网络化矿井提升机监测报警系统设计论文.doc

题目：网络化矿井提升机监测报警系统设计
专业：机械设计及其自动化
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
提升机是矿井大型固定设备之一，是矿山生产运输的主要工具，它担负着提升煤石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称[1]。随着矿山生产的集中化和大型化发展，提升能力不断加大，运行速度越来越高，实际运转时间不断加长，因此对提升机运行的安全可靠性要求也越来越高。提升机的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作矿工的生命安全。目前我国矿山由于提升机故障而发生重大事故的例子还是很多。如:徐州韩桥矿山潘家屯副井多绳落地摩擦式提升机，由于原设计深度指示器采用了传统控制方式，曾几次发生过卷事故，最严重的一次是提升研石时，减速点没有起作用，司机也没有发现，没有及时采取措施，造成高速过卷，致使楔形罐道全部冲毁，天轮下的防撞木撞碎，给生产带来严重的危害[2];广东韶关凡口铅锌矿四台提升机(一台交流拖动、三台直流拖动)，在使用传统行程监测方式时，提升机过卷事故时有发生，有几次严重的过卷事故造成较大的设备损失，导致全矿停产[3];1998年河南平顶山市石龙区西区煤矿副井提升机由于行程控制系统故障发生坠罐事故，死亡14人[4];2002年，淮北芦岭煤矿主井提升机由于行程监测系统失灵，提升机在生产中发生过卷事故，事故使得煤矿生产停工，造成了巨大的经济损失。
当前，我国有一大批老提升设备、机组，其服役已接近或超过其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率增多，而要全部更新，经济负担很重，根本不可能。如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态，除了在设计计算时合理选择运行参数外，关键在于对其进行状态监控。对提升机运行的主要参数进行连续不断的在线监测监控，使司乘人员随时了解提升机的运行情况，并在超限时做出故障报警，供司乘人员操作时参考。如提升机过速而造成的过卷、过放现象，制动器闸瓦的磨损，制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。通过对提升机各主要参数的监测监控，可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处理，可以大大减少事故的发生。因此，开发一套简单适用的计算机监控系统是非常必要的。
提升机的实时监测一直是提升技术的重要课题之一。当前，许多煤矿都未设置提升
机的监控系统，国内外已有的监控系统大多数是对整个矿山的大型监控系统。国外研制的监控系统稳定性虽好，但价格过高，对于中小煤矿来说是难以承受的;国内研制的针对提升机的监控系统大都是采用单片机技术，其抗干扰能力差，性能不稳定，而且在开发测试系统的软硬件方面主要采用汇编语言、C语言，在语言编程方面需要花费相当的人力和时间，并且已开发的专家系统大部分仍工作在DOS环境下，人机界面不友好，功能不完善，可扩展能力不强，系统一旦建立，修改起来具有相当的难度。基于以上原因，本文采用全新的虚拟仪器开发平台LbaVIEW来开发整个监控系统。
虚拟仪器技术经过近20年的发展，技术日趋成熟。美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。在我国，尽管虚拟仪器的应用较晚，还处于应用初期、起步阶段，但其应用已经体现在航天航空、机械工程、电力电子工程、建筑工程、生物医疗、纺织工程及其教学科研等诸多领域，对科学技术的发展和生产产生了巨大的影响和经济效益。当前，在以PC机为基础的测、控软件中，LabVIEW的市场普及率已仅次于C++与C。随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。因此选基于LabVIEW的矿井提升机监控系统择在LabVIEW平台下开发的矿井提升监测系统有很好的应用前景。
基于LabVIEW的提升机监控系统，利用虚拟仪器公司研制的数据采集卡，能迅速地建立一个功能强大、性能稳定的监控系统，并且工作在Windows系统下，界面直观形象。开发人员只需要理解各个图标的表示功能，在程序开发中只需要用连线连接各功能模块就能完成所需要的软件功能。同时LabVIEW支持模块化与层次化设计，搭建程序非常清晰、可读，维护起来简单方便。不仅如此，LabVIEW也有很好的开放性和扩展性，使系统功能的扩展和完善变得非常容易。基于LabVIEW的提升机监控系统是LabVIEW在矿山设备监控方面的一个尝试。与以单片机为核心的监视系统相比，软件开发的时间缩短4-6倍。与局限于提升行程速度监视的系统相比，监视参数有所增加，并加入了简单的报警系统，系统功能有大幅度提高，其应用对提高中小煤矿的安全性方面具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
