采煤機(jī)控制與監(jiān)測系統(tǒng)編程說明

1、基于NI CRIO的采煤機(jī)控制與監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)程序說明應(yīng)用領(lǐng)域：礦山機(jī)械參賽隊(duì)伍：中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電一隊(duì)參賽時(shí)間：2010.122011.31 系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機(jī)的控制以及各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等功能。具體功能包括：1 實(shí)時(shí)監(jiān)測：通過配置可以實(shí)時(shí)讀取網(wǎng)絡(luò)上任意數(shù)量，任意數(shù)據(jù)類型的監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。2 閾限報(bào)警：對每一路監(jiān)測參數(shù)可以配置報(bào)警極限，主界面窗口將閃爍顯示，并使采煤機(jī)的速度下降，防止重大事故的發(fā)生。3 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)：可以將監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，供歷史查詢使用；4 實(shí)時(shí)曲線：顯示任意采煤機(jī)監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)變化趨勢；5 歷史曲線：可以以曲線形式讀取

2、任意參數(shù)在任意時(shí)間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)6 用戶權(quán)限管理：不同的用戶具有不同的權(quán)限級(jí)別，只有登錄后才能訪問相應(yīng)權(quán)限對應(yīng)的系統(tǒng)功能；7 運(yùn)行日志：可以查看系統(tǒng)的報(bào)警歷史信息、錯(cuò)誤歷史信息和各種事件信息；8 控制功能：9 智能診斷：利用礦業(yè)大學(xué)在采煤機(jī)研發(fā)的科研實(shí)力以及豐富的經(jīng)驗(yàn)，加入智能的診斷算法，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)簡易故障的實(shí)時(shí)診斷。10. 智能減速：當(dāng)監(jiān)測到故障信息時(shí)，采煤機(jī)會(huì)自動(dòng)的減速，防止重大事故的發(fā)生。2 程序說明2.1 啟動(dòng)系統(tǒng)與login2.1.1 前面板啟動(dòng)系統(tǒng)前面板主要由登錄、添加用戶、刪除用戶和退出四個(gè)操作按鈕組成。登錄按鈕作用：點(diǎn)擊此按鈕后彈出用戶登錄對話框，用戶需輸入正確的用戶名和密碼

3、后方可進(jìn)入到主界面。添加用戶按鈕作用：用以管理員添加新的用戶權(quán)限。刪除用戶按鈕作用：用以管理員刪除原有的用戶。點(diǎn)擊退出按鈕則退出啟動(dòng)系統(tǒng)。圖 1 啟動(dòng)中界面圖2 啟動(dòng)成功后界面2.1.2 程序框圖啟動(dòng)系統(tǒng)主要采用幀結(jié)構(gòu)和case結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程。系統(tǒng)運(yùn)行后第0幀為初始化，通過各個(gè)控件的visible屬性控制他們的顯示和隱藏。圖3 初始化程序框圖第0幀完成后進(jìn)入第1幀，第1幀中通過一個(gè)while循環(huán)控制程序的連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)退出按鈕后退出循環(huán)，即可退出啟動(dòng)系統(tǒng)。第1幀中又包含3幀，分別為登錄、添加用戶和刪除用戶的程序。點(diǎn)擊登錄按鈕后，彈出用戶登錄對話框，通過登錄程序子VI在數(shù)據(jù)庫中讀出已有的用戶名和密

4、碼，如果輸入的用戶名或密碼不正確則彈出相應(yīng)的錯(cuò)誤提示，如果正確則依次運(yùn)行RT程序、打開并運(yùn)行主界面和關(guān)閉啟動(dòng)界面。圖4 登錄程序點(diǎn)擊添加用戶按鈕，首先彈出管理員登錄界面，若輸入的管理員用戶或密碼不正確則彈出相應(yīng)提示；若正確則彈出添加用戶對話框，輸入的用戶不能為已有用戶名或是用戶名或密碼為空，否則會(huì)彈出相應(yīng)錯(cuò)誤提示。圖5 添加用戶程序點(diǎn)擊刪除用戶按鈕，首先彈出管理員登錄界面，若輸入的管理員用戶或密碼不正確則彈出相應(yīng)提示；若正確則彈出刪除用戶對話框，輸入的用戶必須為已有用戶名，否則會(huì)彈出相應(yīng)錯(cuò)誤提示。圖 6 刪除用戶程序2.2 主界面程序說明2.2.1 前面板主界面的前面板是采煤機(jī)控制和故障診斷系

