i s i t i o n 子模板中，如图2 1 。 a n s l o g0 啦m v l s 0 i g 谵ju ov t s a n a l o gi r l p u tv l c a l i b f a l l o n 秘州 c o n f i g u r a t 蜘v c o , a n t ev i s 筠扣翻c o n d i l , o n i n gv i a 图2 - 1d a t aa c q u i s i t i o n 子模叛 f i g 2 - is u b - t e m p l a t eo f d a t a a c q u i s i t i o n d a t aa c q u i s i t i o n 子模板共包含6 个子模板，每个子模板分别完成不同的数据采集 任务嘲。 各个子模板的主要功能如下： a n a l o gi n p u t 子模板：完成模拟信号的数据采集，将外部模拟信号通过d a q 设备的 a d 功能转化为数字信号，并采集到计算机中。 a n a lo go u t p u t 子模板：完成模拟信号的输出，将计算机所产生的数字信号通过d a q 设备的d a 功能转化为模拟信号，然后输出。 d i g i t a li o 子模板：用于控制d a q 设备的数字i o 功能。 c o u n t e r 子模板：用于控制d a q 设备的计数器功能。 c a l i b r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n 子模板：用于校准和配置d a q 设备，并能够返回 d a q 设备的配置信息。由于n i 公司在d a q 设备出厂前已经进行了校准，一般情况下用户 将很少用到c a li b r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n 子模板中的d a qv l s 。 s i g n a lc o n d i t i o n i n g 子模板：将从温度传感器、应变片或热电偶中采集到的模拟电 压信号转化为相应的应力单位或温度单位。在这些v i s 中，可以根据特定的精度需求编 辑转换公式。需要注意的一点是，如果用户编辑了自己的公式，则需将这些v l s 另外保 1 0 - 太原理工大学硕士研究生学位论文 存到用户自己的文件夹中。 由于我们设计的系统采用研华公司的数据采集卡，采集卡的驱动中带有编写数据采 集程序所用到的v i 。在后面的章节中我们会重点为大家介绍“们。 2 3 2 - 2 信号分析与处理 l a b v i e w 中包括许多分析工具。在f u n c t i o n 的首页，集中安放了s i g n a la n a l y s i s 方面的e x p r e s sv i ，他们的功能如下： 滴爹甏z 曩黪篱! 誊 同茎箍 l 。j 、一。；，。一。；。2 图2 - 2e x p r e s sv i 信号分析工具 f i & 2 - 2e x p r e s sv is i g n a la n a l y s i st o o l s p e c t r a lm e a s u r e m e n t s ：谱测量，包括峰值谱、均方根值谱、功率谱以及功率谱 密度 d i s t o r t i o nm e a s u r e m e n t s ：失真度测量，如总谐波失真度等 t o n em e a s u r e m e n t s ：调测量，即寻找最大幅值的频率成分 a m p li t u d e l e v e lm e a s u r e m e n t s ：电压测量，包括直流分量、均方根值、峰值、 峰峰值、周期平均值、周期均方根值等 t i m i n g t r a n s i t i o nm e a s u r e m e n t s ：定时和瞬态测量，通常用于脉冲信号 c u r v ef it t i n g ：曲线拟合，包括线性、二次、样条、多项式、通用最小二乘法、 非线性等多种类型。 f i l t e r ：滤波器，包括低通、高通、带通、带阻及平滑等。 s t a t i s t i c s ：统计，包括返回信号的算术平均数、中值、均方根值、标准差、方差 等。 塑圃圃一面一画凰螋凰婴固竺同五 f l m j i m r l n l1j 凰型盟一雹一固一 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m u l a t es i g n a l ：仿真信号，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波及噪声等。 m a s ka n dl i m i tt e s t i n g ：信号监测，即检查信号是否超出设定的上下边界范围。 c r e a t eh i s t o g r a m ：建立输入信号的柱状图。 该软件除提供上述e x p r e s sv i 及其功能以外，还提供了大量基本的函数，在 f u n c t i o n - a l lf u n c t i o n - a n a l y z e 目录下。如图2 3 ： 图2 - 3 完全的分析予模板 f i g 2 - 3c o m p l 咖a i i a i y s i ss u b - m m p l a m 从左到右的子模板依次为：波形测量、波形调理、波形监测、波形发生、信号处理、 逐点计算和数学分析。 函数的具体应用我们在后面的章节介绍。 