煤矿监测监控技术的开发和应用，主要依次经历了：①人工离线监测方式；②单机集中式在线监测；③基于网络的远程监测系统。我国从70年代开始从国外逐步引进一批用计算机控制的安全生产监测监控系统，同时引进相应的制造技术。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开发。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技术达到了90年代初的国际先进水平，全国比较大的矿井几乎都安装了监测系统[5]。国家重点煤矿全部安装监测系统，并已成为煤矿标准化达标的首要条件。国内还通过自主研发和对引进系统的改造，研制出多种KJ系列的煤矿监测控制系统。与早期的产品相比，新产品具有设备简单、组培灵活、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[6]。目前，我国安装的监控系统均是针对单一被测对象开发，都属于专用监测系统。
经过几十年的努力，我国在对提升机状态监测的研究方面已经取得很多成就，有些甚至达到了国际领先水平。比如兖州矿业公司滩煤矿研制的矿井提升机状态监测系统，可以完成对提升机运行状态参数的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)，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生成、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信号监测、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、控制系统开关量状态及轴编码器脉冲信号监测、系统电源监测6个子系统。整体水平居国内领先水平，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[7]。
各大高校也相继对提升机监测系统展开研究，并且取得显著成就。太原理工大学开发出针对提升机制动系统监测的基于MSC-51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，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系统，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[8]。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，在提升机监测方面的发展方向上起到了良好的借鉴和指导作用。
国外对提升机监测系统的研究开始时间比较早，如今已达到很高的水平。特别是对闸控和速度监控系统等重要环节，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ABB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 ABBMasterPieCe200/l计算机为主控计算机，配以彩色监视系统计算机Master View810/l、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NETn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60多种，可分为3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2.6m/s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AGE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[9]。
1.3 本文主要研究内容
本论文在深入研究矿井提升系统各种常见故障的特征的基础上，借鉴国内外研究成果，采用美国NI公司的LabVIEW集成开发平台，根据现有实验设备和实验条件基于，以模拟提升行程的信号为主，开发了一套集数据采集、信号分析、状态监控、故障监测、故障报警、数据存储、报表打印及网络通信为一体的多任务信息处理系统。
本论文主要内容包括:
(1)对提升系统实际运行状态进行分析，确定其相应的监测参数和监测点。
(2)利用计算机系统开发出一套可靠的在线监测系统。此系统包括信号的采集、处理，各部分的逻辑关系，参数的数据库存储与查询等。
(3)系统需要完成模拟信号、数字信号和脉冲信号的实时采集与处理，以及对各参数的动态图形显示和模拟仪表显示，通过将实际运行参数与系统各参数保护设定值进行比较，作为报警和控制的依据。
(4)将各参数进行数据库定时存储，当操作人员及管理人员对设备运行状态进行查询，可显示并打印各参数和状态的内容。
(5)实现网络化的监测系统。
1.4 小结
本章主要介绍了研究网络化矿井提升机故障监测报警系统的背景及意义和国内外研究提升机监测的概况，最后对本课题研究的主要内容做了简单的介绍。

