煤礦機電設備智能化檢測儀器探究

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煤礦機械及電子類設備作為煤礦生產中的主要設備，在機械化、自動化、智能化開采中起著重要作用，其性能的優劣直接影響著煤礦生產效率和工作人員的生命安全。煤炭生產受客觀自然條件及設備惡劣的工作條件影響，其故障與事故率遠高于其他工業設備；對煤礦機電設備在制造、使用、維修等各環節進行有效地檢測和評價，及時發現安全隱患，并進行改進和及時維修是確保設備安全、可靠運行的重要手段。為保證煤礦機電設備的安全性和運行的可靠性，專門制定出臺了《煤礦安全規程》以及煤礦在用設備安全檢測檢驗規范等一系列章程和標準，對各類設備主要性能參數和運行參數的檢測提出了要求。目前，我國煤礦機電設備檢測還存在著以下3點問題：1）檢測參數不全面，測試方法不夠科學，無法獲得全面、準確的信息。2）檢測儀器較落后，通用性差，綜合評判能力弱，智能化程度低。3）行業和企業對檢測方法、技術和設備的研發重視不夠，從事相關研究的人員少，資金投入不足。上述問題導致了煤礦機電設備檢測技術和裝置整體水平偏低，成為制約煤炭工業和裝備技術發展的主要因素之一。我國煤礦機電設備的檢測工作主要由有資質的國家級煤礦設備質量監督檢驗中心、省級煤礦安全裝備檢測中心和各國有大型煤礦企業建立的技術檢測機構來完成。國家級檢驗中心主要承擔著煤炭行業各種機電設備機械性能和安全性能的檢測檢驗，包括國家質量監督抽查檢驗、安全標志檢驗、生產許可證檢驗、鑒定檢驗、質量認證檢驗等；各省煤礦設備安全檢測中心，主要開展現場在用設備的安全檢測檢驗工作；此外，煤炭行業自己建立的檢測機構，主要以解決自身技術問題及設備生產、維修過程的性能檢測與評價為目的。2019年5月發布的《安全評價檢測檢驗機構管理辦法》提出了煤礦設備檢測機構資質新的管理辦法，取消了安全生產檢測檢驗資質甲、乙分級設置，資質交由省級相關部門審批；同時，取消了檢測機構從業地域限制和檢測機構計劃性數量限制。煤礦機械設備種類繁多，主要有開采、掘進、運輸、通風、排水等設備，這些設備在研制、生產和維修等過程中都需要進行性能檢測。根據國家安全監管總局、國家礦山安全監察局印發的《煤礦在用安全設備檢測檢驗目錄》，提升、通風、排水、空氣壓縮、輸送帶運輸等設備還需按煤礦在用設備安全檢測檢驗規范，由有資質的檢測部門進行現場檢測。隨著煤礦生產自動化、智能化程度的不斷提高，各類檢測儀器儀表、傳感設備、監測設備、通信設備、控制設備、電源等電子類產品使用數量大幅增加，相應的檢測需求也日益增加。在煤礦機電設備的檢測中，檢測儀器的檢測水平至關重要。國家級檢驗中心技術水平較高，擁有相對較先進的儀器裝備，但這些儀器主要適用于實驗室條件；各省煤礦設備安全檢測中心和煤礦企業自己建立的檢測機構，所用的檢測設備多以分離儀器和針對單個設備的綜合檢測儀器為主，儀器設備整體的檢測水平不高，技術較落后，智能化程度較低。筆者針對目前所存在的問題，基于先進的現代檢測技術、計算機技術和智能儀器技術，提出了煤礦在用機械設備及電子類設備性能測試儀器硬件構建和軟件設計方法，可實現煤礦機電設備性能準確、有效地檢測和評價，為滿足現代化煤礦安全生產的需要提供新手段。

