LabVIEW系统及其在煤矿设备故障诊断中的应用

胡志江

（西山煤电（集团）有限公司杜儿坪矿， 山西 太原 030024）

引言

传统的测控仪器由于使用不便、成本费用高、技术更新缓慢等原因，越来越不能满足现场的使用要求。随着电子信息技术的发展，将基于计算机的虚拟仪器用到机械设备的故障诊断上成为新的发展趋势，通过采集原始数据并对数据进行计算分析，最终对煤矿机械零部件进行合理的诊断，得到煤矿设备的运行状态结果[1-2]。这种基于LabVIEW的在线诊断方法可降低设备检测成本，提高设备检测效率，具有很大的发展前景。

1 LabVIEW概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式[3]。这种图形化的编程方法使程序变得更加直观，使编程人员的思路更加清晰，可极大地提高编程人员的工作效率。

目前的LabVIEW已经具备了非常强大的功能。在LabVIEW环境下，可以通过对专门程序的模块进行设计或调试，再利用合适的软件支持，可以确保所创建出的人机交互界面的高效性和友好性，另外，LabVIEW具有集成性能的硬件级软件平台，依托于PC平台而且具有同步集成功能，设置有高端定时及触发总线，还具有模块化的I/O硬件和相关测试软件，以满足更精准和任务量更大的测试。因此，作为一种开发环境，LabVIEW具有非常强的优势[4]。

2 LabVIEW实现煤矿设备故障诊断的原理

煤矿设备的故障诊断通常以检测设备的振动信号为主，结合对设备关键零部件的温度、压力、应力和应变等参数的监控，最后基于专业知识和经验做出判断。整个故障诊断过程主要分为四个过程：信号采集；对采集的信号进行分析处理；状态评价；系统自动修正或者人工修正。利用LabVIEW的相关函数模块对数据采集卡采集到的各种信号进行分析、处理，同时应用一些判定方法，如逻辑判定、功能判定、值域判定和时域判定等加以评判，最终完成煤矿设备的故障诊断和修复。

2.1 基于振动信号的诊断原理

机械设备在运行过程中，不可避免地会产生振动与噪声，而煤矿设备所处的特殊环境和重负荷工作状态，决定了煤矿设备运转时的振动和噪声更加明显。机械设备的振动一般是由一系列的简谐振动和其他振动的分量以及随机产生的噪声叠加而成的，其中电机的转速和设备的固有频率对振动的影响最为显著。设备在正常运转和异常运转情况下的振动波形是有明显差别的，因此可以通过对煤矿设备关键零部件和整机的振动监测对设备进行故障诊断。

振动测试项目通常有速度、加速度和振幅等，通过相应的传感器对这些信号进行采集，LabVIEW将采集到的信号通过在界面中表现出其“振幅-时域”波形，用相关函数对波形进行分析，获得波形的关键参数，然后与设备正常运转时的相关参数进行对比，进而得出设备的运行状态是否正常及判断故障点位置所在。

2.2 基于转速信号的诊断原理

设备的转速是否正常直接反映设备的运转状态。一般情况下，转速测试的方式主要有光电式、机械式和霍尔效应式等。基于LabVIEW的转速信号诊断方法采用的测试方式为光电式。光电式式利用光电效应原理，将光电晶体管与光电二极管进行组合而构成控制开关，在转速的测量过程中，首先利用带孔的圆盘获取脉冲，再使用LabVIEW中的计数器得到单位时间内的脉冲数，进而通过计算得到目标物的转速[5]。

通过LabVIEW对采集到的脉冲数进行分析，得到关于转速的相关参数，然后对两个相互联系的参数数据进行逻辑上的比较，当发现两个参数数据的逻辑关系与正常情况下的不同时，则可以判断设备产生的相应的故障。

2.3 基于温度信号的诊断原理

机械设备的温度特性也是设备的一大重要特性，因此对机械设备关键零部件的温度监测，可以用来辅助诊断机械设备的运转是否正常。目前，工业上常用的温度传感器有热电偶式、热电阻式、热敏电阻式和半导体集成式，其中，热电偶式温度传感器应用最广泛。LabVIEW可通过热电偶式温度传感器采集到设备的温度信息，通过对采集到的各温度值与预设温度范围进行对比，可判断出设备是否运行正常及设备的故障点所在。

2.4 基于应变信号的诊断原理

煤矿设备由于长期处于高负荷运转，不可避免地会导致其关键承力部件发生一定的变形，但机械材料的变形都是有一定限度的，当超过一定限度之后其变形将不可恢复，因此需要对易变形部件进行实时监测。

LabVIEW通过采集电阻应变片的电阻信息，经计算可得出此零部件的应变量，然后将此应变量与预设的应变范围进行对比，可诊断出此零部件是否出现或即将出现故障。

3 故障诊断系统的组成

基于LabVIEW的煤矿设备故障诊断系统主要包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分主要由传感器、数据采集器和接口设备组成。传感器是采集相关信号的关键部件，可采集温度、压力等信号；数据采集器的作用是快速准确地将传感器得到的信号存入数据库中，防止数据的丢失，同时可加快数据的分析速度；接口设备主要用来连接传感器和数据采集器，以有效快速地传送信号数据。其硬件结构示意图如图1所示。

软件部分是基于Windows操作系统中LabVIEW平台而编写的程序。软件系统主要由数据采集、数据存储、数据处理和结果显示四个模块组成，其结构示意图如图2所示。

图1 基于LabVIEW的煤矿设备故障诊断系统硬件结构示意图

图2 基于LabVIEW的煤矿设备故障诊断系统软件结构示意图

4 LabVIEW在矿井提升设备故障诊断系统中的应用

矿井提升机是煤矿生产中的主要设备之一，其运行状况直接影响到煤矿的生产安全[6]。矿井提升设备故障诊断系统主要由传感器、数据采集和数据分析处理等部分组成。根据矿井提升设备的运行特性，设置诊断系统的主要监测对象为电动机、减速器和滚筒，其主要监测对象和内容如表1所示。

表1 监测对象和内容

根据实际情况，振动信号采用压电式加速度传感器，测量范围是0.5～5 000 Hz；温度信号采用热电偶式传感器，测量范围是0～200℃；针对各种传感器，需根据其具体要求和相关参数选取合适的数据采集模块来完成信号数据的采集。

软件部分采用LabVIEW平台进行程序编写，其中每个监测点的温度和振动信号处都设置有显示灯，当检测值在正常范围内时显示灯为绿色，当检测值超出正常范围时显示灯为红色，系统产生报警并进行记录。系统的程序框图如图3所示，程序前面板（主界面）如下页图4所示。

5 结论

图3 诊断系统的程序框图

1）LabVIEW是一款图形化的编程语言，这种编程方法使程序的编写变得更加直观、清晰和高效，并且其特别适用于信号采集和监测系统。

图4 诊断系统主界面

2）将LabVIEW应用在煤矿设备的故障诊断上，通过信号数据的采集和分析，对煤矿机械的零部件进行合理的诊断，最终得到煤矿设备的运行状态结果；检测成本低、效率高，具有很大的发展前景。