第2章 矿井提升机故障形式及其监测方法的确定
矿井提升机的组成
以多绳摩擦式提升机为例，直流传动多绳摩擦式矿井提升系统主要由工作机构、制动系统、机械传动系统、润滑系统、观测和操作系统、拖动控制和自动保护系统、外加辅助部分等构成[10]。

图2-1 多绳摩擦式提升设备示意图
1. 工作机构
主要主要是指主轴装置和主轴承等主轴装置由主轴卷筒滚动轴承支轮制动轮、调绳离合器等组成。
2. 制动系统
液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，是提升机最关键也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止转动。液压传动装置的作用是作为制动力的能源，控制制动器的动作。即:根据运行需要，分别实现工作制动和安全制动。
3. 机械传动系统
机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。
4. 润滑系统
润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。
5. 观测和操纵系统
观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机装置。深度指示器的作用是:显示提升容器的运行位置;容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号;当提升机超速和过卷时，进行限速和过卷保护。
6. 拖动控制和自动保护系统
拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是:在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动而实现对系统的保护。自动保护系统一般是由PLC来控制，是提升机的第一道重要的安全保护装置。
矿井提升机常见故障及其状态监测参数的确定
提升机在日常工作中常常会出现各种故障，这些故障轻者会造成提升机停机检修，重者会引起安全事故。这些故障发生前或发生时都会在相应的部位出现某些征兆，因此早期发现这些征兆并及时做出处理，能很好的降低维修成本，提高提升机运行的安全系数。
根据提升机测试，及现场提升机运行的经验，提升机常见的故障如下表2-1所示:
故障部位
故障类型
需监测量

电机
①电机超速；②电机过流；③电机堵转；
④错向；⑤电机温度过高
提升速度、提升电流、提升深度、电机温度、电机振动

减速器
齿轮响声和振动过大；②打牙断齿；
③齿磨损过快；④减速器传动轴弯曲或折断；⑤减速器滑动轴承的损坏
振动、轴承温度
卷筒
①卷筒偏摆量过大；②过卷；③卷筒出
现响声
偏摆量、提升深度和提升速度

主轴及其轴承
①主轴折断；②滑动轴承轴瓦烧毁；③滑动轴承过热；④滚动轴承的滚珠有麻坑，保持架断裂，内外座滚道产生麻坑和裂纹
振动、轴承温度

盘式制动系统
①提升机正常运转中，突然降压而松不开闸；②制动油压上不去；③闸瓦磨损严重；④闸瓦烧毁；⑤制动不及时；⑥制动闸控制回路过流
液压油油压、油温、闸瓦间隙、闸瓦温度、回路电流
表2-1 提升机常见的故障
由上表可见，网络化的提升机状态监测报警系统需对提升机的提升电流、提升速度、提升深度、闸瓦间隙、空动时间、闸瓦温度、制动盘偏摆量、液压站油温和油压、滚筒主轴振动、电机振动、减速箱振动、电机轴承温度、减速箱轴承温度、滚筒轴承温度、制动闸控制回路电流进行实时监测，采用高精度的传感器将各监测量转换成电信号送入计算机。实现对提升电流、提升速度、提升深度、闸瓦间隙、闸瓦温度、空动时间、制动盘偏摆量、液压站油压、油温、加速度、减速度等重要参数进行实时监测；在一次提升过程结束以后对被测参数进行综合分析，判断提升机运行状态，及时捕捉故障征兆，防患于未然；；出现故障后可以结合各监测量分析故障原因并进行实时报警；还可以结合各状态参数和历史数据对提升机的整体运行状况进行评价和预测。
故障检测方法的确定
提升设备监测，是指在提升机运行过程中，或者是停机过程中，对提升机的运行工艺参数，工况参数，运行参数进行监测，并根据这些参数，估计出提升设备的运行状态，对提升设备的早期故障给出预报。按照监测的实时性、记录的连续性，可以把对提升设备的监测分为在线监测和离线监测。
1) 在线监测是指利用传感器技术、信号采集技术、和计算机技术对提升设备的某些特征量进行连续、实时的监测和处理，将实时参数显示给提升机司乘人员，能够对机器在各种运行情况下的特征量进行连续记录，为后序的故障诊断做准备。
2) 离线监测就是传统的监测方法，这种方法也是利用传感器，机械仪表等，来测量提升机的各类参数，这种操作只需要一些简要仪器，操作灵活，但是由于不可能一直将这种仪器安装于现场，所以一般在提升机的检修期内进行，这种离线监测对于技术人员的要求更高，操作人员不光要熟悉仪器、仪表的使用方法，还要能理解所测得参数值的意义，要根据所测得的数据进行故障原因、故障程度的推理，则难度又进一步加大，离线监测最大的缺点是不能对所测得的数据进行连续的、实时的监测，也不能记录，不能依赖于离线监测来实现视情维修，更不可能寄于此来实现提升机的计算机诊断，也不能实现远程监测与故障诊断。
鉴于矿井提升机在煤矿的重要作用，发生故障时所造成的严重的经济损失，以及传统的离线测方法的固有缺陷，客观上要求对提升机进行在线的连续实时监测。
小结
本章主要介绍了提升机的基本组成及其常见的各种主要故障形式，以及确定了对各故障点进行实时监测所需要监测量；并且根据提升机故障监测的重要性确定了对其进行在线连续的实时监测方法。本章的研究为下一步系统的硬件和软件设计提供了理论依据并且打下了一定的基础。