5、統(tǒng)的一個(gè)過渡界面。主界面是通過登陸界面進(jìn)入的，在主界面中操作人員可以在第一時(shí)間觀察到采煤機(jī)啟動(dòng)所需要參考的一些參數(shù)和報(bào)警指示燈，以對采煤機(jī)后面的操作進(jìn)行一個(gè)銜接。按下開機(jī)按鈕后就可以啟動(dòng)采煤機(jī)控制系統(tǒng)，在操作“控制界面”、“故障診斷”和“數(shù)據(jù)庫”三個(gè)按鈕后可以在三個(gè)界面中進(jìn)行切換，切換的核心也是在主界面中。在對主界面前面板的“退出”按鈕進(jìn)行操作后可以關(guān)閉整個(gè)labview程序。主界面的前面板如圖7所示。圖7 主界面2.2.2 程序框圖：主界面采用事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，對“開機(jī)”、“控制界面”、“故障診斷”和“數(shù)據(jù)庫”分別作為四個(gè)事件結(jié)構(gòu)的分支外加一個(gè)“超時(shí)”分支編寫程序。在“開機(jī)”事件分支中，利用

6、文件I/O函數(shù)選板中的“獲取當(dāng)前VI路徑”函數(shù)得到當(dāng)前VI的路徑，再利用拆分路徑和創(chuàng)建路徑把當(dāng)前路徑變成需要打開VI的路徑，并將創(chuàng)建后的路徑傳遞給應(yīng)用程序控制函數(shù)選板中的“打開VI引用”和“調(diào)用節(jié)點(diǎn)”來對后面的三個(gè)模塊的主界面經(jīng)行操作，在這里我們調(diào)用“運(yùn)行”操作方法，使三個(gè)模塊的VI界面在后臺(tái)運(yùn)行。我們?yōu)榱耸菇缑婵雌饋砀尤诵曰?，我們在運(yùn)行“控制界面”、“故障診斷”和“數(shù)據(jù)庫”三個(gè)VI使僅僅是讓他們運(yùn)行，并沒有打開前面板顯示。這樣做的好處是使三個(gè)可以在時(shí)間上同時(shí)運(yùn)行，但并不是都顯示在電腦屏幕上，這樣可以使后面的面板操作按鈕使用得更加得心應(yīng)手。“開機(jī)”事件程序框圖如圖所示圖8主界面“開機(jī)事件”程

7、序框圖控制監(jiān)控界面是整個(gè)采煤機(jī)控制系統(tǒng)的主界面，主要有狀態(tài)監(jiān)控、超限報(bào)警和采煤機(jī)控制等功能。在“控制界面”、“故障診斷”和“數(shù)據(jù)庫”事件結(jié)構(gòu)中，要實(shí)現(xiàn)的主要功能就是分別點(diǎn)擊這三個(gè)按鈕會(huì)彈出對應(yīng)的前面板，而且這三個(gè)前面板在這之前就已經(jīng)運(yùn)行起來了。為了達(dá)到這個(gè)要求我們也利用文件I/O函數(shù)選板中的“獲取當(dāng)前VI路徑”函數(shù)得到當(dāng)前VI的路徑，再利用拆分路徑和創(chuàng)建路徑把當(dāng)前路徑變成需要打開VI的路徑，并將創(chuàng)建后的路徑傳遞給應(yīng)用程序控制函數(shù)選板中的“打開VI引用”和“調(diào)用節(jié)點(diǎn)”函數(shù)，在節(jié)點(diǎn)中選擇“打開前面板”動(dòng)作來分別打開三個(gè)分界面的前面板。在這個(gè)事件結(jié)構(gòu)中我們對這三個(gè)的操作僅僅是打開，因?yàn)樵谇懊娴摹伴_機(jī)