一、煤礦機電設備智能化檢測儀器硬件構建方案

1基于USB總線的便攜式集成化儀器構建方案

根據煤礦在用設備安全檢測檢驗規范和實際生產需求，提升、通風、排水、空氣壓縮、輸送帶運輸等各設備需要檢測的參數如下：1）提升設備。提升速度、提升力、制動力矩、制動閘液壓系統油壓、油溫、空動時間、閘瓦間隙、制動盤偏擺度、電機功率等。2）通風設備。空氣密度(通過測量空氣溫度、濕度、大氣壓力計算獲得)、風量、全壓、靜壓、轉速、軸功率、溫度(軸承和電動機溫升)、振動等。3）排水設備。流量、揚程(通過測量水泵入口壓力和出口壓力獲得)、轉速、軸功率、振動等。4）空氣壓縮設備。壓力(大氣壓力、一級吸氣壓力、一級排氣壓力、二級排氣壓力、風包壓力、潤滑油壓力等)、溫度(大氣溫度、一級吸排氣溫度、二級吸排氣溫度、風包溫度、潤滑油溫度、冷卻水進、出口溫度)、排氣量、電機轉速和功率等。5）帶式輸送機。帶速及啟動/制動加速度、電動機功率及轉速、溫度(制動部件表面溫度、液壓油油溫、帶式輸送機工作環境溫度)、噪聲、制動盤偏擺量、閘瓦間隙、液壓油壓力等。根據上述各設備所需測試參數的異同，可將參數劃分為以下8類：溫度、壓力、位移、功率、振動、速度、流量、其他。通過對8類參數的測量及相應的分析與計算，可直接或間接獲得各設備的性能參數。根據煤礦在用設備的檢測需求和實際應用場景，檢測儀器采用集成化設計思想，集多個設備檢測功能于一體，同時考慮到其便于移動和攜帶的需求，檢測儀器采用USB總線結構形式。USB總線結構具有總線供電、成本低、即插即用、熱插拔、方便快捷等特點。檢測儀器硬件主要由傳感器模塊、信號調理模塊、采集卡和測試主機部分組成。集成虛擬檢測儀器硬件組成如圖1所示。檢測儀器的傳感器部分分別由獲取提升、通風、排水、空氣壓縮、輸送帶運輸設備相應參數的5個傳感器組組成，5組傳感器分時復用后續硬件電路。為了便于后續電路設計，根據所測參數將傳感器分為模擬傳感器和數字傳感器2類：模擬類傳感器輸出信號采用4～20mA電流信號；數字類傳感器信號輸出采用TTL電平。通過信號調理電路完成模擬信號的I/V變換和抗頻混濾波，以完成數字信號的光電隔離和濾波整形；采集卡選用NI公司M系列，基于USB總線的NIUSB-6221多功能采集卡。

2基于PXI的電子類設備測試平臺構建方案

煤礦電子設備供電電源主要有直流24、18、12、5V等，設備信號主要有TTL電平的數字信號、RS485協議信號、CAN協議信號、0～10V等電壓型模擬信號、4～20mA電流型模擬信號等。測試系統采用PXI總線結構，主要包括信號激勵、測量和加載3大部分。PXI總線結構是一種專為工業數據采集與自動化應用量身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性，便于功能擴展，適合工業環境下振動、撞擊、溫度與濕度的極限條件。測試系統主機以NIPXIe-1062Q機箱、NIPXIe-8840零槽控制器為核心，根據所測信號類型配置模擬信號采集卡NIPXI-6229、數字I/O卡NIPXI-6535、串口通信卡NIPXIe-8431和CAN通信卡NIPXI-8512。零槽控制器和各板卡安裝于NIPXIe-1062Q機箱，構成PXI測試主機，人機交互采用帶觸摸功能的PMA-1115顯示器和鍵盤一體裝置；主機可支持模擬、數字、RS485和CAN多模式信號的測量，以及示波器等外部通用儀器測量的信號讀取。激勵模塊由可編程交流、直流電源和可編程信號發生器組成。加載模塊由可編程電子負載組成，實現對電子設備的拉載和卸載。主機與激勵電源、信號發生器、示波器、電子負載等外部通用儀器設備采用LAN或USB總線方式進行通信，實現對外部儀器的控制和測試數據的讀取。基于PXI的電子類設備測試平臺組成如圖2所示，煤礦機電設備智能化檢測儀器主機如圖3所示。