第3章 总体方案的设计
硬件的设计
硬件的基本组成部分
整个系统的硬件由传感器、信号调理装置、3块NI公司的PCI-6014数据采集卡、研华610H工控机、交换机、客户机等组成。
硬件的设计思路
硬件部分首先利用多种不同功能及用途的传感器,分别将搜集来的提升机的运行工况的各种信息经过简单的调理电路然后传入数据采集卡对它们进行信息融合,最后由计算机监控系统进行信息处理,从而判断提升机的运行工况是否正常并在出现故障时进行实时报警。其硬件结构如下图：
图3-1硬件系统结构图
软件的设计
软件的设计思路及其流程
由于提升机工作在大电流并且需要频繁启动的恶劣环境下，如果采用传统的以硬件为主的监测方法，势必会给监测系统带来很大的干扰，影响监测精度。所以用软件尽可能的代替硬件的功能可以提高监测系统的抗干扰能力。软件采用LabVIEW8.5开发环境设计。LabVIEW是美国NI公司推出的基于G语言虚拟仪器软件的开发工具，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域。
在采用C/S模式的通讯模式下，需要开发出服务器和客户机两种应用程序。服务器程序启动后，服务器后台程序不停的扫描各个通讯端口，当远程客户机有连接需求时，只要知道服务器的IP地址和服务器分配的通讯端口，就可以发出通讯请求。当服务器监听到客户机的通信请求时，就会和客户机建立连接。连接建立后服务器会把需要发送的数据强制转换成字节类型，利用LabVIEW模块的写TCP数据子VI,将采集到的数据发送到客户机。通过在客户端编写应用程序, 利用TCP模块中的读TCP数据子VI将现场采集到的数据在远程客户端再现。系统的软件流程分别见图3.2。

软件的基本组成模块
服务器程序包括数据采集模块、数据分析处理模块、数据发送模块、数据存储模块、监控界面。现场高精度的传感器将各被监测量转换成电信号，电信号经过调理电路的初步变换和处理后，再由数据采集卡进行数据采集和处理后,写入服务器。服务器中数据流向分为两路，一路由服务器应用程序中的分析处理模块对数据进行初步分析处理后存储到数据库并在监控界面中显示各被测参数值，另一路被强制转换为字节类型后写入消息发送器，以消息的形式由数据发送模块同步写入所有等待消息的通讯口。
客户机程序包括：参数设置模块、数据接收模块、历史数据查询模块、提升速度分析处理模块、性能评价模块。服务器通过通讯口定时将分析处理后的数据传送给客户机，客户机通过数据接收模块将数据保存到数据库中以备以后的查询和评价分析。
小结
本章从对网络化提升机实时监测与故障报警系统硬件和软件设计方面做了简单的介绍。此系统能实现对提升机的重要参数进行实时监测，并且出现故障后可以进行实时报警。可以结合各状态参数和历史数据对提升机的整体运行状况进行评价和预测，为提升机日常维护提供依据。

