基于LabVIEW的带式输送机动态特性参数监测系统

曾 飞，欧宏日，黄书伟，宋杰杰

(1.武汉科技大学，冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081；2.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081)

0 引言

带式输送机是港口散料运输关键设备，具有大运量、高带速和运距长等优势[1]。然而，其恒速运行模式也造成输送机在空载或轻载时大量能耗浪费。近年来，带速控制技术虽极具节能潜力，但由于尚未充分考虑黏弹性输送带复杂动态特性，实际调控策略易造成误判而产生输送带撕裂、跑偏和叠带等事故，从而影响港口生产安全[2-3]。因此，实时监测带式输送机动态特性参数，探索输送带动张力随带速非线性变化规律，对加快带式输送机调速节能控制技术应用具有重要意义。

目前，带式输送机动态特性参数监测主要有人工判别法、智能监测法。其中人工判别法通过人工记录参数，通过经验判断监测分析，劳动强度大、实时性不高，且易造成漏检[4]。智能监测法以自动化程度高、实时性好、准确性强等优点逐渐成为有效手段[5-6]。刘晓雪[7]等通过移植Linux操作系统，采用C、C++语言开发了带式输送机监控系统交互界面，可显示张力、带速等检测值。杨瑶[8]等运用Visual Studio 2010与STM32F407设计了一种输送机监控系统，并基于C# WinForm开发了上位机软件实现输送机张力、带速等当前值显示。上述系统具备一定实用性，但上位机软件编程较复杂，对张力、带速数据分析处理研究较少，显示不直观，没有实时曲线显示、报表保存等功能。为直观地监测输送机动态参数与运行状态，邓玉娇[9]等基于组态软件设计了采煤机监控系统，通过CAN总线实现采煤机带速、张力等在线监测显示。李宏伟[10]等基于RS485和CAN总线设计了输送机张力、带速等监控系统。李希彬[11]等基于PLC与MCGS对带式输送机运行状态进行监测。上述监测系统采用总线通信，布线较复杂，通信距离短，不利于维护。为实时、直观、有效地对带式输送机动态特性参数进行监测，本文开发了基于LabVIEW的带式输送机动态特性参数监测系统，该系统通过电阻应变式压力传感器、光电编码器采集输送机动态特性参数(张力、带速)，经5G模块远程高速传输至上位机，并由图形化编程软件LabVIEW实现张力、带速数据可视化及实时预警，可为输送机调速控制模型建立提供数据支撑，为分析输送带动张力随带速非线性变化规律提供可视化界面，方便管理人员有效监管输送带运行状态，有助于加快散料运输智能化建设。

1 系统总体设计

基于LabVIEW的带式输送机动态特性参数监测系统结构图如图1所示。该系统将输送带动态特性参数(张力、带速)实时采集并传输至上位机，再经LabVIEW软件进行汇总、显示。系统结构包括数据采集终端和上位机管理软件2部分。数据采集终端包含张力、带速采集模块、主控模块和网络传输模块，实现张力、带速的采集并远程传输至上位机。上位机管理软件界面包括用户登录界面、数据显示、报警模块及数据保存，可方便管理人员对带式输送机运行情况进行监控及干预。

2 硬件设计

2.1 张力采集

张力采集模块包括电阻应变式压力传感器、运算放大器、A/D转换器。压力传感器安装装置由滚轮、压力传感器和支撑板等组成，安放于上输送带下方，滚轮与输送带测试点直接接触，滚轮通过螺栓副、三角架与压力传感器相连，压力传感器通过螺栓副与支撑板相连。压力传感器安装装置及滚轮处受力分析如图2所示。

由受力分析知，水平方向满足：

F2cosα-F1cosα=0

(1)

垂直方向满足：

T(t)-F1sinα-F2sinα-Fg=0

(2)

又因为F1=F2，故F(t)=F1=F2，则

(3)

式中：F(t)为输送带瞬时张力；T(t)为LFP-17传感器所测瞬时压力；Fg为滚轮、三角架、螺栓副与LFP-17压力传感器重力之和，需静态标定；α为输送带与水平方向间夹角，范围为5°～15°。

通过传感器所测压力，由式(3)算得输送带瞬时张力值。

2.2 带速采集

带速采集模块包括光电编码器、滚轮和联轴器，基于光电转换原理实现带速测量。通过联轴器将光电编码器与滚轮相连，滚轮紧靠输送带下表面安装，光电编码器选用欧姆龙编码器E6A2-CS3S 1000P/R，STM32单片机读取光电编码器随输送带运行而转动产生的方波信号，并将数据通过RS232转SIM8202G-M2 5G模块传输送至上位机，实现带速实时测量，假设光电编码器在一定时间T内产生的脉冲个数为N(t)，光电编码器转轴直径为D，则输送带在t时刻的带速v(t)为

(4)

2.3 主控模块

系统主控模块采用32 bit的STM32F103ZET6单片机，该芯片CPU主频可达72 MHz，包含112个I/O口，6个定时器，512 KB字节的FLASH闪存程序存储器，64 KB字节的SRAM，1个JTAG接口，5个USART异步串口(2个RS232串行接口)以及3路SPI硬件总线等[13]。PC并口转JTAG接口用于调试主控芯片内部程序，因该芯片工作电压为2.0～3.6 V，则电源模块采用+3.3 V LDO芯片SPX1117-3.3型将+5 V电源稳压滤波转换为STM32F103ZET6所需的+3.3 V电源，为改善LDO芯片输出电压稳定性，在输出端接1个10 μF钽电容[14]。该主控芯片具备较强抗干扰能力，可适用于工业产线的现场控制。