8、”事件中已經(jīng)對他們運(yùn)行了，避免了重復(fù)運(yùn)行而產(chǎn)生的錯(cuò)誤?！翱刂平缑妗笔录Y(jié)構(gòu)的程序框圖如圖所示。圖9主界面“控制界面”程序框圖。在事件結(jié)構(gòu)中最重要的分支要算是“超時(shí)”事件分支了，在事件結(jié)構(gòu)中當(dāng)每一個(gè)事件分支都沒有響應(yīng)時(shí)，超過超時(shí)時(shí)間后就會(huì)觸發(fā)超時(shí)事件分支。在這一個(gè)分支里面就會(huì)放上不是上面的事件分支的所有程序，使在不觸發(fā)相關(guān)事件結(jié)構(gòu)后就會(huì)一直觸發(fā)超時(shí)框圖里面的所有程序。在“超時(shí)”結(jié)構(gòu)中“左搖臂齒輪箱油溫”、“右搖臂齒輪箱油溫”、“主齒輪箱油溫”三個(gè)油溫顯示報(bào)警程序，還有模擬的左右搖臂“防爆電阻”的報(bào)警燈和當(dāng)前需要的操作提示等。主界面的操作說明也在這里面實(shí)現(xiàn)，操作說明采用屬性節(jié)點(diǎn)“visible”來

9、控制一個(gè)寫有操作說明的文本框來實(shí)現(xiàn)操作說明的顯示與隱藏。對于防爆電阻值的判斷與報(bào)警，由于沒有專業(yè)的測量設(shè)備和現(xiàn)場環(huán)境，故采用軟件模擬的方法顯示。還有“進(jìn)水量”的顯示是通過將控制監(jiān)測界面的進(jìn)水量由全局變量傳遞來進(jìn)行顯示的。整個(gè)主界面的程序框圖的主要結(jié)構(gòu)就是為了實(shí)現(xiàn)對后面的三個(gè)子面板的運(yùn)行操作和前面板的彈出操作，再加上一些開機(jī)前的控制參量顯示報(bào)警等來完成的。“超時(shí)”事件的分支如圖所示。圖10 主界面”超時(shí)”分支程序框圖2.3 控制監(jiān)測界面2.3.1 前面板控制監(jiān)測界面的前面板主要是由右側(cè)的控制按鈕和下方的采煤機(jī)模型動(dòng)畫來組成。圖11 主控制界面前面板1、 控制部分程序結(jié)構(gòu)控制程序結(jié)構(gòu)框圖是在一個(gè)大

10、的定時(shí)循環(huán)中執(zhí)行完成，在這個(gè)定時(shí)循環(huán)中又是執(zhí)行了一個(gè)關(guān)于變頻器三速控制的速度按鈕處理程序的事件結(jié)構(gòu)中。在事件結(jié)構(gòu)中事件觸發(fā)部分主要是要實(shí)現(xiàn)在速度檔位中扳動(dòng)三個(gè)其中任意一個(gè)檔位開關(guān)，其余的開關(guān)都自動(dòng)閉合，保證在任何一個(gè)時(shí)刻都只有一個(gè)檔位開關(guān)開啟。要實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能可以利用對三個(gè)按鈕的局部變量賦值的辦法來實(shí)現(xiàn)。在控制事件結(jié)構(gòu)的超時(shí)選板中裝著整個(gè)程序中絕大的部分，這一部分又可以分為程序的數(shù)據(jù)傳輸部分、采煤機(jī)模型動(dòng)畫制作部分和圍繞著兩部分的一些輔助程序等。在與RT程序的數(shù)據(jù)傳輸部分中主要采用網(wǎng)絡(luò)共享變量在定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)中傳輸。在控制模塊中的程序中，主要是把控制采煤機(jī)的控制按鍵通過網(wǎng)絡(luò)共享變量在comput

11、er程序里面寫入，在RT模塊里面讀出并捆綁為簇通過FIFO傳輸?shù)紺RIO的FPGA模塊內(nèi)的程序中。在FPGA程序中控制信息直接通過輸入輸出節(jié)點(diǎn)傳遞到硬件中的I/O口中控制硬件。同時(shí)控制信息又通過FIFO和共享變量傳回到主程序中作為控制返回信息來顯示在控制監(jiān)控界面上，顯示的方式主要是指示燈和采煤機(jī)模型圖片。在采煤機(jī)的動(dòng)畫制作部分主要是使用Labview系統(tǒng)自帶的圖形與聲音函數(shù)庫中的圖片函數(shù)子庫來完成的。其中用得最多的是畫矩形和多段直線函數(shù)。在采煤機(jī)動(dòng)畫制作中的核心思想是通過控制幾個(gè)必要的變量參數(shù)在圖片框中用畫矩形和圓直線等函數(shù)一點(diǎn)一點(diǎn)的畫出整個(gè)采煤機(jī)模型。隨著采煤機(jī)位置和搖臂傾角滾筒旋轉(zhuǎn)等控制參