第4章 系统硬件详细设计
传感器的选择与布置
现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测试目的、测试对象以及测试环境合理的选用传感器，是在进行测试前首先需要解决的问题。当传感器确定好以后，与之配套的测试方案和测试设备也就可以确定了。测试结果正确与否，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。
4.1.1 传感器的选择与工作原理
在测试系统中，传感器作为首要的环节，必须具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求，传感器选择的好坏直接影响着测试系统的质量。根据使用目的、使用环境、被测对象情况、精度要求和信号处理等具体条件选择如下传感器：
（1） 测量液压站油压传感器
根据提升机房液压站液压油正常工作环境及要求选择平膜压力变送器(CYB-15系列）。其详细参数如下表4-1：

产品外形图：

量程（MPa）
15
压力形式
表压
输出信号（mA）
4～20（1V～5V）二线制
准确度等级
0.1
非线性迟滞重复性（%FS）
≤0.1
零点及灵敏度温度漂移(%FS/℃)
≤0.01
零点漂移(%FS/4h)
≤0.1
长期稳定性(%FS/年)
≤±0.1
工作电压(VDC)
+12～+36(标定值为+24)
补偿温度(℃)
-20～+80
工作温度(℃)
-20～+85
存储温度（℃)
-40～+125
过载能力(%)
300
寿命
＞1×108次压力循环(25℃)
负载电阻(Ω)
R=（U-12.5）/0.02-RD
响应时间
≤1
测量介质
与316L兼容的腐蚀性介质
膜片材料
316L不锈钢
壳体材料
1Cr18Ni9Ti
接口
M20×1.5或用户自定
防爆等级
ExiaⅡCT6
防护等级
IP67
外形结构

接线：

表4-1平膜压力变送器(CYB-15系列）详细参数
（2） 测量液压站油温传感器及变送器
根据提升机房液压站液压油正常工作环境及要求选择JCJ100TLB温度传感器和Pt100温度变送器。其详细参数分别表4-2和表4-3：

产品外形图：

材料
Pt100
测温范围
（0～100）℃
精度等级
A级±（0.15+0.002|t|）℃注：|t|为实测温度的绝对值。
保护管材质
SUS321
产品外形结构图：

表4-2 Pt100温度传感器详细参数

产品外形图：

安装形式（DIN导轨型安装）：

名称
Pt100温度变送器
型号
RTM 80/81
电源电压
2-D,13-32V
输出电流
4-20mA
转换误差
0.01%
标定误差
0.03%
线性误差
0.02%
量程
固定
特点
4-20mA两线制连接
外形尺寸
55×60×23mm

表4-3 Pt100温度变送器详细参数
（3） 测量闸瓦间隙传感器
根据提升机闸瓦正常运行环境和要求，选择WYX小型位移传感器。其详细参数如下表4-4：
量程
0-40mm
线性度
0.05% F·S
分辨率
0.01％F·S
供电电压
± 9～±18V/ 9～24V
输出信号
4~20mA/1～5V /0～±5VDC
温度系数
0.005％F·S/℃
输出波纹
<10mv峰峰值
<1mv峰峰值
环境温度
-10～60℃/-35～80℃/-50～120℃
测杆形式
弹簧复位
滑杆连接头
球测头 /M3*10mm
模块尺寸
60×42×20
外形尺寸图

尺寸说明（单位：mm）

D1

L1

L2
Φ 8
±2.5(0 ~ 5)
Φ2.5
58
72

表4-4 WYX小型位移传感器详细参数

（4） 测量闸瓦温度传感器
产品型号
产品外形图（整图）
贴片部分外形图
JCJ100TTM

贴片外形尺寸图

贴片传感器默认规格参数（适用于250℃内的热电阻信号或0-600℃热电偶）
长度（L）=40mm   宽度（W）=20mm   厚度（D）=10mm   固定孔直径=8 mm   探头直径D=6 mm 
探头长度：对于热电偶信号超过100℃时，就要将探头做到足够长，以便温度降到100℃内