2 3 - 2 3 远程传输 一、应用d a t as o c k e t 技术进行信号传输： 利用l a b v i e w 软件进行信号传输是通过d a t a s o c k e t 技术实现的。d a t a s o c k e t 技术 是美国n i 公司提供的一种专门用于传送信号的网络传输技术，它建立在t c p i p 协议的 基础之上，但是不用进行复杂的底层t c p 编程就可以通过计算机网络向多个远端的终端 同时广播现场的测量数据。它极大的简化了应用程序之间以及计算机之间进行数据传输 的过程。无论是通过编程的方法还是前面板对象连接的方法使用d a t as o c k e t 传输数据， 它都可以在程序运行后自动查找计算机中的网络硬件，局域网上的计算机会通过网卡、 做过i n t e r n e t 设置的计算机会通过调制解调器连接到网络服务器上n 射。 d ss e r v e rm a n a g e r 用来进行d ss e r v e r 设置。其中可以设置的项目有：允许同时 建立连接的最大数目、允许动态创建的数据项最大数目、数据输入输出的计算机许可设 置、预定义数据项设簧等。具体项目如图l 所示： - 1 2 - 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s cr i p t l o n m a x c o n n e c t i o n s ：厂可爿 图2 - 4d ss e r v em a n a g e r 设置对话框 f i g 2 - 4d ss e r v em a n a g e rs e t t i n gd i a l o gb o x d ss e r v e r 是一个小巧的独立运行的程序，发布数据的程序通过它输出数据，输入 数据的程序通过它接收数据。因此在传送数据之前都应该事先打开d ss e r v e r 。 利用d a t as o c k e t 技术进行信号传输有两种方式，：设计程序来传输数据；直接将 前面板进行连接。 ( 1 )通过编程的方法传输数据：使用d a t as o c k e ta p i 与d a t as o c k e ts e r v e r 通 过d a t as o c k e ta p i 的形式是c o m m u n i c a t i o n - - - d a t as o c k e t 函数子模版中的一组v i 。 ( 2 )使用d a t as o c k e t 链接前面板；这不需要任何编程，它把两个前面板连接起来， 一个对象发送数据，另一个对象接收数据。需要设置的参数有c o n n e c tt o 和c o n n e c t i o n t y p e 并且选中e n a b l e 选项。 二、浏览器方式： 浏览器方式只需要对w e bs e r v e rb r o w s e ra c c e s s 和w e bs e r v e rc o n f i g u r a t i o n 进行设置，然后在指定的w w w 服务器目录下新建一个网页用来调用需要传输信号的v i ， 并进行控制。当客户机无法对v i 进行控制时可以点鼠标右键，选择口r e q u e s tc o n t r o l o fv i ”。这种方式的优点是远程用户可直接通过访问服务器的i p 地址察看v i n 町。 2 3 2 4 数据存储与查询 我们所编制的数据库操作程序是应用a d o 技术完成的。n i 公司的这款软件提供了很 多种数据操作的方法。我们应用的是l a b v l e w 的a c t i v e x 功能，调用m i c r o s o f ta d o 控 件，用s o l 语言实现数据的查询。 s q l ( s t r u c t u r eq u e r yl a n g u a g e ) 语言是目前关系数据库领域中的主流查询语言， 广泛应用于各种数据库的操作和管理。它不仅能够在单机环境下提供对数据库的各种操 - 1 3 - 太原理工大学硕士研究生学位论文 作访问，还能做为分布式数据语言用于b s 模式数据库应用的开发。 a d o 是a c t i v e xd a t ao b j e c t 的缩写，建立在o l ed b 底层技术之上。它实际上是一 个o l ed b 客户程序，使用a d o 的应用程序间接的使用了o l ed b 。 o l ed b 是o d b c 的扩展，可以直接连接数据库，也可以通过o d b c 连接数据库。 a d o 提供了一种数据库编程对象模型，可以象使用其它任何a u t o m a t i o n 对象一样使 用a d o 。a d o 中常用的对象有c o n n e c t i o n 、c o m m a n d 、r e c o r d s e t 、p a r a m e t e r 、f i e l d 和 e r r o r ，它们分别表示连接、命令、记录集、参数、子段和错误等对象n 。 2 4 信号分析技术 由于诊断故障而测得的信号多是时间的历程函数，为了更充分地利用所测信号，有 必要从多个侧面对它进行加工处理，这个加工处理的运算过程就是信号的分析与处理。 目前，信号分析与处理的方法很多，在本章只对课题中用到的数据分析与处理方法进行 论述。 在信号处理中，数学变换既是信号分析与处理的工具，又是信号分析与处理的基础 内容。傅立叶变换是从时域到频域的变换或其逆变换。在本课题中，我们用傅立叶变换 及其快速算法末完成从时域到频域的信号转换。在信号分析过程中我们还用到时域分析 方法、频域分析方法。 2 4 1 傅立叶变换 频域分析是机械故障诊断中最广泛应用的信号处理方法之一，工程上任何复 杂的周期信号都可以按照傅立叶级