12、數(shù)的改變，使圖片框里面的采煤機(jī)模型也表現(xiàn)出相應(yīng)的動(dòng)作，時(shí)工作人員能夠一目了然的獲得采煤機(jī)的動(dòng)作參數(shù)。在輔助程序中有左右行互鎖程序，在實(shí)際控制系統(tǒng)中往往是當(dāng)按下“左行”按鈕時(shí)，“右行”按鈕是按不動(dòng)的，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能我們采用屬性節(jié)點(diǎn)的“disable”功能，當(dāng)按下“左行”按鈕時(shí)，使“右行”按鈕不能操作，反之亦然實(shí)現(xiàn)左右行互鎖功能。行程開關(guān)的反饋控制信號(hào)也是很重要的一環(huán)，在實(shí)際采煤機(jī)控制系統(tǒng)中行程開關(guān)的使用是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)全行程的運(yùn)動(dòng)，使采煤機(jī)一直從最左邊觸發(fā)做行程開關(guān)后向右運(yùn)行到最右端在觸發(fā)右行程開關(guān)再往左行的全行程運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能主要采用case結(jié)構(gòu)，當(dāng)左行程開關(guān)為“true”時(shí)執(zhí)行case結(jié)

13、構(gòu)里面的函數(shù)語句，該函數(shù)語句就是使“左行”按鈕彈起，并且使“右行”按鈕按下實(shí)現(xiàn)向右行駛的功能。2、 監(jiān)測部分程序說明點(diǎn)擊主界面開機(jī)按鈕后即開始數(shù)據(jù)采集，以便于檢測采煤機(jī)的開機(jī)運(yùn)行狀況。在C-RIO的FPGA模塊中給采煤機(jī)需要監(jiān)測的各個(gè)參量配置相應(yīng)的輸入口，在FPGA程序中通過FIFO將采集到的數(shù)據(jù)傳到RT中，在RT中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，采用網(wǎng)絡(luò)共享變量的形式傳輸?shù)娇刂票O(jiān)測程序和主界面程序。3、 菜單部分為了可以實(shí)時(shí)配置采樣參數(shù)和參數(shù)閾值、查看參數(shù)曲線和幫助，我們對程序運(yùn)行菜單進(jìn)行了編輯。圖12 菜單程序框圖2.4 故障診斷界面故診斷模塊主要實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析、處理以及故障診斷的功能。2.4.1

14、 前面板：故障診斷的前面板主要由四部分組成：參數(shù)設(shè)置，時(shí)域分析，倒頻譜分析和功率譜分析。通過參數(shù)設(shè)置我們可以設(shè)置濾波參數(shù)以及電機(jī)、齒輪、軸承外圈、軸承內(nèi)圈和軸承滾動(dòng)體的特征頻率的理論值,然后我們可以分別點(diǎn)擊時(shí)域分析、倒頻譜分析和功率譜分析，得到各自的分析結(jié)果,同時(shí)顯示相應(yīng)的故障信息。圖13 故障處理界面前面板2.4.2 程序框圖：1. 時(shí)域分析：時(shí)域波形分析有直觀、易于理解等特點(diǎn)。直接對振動(dòng)時(shí)域信號(hào)的時(shí)間歷程進(jìn)行分析和評(píng)估是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷最簡單、最直接的方法。在時(shí)域分析里, 通過常用的參數(shù)指標(biāo)有: 峰值、均值、均方根值、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)等，然后設(shè)定這些指標(biāo)的報(bào)警值，當(dāng)這些指標(biāo)超