表4-5 JCJ100TTM贴片式温度传感器详细参数（送器也采用上面所选的Pt100变送器）

（5） 测量滚筒扭矩传感器
根据滚筒实际运行情况选择旋转式ORT-803型扭矩传感器，其详细参数如下表4-5：
产品外形图：

扭矩示值误差： ＜± 0.5 % F· S 
灵敏度： 1±0.2 mv / V
非线性： ＜±0.25 % F· S
重复性： ＜±0.2% F· S
回差： ＜0.2 % F· S
零飘（24小时）： ＜0.5 % F· S
零点温飘： ＜0.5 % F· S /10℃
输出阻抗： 1KΩ ±3Ω
绝缘阻抗： >500MΩ
静态超载： 120 %
断裂负载： 200 %
使用温度： 0 ～ 60℃
储存温度： －20 ～ 70℃
电源电压： +15V±5%,-15V±5%
总消耗电流： ＜130mA
频率信号输出： 5KHz—15KHz
负额定扭矩：5KHz±10Hz
零扭矩：10KHz±10Hz
正额定扭矩：15KHz±10Hz
信号占空比： （50±10）%
安装方式：

安装要求：
如上图所示，动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上，以避免过大的震动，否则可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏传感器。动力设备、传感器、负载设备轴线的同心度应小于Φ0.05mm。

表4-5 旋转式ORT-803型扭矩传感器详细参数

（6） 测量液压回路电流传感器
选择安科瑞BA系列电流传感器，其参数如表4-6：
产品外形图：

型号
BA20-AI/I（V）-T
输出形式
4-20mA或0-5V DC信号
输入表称值范围
40～150A
穿孔
20mm
安装形式
35mm导轨或螺钉安装

表4.6 安科瑞BA系列电流传感器详细参数
（7） 测量电机功率传感器
选择WBP212P71型三相三线制有功功率传感器，其详细参数如下表4-7：
产品外形图：

产品名称
三相三线制有功功率传感器
产品型号
WBP212P71
输入范围
电压≤500V;电流≤5A
输出规格
0～5V
输出特性
平均电压
精度等级
< 0.5 %
负载能力
5mA
响应时间
< 300ms
温度漂移
100ppm/℃
供电电源
+12Vdc（+24Vdc）
静态功耗
<30mA
安装
采用35mmDIN卡轨装，也可以用M3镙栓将传感器固定在任何平面上

表4-7 WBP212P71型三相三线制有功功率传感器详细参数
（8） 测闸盘偏摆量
选择QSY9501电涡流位移传感器，其详细参数见表4-8：
产品外形图：

型 号
QSY9501
量 程
0.5mm
满量程输出
0~5V/4～20mA/非标
线性度
±0.5%
电源电压
＋5V/＋12V/＋24V/非标
探头直径
Φ4.5mm
安装尺寸
M8×1
探头总长
36mm/46mm/58mm/非标

表4-8 QSY9501电涡流位移传感器详细参数
（9） 测量电机转速传感器
选择ISC3806旋转编码器，其详细参数如表4-9：
产品外形图：

电气参数
方波
输出波形
A、B、Z三相
消耗电流
≤120mA
响应频率
0～100KHz
载空比
0.5T±0.1T
相位差
90°±45°
电源电压
DC 12-24V
输出电压
高电压VH≥85%Vcc，低电平VL≤0.3V
脉冲数
1000
最大转速
6000rpm
转动惯量
3.5x10-6kgm2
启动力矩
1.5X10-3Nm(+25℃)
轴最大负载
径向20N；轴向10N
抗冲性
980m/S2，6ms,XYZ方向各2次
抗震动
50m/s2,10-200HZ,XYZ方向各2h
工作寿命
MTBF≥25000h（+25℃,2000rpm）
重量
约130g（带1m电缆）
工作湿度
30-85%无结露
工作温度
-30℃～85℃
储存温度
-40℃～85℃

接线表：
信号
+5V
0V
SIGA
SIGB
SIGZ
屏蔽
导线颜色
红
黑
绿
白
黄
N.G
插座号（7芯）
1
4
3
5
2
6
注：屏蔽线已接编码器外壳，输出电缆标准长度为1米，实际接线以编码器的标签为准。