2.4 网络传输模块

网络传输模块采用5G模块SIM8202G-M2，该模块尺寸小、低功耗及扩展能力强，包含标准UART、USB 3.1和GPIO接口，支持多频段5G WCDMA/LTE-FDD等模块，支持5G NSA/SA最高2.4 Gbps数据传输。SIM8202G-M2嵌于配套EVB板上，型号为SIM8200-M2-EVB2_V1.01。因SIM8202G-M2接口支持AT指令，STM32单片机通过SIM8202G-M2 5G模块内置的TCP/IP协议栈制定网络传输协议，上位机可对现场SIM8202G-M2模块发送AT指令进行数据传输配置及控制该模块复位及开关机等，实现高速双向数据传输。该模块供电电压为3.135～4.4 V，典型值为3.8 V，为防止弱信号环境下模块供电电压不小于3.135 V，需采用大于3 A的LDO/DC-DC电源，并在端口处接420 μF以上电容进行稳压滤波。STM32与该模块通过RS232串口通讯，因RS232电平与STM32输出的TTL电平逻辑相反，故数据交互过程需采用MAX232E芯片实现TTL电平与RS232电平之间的转换[15]。为减少能耗，可通过AT指令“AT+CSCLK=1”将该模块设置为休眠模式。

3 软件设计

带式输送机动态特性参数监测系统软件基于LabVIEW开发，包含张力采集模块、带速采集模块、数据保存模块，实现参数显示与监测、报警及数据保存查询等功能。动态特性参数(张力、带速)可保存在STM32单片机中，上位机利用VISA函数实现与底层硬件设备相连。

3.1 张力采集模块

张力采集模块所测输送带张力经LabVIEW数值运算程序而得。通过“字符串至字节数组转换”函数，对送来的字符串以数组的形式输出，实现数据读取。该模块程序采用while循环随时监测接收缓冲区的数据字节数，大于0时，数据才能读入，所有数据读取完成后，VISA关闭函数关闭串口通信。张力采集模块包含报警及报警值记录功能，将张力值与设定阈值(1 000 N)比对，若超出该值，则会报警。张力采集程序如图3所示。

3.2 带速采集模块

带速采集通过STM32读取光电编码器脉冲个数，进而获得输送带瞬时带速。LabVIEW内自带的时钟模块，可记录已用时间，进而可计算平均带速。波形图表控件及仪表用于带速的实时显示，通过“比较函数”将瞬时带速与设定阈值(3 m/s)比对，满足运算符号要求时，布尔指示灯控件和条件结构被激活，报警灯变为红色，同时弹出提醒对话框，实现报警功能，LabVIEW内创建表格模块可实现报警值的记录。带速采集程序如图4所示。

3.3 数据保存模块

数据保存模块通过调用已用时间、条件结构等实现延时操作，减少数据保存数量。因用户无法从系统所保存的数据本身区分采集时间，为方便用户查询历史数据，程序采用数据检测时间命名文本文件，且采用简单的.txt文件格式[16]。通过“连接字符串”将张力与带速写入文本文件时，必须采用“制表符常量”库函数连接，否则数据无法有效读取。数据保存程序如图5所示。

4 系统调试与分析

监测系统前面板集在线监测与数据保存界面于一体，利用“选项卡”功能可进行两者界面的切换。2个波形图表控件可实时、准确地实现带式输送机动态特性参数张力、带速的在线波形显示，2个数值输入控件实现输送机张力、带速阈值设置，2个布尔指示灯控件用于监测输送机运行状态。

实验选取槽型二托辊带式输送机实验平台作为调试对象，其主要技术参数如表1所示。张力测试布置点距离机头1.65 m处，带速采集模块置于下输送带上表面距离机头0.8 m处，系统调试如图6所示。

表1 带式输送机主要技术参数

0～20 s、120～140 s分别为输送机启、制动过程，由曲线可知，张力与带速变化趋势相仿，20～120 s匀速运行阶段，张力值大致趋于稳定；启、制动段因张力值变化显著，会对输送机造成一定冲击，但输送机总体运行状况正常。调试结果表明：该系统能实时、准确接收张力、带速数据，实现数据可视化，系统监测功能良好，能较好地达到预期效果。

5 结束语

基于LabVIEW的带式输送机动态特性参数监测系统通过电阻应变式压力传感器、光电编码器实现输送带张力、带速实时、准确的采集，系统采用STM32F103ZET6单片机作为主控芯片，并通过RS232串口转SIM8202G-M2 5G模块将数据远程传输至上位机，结合LabVIEW软件实现带式输送机张力、带速的自动监测，具有界面友好、精度高、移植性强和数据传输网络化等优点，该系统配有报警模块及数据保存查询模块，可有效提升输送机稳定性和安全系数，确保安全生产和物料输送效率，实验表明该系统可为构建系统全局最优的调速控制模型提供数据支撑，为研究输送带动张力随带速非线性变化规律提供可视化界面，对加快散料运输智能化建设进程具有一定促进作用。