15、過一定的值，我們就通過報(bào)警和狀態(tài)信息顯示來通知故障信息。圖14 時(shí)域分析程序框圖2. 倒頻譜分析倒頻譜分析也稱二次頻譜分析, 是近代信號(hào)處理科學(xué)中的一項(xiàng)新技術(shù)。倒頻譜分析是診斷齒輪故障常用的頻譜分析方法,對識(shí)別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)很有效。點(diǎn)擊倒頻譜分析，可以得到信號(hào)的頻譜分析波形，在倒頻譜分析中，我們通過峰值檢測函數(shù)把振動(dòng)信號(hào)的倒頻譜圖中的峰值和對應(yīng)的頻率計(jì)算出來。把這些頻率和電機(jī)、齒輪和軸承發(fā)生故障的特征頻率進(jìn)行對比。當(dāng)這些頻率在齒輪和軸承發(fā)生故障的特征頻率的10%范圍之內(nèi)，我們就認(rèn)為發(fā)生了故障，最后把對應(yīng)的故障實(shí)時(shí)地顯示在狀態(tài)信息欄里。圖15倒頻譜程序框圖3. 功率譜包絡(luò)分析包絡(luò)分析是處理由機(jī)械沖

16、擊引起高頻響應(yīng)的有效方法。包絡(luò)分析的目的是分析相對高頻信號(hào)的能量隨時(shí)間的振蕩。包絡(luò)分析技術(shù)最成功的應(yīng)用主要在滾動(dòng)軸承的診斷中。圖17 包絡(luò)功率譜程序框圖2.5 數(shù)據(jù)庫界面程序說明2.5.1 前面板數(shù)據(jù)庫相關(guān)配置完成后，重新運(yùn)行系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢。操作界面分為兩部分，左邊為存儲(chǔ)控制界面，右邊為查詢控制界面。存儲(chǔ)界面中可設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間間隔，以秒為計(jì)，最少存儲(chǔ)時(shí)間間隔為1秒。開啟保存按鈕即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分為14路，可單路存儲(chǔ)也可多路同時(shí)存儲(chǔ)。此外，故障診斷中的故障信息也將自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)庫中。查詢界面需設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，包括需查詢的物理量，查詢數(shù)據(jù)的起始時(shí)間，查詢數(shù)據(jù)的截

17、止時(shí)間。設(shè)置完成后點(diǎn)擊執(zhí)行查詢按鈕即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢，并在數(shù)據(jù)查詢表及數(shù)據(jù)查詢圖中分別顯示。如果對于查詢數(shù)據(jù)有特殊要求在查詢附加條件中可輸入相應(yīng)的SQL語言。在查詢數(shù)據(jù)庫最終語句中可查看當(dāng)前的SQL查詢語句。數(shù)據(jù)查詢處理結(jié)果中可查看當(dāng)前所查詢所有數(shù)據(jù)的最大值，最小值等。單擊STOP按鈕，退出數(shù)據(jù)庫界面。圖18 數(shù)據(jù)庫界面前面板2.5.2 程序結(jié)構(gòu)查詢程序采用事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，對“執(zhí)行查詢”、“超時(shí)”、“停止”三個(gè)事件編寫程序。主體程序?yàn)椤皥?zhí)行查詢”事件，事件觸發(fā)方式為執(zhí)行查詢按鈕按下。本查詢程序采用通用的SQL語句。查詢基本語句為select * from （查詢參數(shù)） where （查詢條件

18、）。默認(rèn)查詢條件為時(shí)間，如有需要可以加入當(dāng)前查詢參數(shù)作為另一個(gè)條件。查詢結(jié)果通過相應(yīng)的處理程序分別輸入到表格控件和波形圖表中。此外另一路通過Signal Analysis中的statistics Express VI.處理結(jié)果為當(dāng)前所查詢所有數(shù)據(jù)的最大值，最小值、均方根、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差。圖19 查詢程序部分框圖存儲(chǔ)程序中，通過共享變量輸入的一維數(shù)組通過Mean.vi進(jìn)入到保存數(shù)據(jù)子VI中。由于本程序1秒執(zhí)行一次，進(jìn)入保存數(shù)據(jù)子VI的數(shù)據(jù)也是1秒一個(gè)。保存數(shù)據(jù)子VI采用三層Case結(jié)構(gòu)編程。首先通過數(shù)據(jù)保存布爾變量確定是否執(zhí)行保存主程序，第二層Case由保存時(shí)間間隔控制，當(dāng)保存時(shí)間間隔為1秒時(shí)，直接進(jìn)入數(shù)據(jù)保存程序。圖20