安装尺寸：

4.2 数据采集设备
在测试系统中，数据采集卡是系统的重要组成部分，它是外界电信号与PC机之间的桥梁，是获取信息的重要途径，它不仅具有信号传输的功能，还具有信号转换和译码的功能。
4.2.1 数据采集设备的组成
数据采集设备通常由以下几部分组成：
（1） 多路开关：将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
（2） 放大器：将待采集信号放大或衰减到采样环节的量程范围内。通常实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。
（3） 采样/保持器：取出待测信号在某一瞬时的值（实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样/保持器。
（4） A/D转化器：将输入信号的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。
以上四个部分都处在PC的前向通道，是组成数据采集卡的主要部分。
很多数据采集卡的电路板上，还装有数/模转化器（D/A）。D/A转化器用于将计算机输出的数字量转化为模拟量，以实现控制功能。
数据采集设备的性能指标决定着数据采集设备的使用场合。在选用时，应从测试系统的环境和要求出发，选择恰当的采集设备。根据网络化矿井提升机故障监测报警系统的测试要求，选用NI公司的数采卡PCI-6031E。它是NI公司生产的采集卡系列产品之一，是一种基于PCI总线方式的数据采集和控制设备。其性能优良、便携小巧，适合PC机及兼容机使用。
4.2.2 PCI-6031E性能指标
PCI-6031E具有模拟输入/模拟输出、数字输入/数字输出、定时/计数等多种功能。主要性能指标如下：
Ø 模拟信号输入通道：64SE/32DI(16bits,100kS/s)
Ø 模拟信号输出通道：2个（16bits,100kS/s）
Ø 数字输入输出通道：8DIO（5V，TTL）
Ø 定时/计数器：2个（5V，TTL，24bits，10ns）
Ø 最大输入范围：±10（精度：1.147mV）
Ø 最小输入范围：0-100mV（精度：0.059mV）

图4-1 PCI-6031E接线引脚图

4.3 仪器主机
计算机是网络化矿井提升机故障监测报警系统运行的环境，是处理、存储、显示数据的核心设备。它包括微处理器、存储器和显示器等，用来提供实时高效的数据处理。为了保证信号的采集和处理速度，计算机至少满足一下配置：
l WindowsXP、2000
l Intel Pentium 4 1.6GHz或Pentium M 1.0GHz，或者Athlon 1.2GHz或以上
l CD-ROM、DVD-ROM、DVD-R/RW
l 主板具有PCI插槽
l 至少1GBRAM
l 至少500MB的剩余硬盘空间
l 建议最小桌面分辨率为1024x768或者1280x1024
4.4 小结
本章按照系统的测试要求，选择了平膜压力变送器（CYB-15）、温度传感器（JCJ100TLB和JCJ100TTM）、温度变送器（Pt100）、小型位移传感器（WYX）、旋转式扭矩传感器（ORT-803）、安科瑞电流传感器（BA）、电涡流位移传感器（QSY9501）、旋转编码器（ISC3806）、三相三线制有功功率传感器（WBP212P71）对相应的信号进行采集和分析，并对传感器重要参数及性能进行分析，适合煤矿提升机房的环境；确定了个测试参数的测点分布和传感器布置，选择了PCI-6031E作为数据采集设备，列举了仪器主机的最低配置要求。以上设备所构成的平台满足网络化矿用提升机故障监测报警系统的硬件需求。