二、煤礦機電設備智能化檢測儀器軟件設計方案

以計算機為核心的虛擬儀器，其軟件設計至關重要。煤礦機械及電子類設備種類繁多，測試儀器所完成的功能也多；針對不同任務、不同規模的自動測試系統程序，選擇合適的設計方案和程序架構，可簡化測試項目的開發過程，縮短系統開發調試的周期，同時提高軟件的可擴展性、可移植性及可維護性。在煤礦設備性能檢測軟件開發中，選用LabVIEW開發工具，根據實現功能的不同，采用面向過程、對象、組件3種程序設計方案。LabVIEW是一種基于圖形化、數據流、多線程的編程語言，是自動測試系統軟件開發的主要工具；以LabVIEW為平臺開發自動測試系統程序時，面向過程的程序設計方案適用于任務簡單、被測試參數較少的程序開發，其編程工作量少，軟件結構簡單易讀；面向對象的程序設計方案適用于復雜測試任務和多參數集測試程序開發，其編程重復工作少，靈活性、可擴展性強，方便修改和維護；此外，對完成多個復雜測試任務，且測試任務具有一定共性的程序時，面向組件的程序設計方案是最佳選擇，其重用性和可移植性好的優點可得到充分發揮。軟件設計采用3層遞進結構，程序由主VI、二級主VI和多級子VI調用實現各測試功能。第1層為主控程序層，作為用戶界面和測試執行狀態機，采用While循環嵌套Case、EVENT事件框結構；第2層為測試分析層，由主控程序層驅動，根據測試要求，該層由多個獨立的測量子VI和分析處理子VI、驗算子VI、報表生成子VI、數據管理子VI等組成，以滿足主程序層在不同功能中的調用；最底層為驅動層，負責與外部儀器、NI板卡及其他應用程序之間的通信。煤礦機電設備安全檢測集成虛擬儀器軟件結構如圖4所示。以在用機械設備性能檢測軟件為例，第1層主控制程序層，完成5個不同測試儀器的選擇和登錄；第2層由5個不同設備測試VI組成，分別完成提升、通風、排水、壓風、輸送帶運輸5種設備性能檢測所需的各項工作；主控制程序采用控件觸發事件方式進入設備程序層，以此來選擇進入5個不同儀器的界面。各儀器共有參數設置、參數測試、數據分析、數據管理、報告生成及操作/幫助6個一級菜單。設備程序層VI以菜單和對話框觸發事件的方式進入功能程序層，調用不同功能的子VI。煤礦機電設備安全檢測集成虛擬儀器軟件組成如圖5所示。在功能程序層中的參數測試模塊，按照煤礦設備性能檢測儀器硬件構建方案中所劃分的8類參數，設計了相應的測量子VI，其目的有2個：一是實現測量數據的采集轉換，二是根據不同的測試方法對采集數據進行計算處理獲得目標值。同時提供信號分析功能，如頻譜分析、相關分析、全息譜分析等通用分析子VI；另外，根據檢測檢驗標準要求，設計相應的驗算分析子VI。在數據管理模塊中，設計測試數據管理和數據庫管理子VI，完成數據庫創建，數據存儲、讀取、傳送等工作。在報告生成模塊中，應用reportgenerationtoolkit工具包，通過調用各設備檢驗報告的Word模板，根據測試數據，可自動生成所需的檢測檢驗報告。電子類設備性能檢測軟件與在用機械設備性能檢測軟件不同之處，主要在第2層設備測試VI部分增加了外部儀器管理VI，實現對激勵設備、測量設備、加載設備的管理與控制。PXI主機與外部儀器通過LAN口、USB口連接，程序通過LabVIEW中VISA模塊的I/O控制功能實現與外部儀器的通信和驅動程序的調用，通過SCPI指令語句實現對外部儀器的操作和控制。

三、結語

利用先進的現代檢測技術和計算機技術，針對煤礦機械及電子類設備性能檢測的實際要求，研究探討了基于虛擬儀器技術的煤礦機電設備智能化檢測儀器硬件構建和軟件設計方案。與傳統儀器相比，該檢測儀器集多種儀器功能于一體，集成化、智能化程度更高，功能更強；由軟件代替硬件電路，在降低硬件成本的同時也減少了由硬件電路造成的干擾。通過軟件實現測試數據處理、分析和管理，提升檢測工作信息化水平，降低工作人員勞動強度。

作者:李曼 單位:西安科技大學機械工程學院 陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室