第5章 系统软件设计
系统功能
软件设计是虚拟仪器应用系统设计的主要内容和重点，系统能否很好的运行，一方面要看其硬件设计的合理性和可靠性，另一方面要看软件系统是否能够可靠运行，能否满足用户的需要。
本系统的软件功能主要如下:
① 能实现提升高度信号、提升方向信号的动态监测以及对提升机运行全程速度、加速度监测监控，对过速、过卷、加速度过大、错向等故障进行监测;
② 制动系统进行监测，包括液压站油压、油温、油泵运行状态及对电枢电流进行动态监测，对制动闸间隙和温度进行实时监测，便于及时了解制动系统的工作状态并在制动系统发生故障故障后及时报警;
③ 供对历史速度数据的查询;
④ 据实际需求，矿井提升机运行的各项数据以及报警数据都必须进行存储，并且存储的历史数据必须可以被方便地查询，并打印故障内容。
系统软件整体设计
软件构成
为了使系统能充分发挥其功能，软件设计的好坏是关键。本系统是采用模块化层次化的思想进行编写的，除了能满足监控的功能外，还具有操作简单，界面友好直观，运行可靠，维护方便等优点。根据系统的目标及功能，基于LabVIEW网络化矿井提升机监测报警系统的软件构成如图5.1所示，主要由信号采集模块、参数设置模块、数据处理模块、数据存储和查询模块、比较报警模块、数据库自动记录与查询模块以及磁盘管理模块等部分组成。

图5-1 系统软件结构图
系统软件主程序和子程序介绍
系统登录
系统登录（前面板见图5.1）是系统管理功能模块之一，用于确认用户对系统的访问权限。开始运行时，用户在前面板上输入用户名和密码后点击确定登录按钮，如果在“用户信息”的数据库中找到相应的信息，就对访问给予确认并根据数据库中的信息返回访问的权限之后进入主程序界面。

图5-1 系统登录界面
“系统登录”程序如图5-2所示， 基本原理和功能：
在程序编写时将用户信息保存在由Array数组创建的用户信息库。在程序开始运行时，用户在登录界面上的相应位置输入用户名和密码，然后单击如确定按钮，等待验证信息正确与否，如果正确则进入主程序监测界面，否则强行退出登录界面。信息验证的具体过程是：首先将在程序编写时创建的用户信息库内的用户信息输入while 循环内，用“按名称解除捆绑.vi”提取信息库的用户名和密码等信息，分别与用户在登录界面上输入的用户名和密码进行对比，之后将二者的计算结果进行逻辑与的运算，再将结果输入到条件选择结构的分支器选择端子。当前面逻辑与的结果为“真”时调出主程序，否则强制关闭登录界面。

图5-2 系统登录程序框图

监测主界面
主程序运行监视界面是系统的主要监测功能模块，能动态实时的显示提升机的运行情况。此外，这个系统还可以对提升机的电机、制动系统、液压系统三个部分的运行情况进行全面的监测，一旦出现故障后立刻启动报警模块进行声光报警来提醒操作人员快速的采取有效的措施以免重大事故的发生。
程序前面板主要由一个主显示面板（见图5-3）和三个子面板（见图5-5，图5-7和图5-9）组成。在系统正常运行时显示屏一直显示主显示界面，当需要查看三个部分其中之一的详细运行情况可以在主显示界面上点击相应的按钮分别进入相应的子面板。

图5-3 系统运行主界面

其程序框图如图5-4所示,基本原理和功能：
由于本系统设计时针对的对象是各种型号的提升机，而各种型号的提升机在正常运行时各种参数的最低或者最大限值有所不同，所以在单击前面板菜单上的运行按钮后并点击开始运行按钮前先要进行相应的参数设置。参数设置好以后，单击开始运行按钮，程序开始运行，信号首先由传感器获取，然后通过简单的调理电路（滤波和放大）进入PCI-6031E数据采集卡，数据采集卡将输入的模拟信号转换成数字信号通过PCI总线传送给工控机。工控机上的监测系统程序首先通过数据采集模块将各路信号分别进行N采样，然后通过数据处理模块进行再次滤波、异值剔除和求均值，最后通过数据存储模块将数据存储在创建好的数据库中并且通过显示模块在前面板进行实时的显示，此外通过报警模块将处理后的数据和程序运行之前在参数设置面板上输入的各个限值进行比较，若超过限值则进行声光报警。
系统可对每次循环的提升速度图进行历史再现，再现次数可选择。如果需要详细查询系统的运行参数和状态，通过数据库查询模块可以得到各时间段的记录或故障记录，并可将报表打印出来。系统还设置一个空间管理模块，来解决磁盘经过长期记