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煤礦機(jī)械及電子類設(shè)備作為煤礦生產(chǎn)中的主要設(shè)備，在機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化開(kāi)采中起著重要作用，其性能的優(yōu)劣直接影響著煤礦生產(chǎn)效率和工作人員的生命安全。煤炭生產(chǎn)受客觀自然條件及設(shè)備惡劣的工作條件影響，其故障與事故率遠(yuǎn)高于其他工業(yè)設(shè)備；對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備在制造、使用、維修等各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效地檢測(cè)和評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并進(jìn)行改進(jìn)和及時(shí)維修是確保設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的重要手段。為保證煤礦機(jī)電設(shè)備的安全性和運(yùn)行的可靠性，專門(mén)制定出臺(tái)了《煤礦安全規(guī)程》以及煤礦在用設(shè)備安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范等一系列章程和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各類設(shè)備主要性能參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)提出了要求。目前，我國(guó)煤礦機(jī)電設(shè)備檢測(cè)還存在著以下3點(diǎn)問(wèn)題：1）檢測(cè)參數(shù)不全面，測(cè)試方法不夠科學(xué)，無(wú)法獲得全面、準(zhǔn)確的信息。2）檢測(cè)儀器較落后，通用性差，綜合評(píng)判能力弱，智能化程度低。3）行業(yè)和企業(yè)對(duì)檢測(cè)方法、技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)重視不夠，從事相關(guān)研究的人員少，資金投入不足。上述問(wèn)題導(dǎo)致了煤礦機(jī)電設(shè)備檢測(cè)技術(shù)和裝置整體水平偏低，成為制約煤炭工業(yè)和裝備技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。我國(guó)煤礦機(jī)電設(shè)備的檢測(cè)工作主要由有資質(zhì)的國(guó)家級(jí)煤礦設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、省級(jí)煤礦安全裝備檢測(cè)中心和各國(guó)有大型煤礦企業(yè)建立的技術(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)完成。國(guó)家級(jí)檢驗(yàn)中心主要承擔(dān)著煤炭行業(yè)各種機(jī)電設(shè)備機(jī)械性能和安全性能的檢測(cè)檢驗(yàn)，包括國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督抽查檢驗(yàn)、安全標(biāo)志檢驗(yàn)、生產(chǎn)許可證檢驗(yàn)、鑒定檢驗(yàn)、質(zhì)量認(rèn)證檢驗(yàn)等；各省煤礦設(shè)備安全檢測(cè)中心，主要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)在用設(shè)備的安全檢測(cè)檢驗(yàn)工作；此外，煤炭行業(yè)自己建立的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，主要以解決自身技術(shù)問(wèn)題及設(shè)備生產(chǎn)、維修過(guò)程的性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)為目的。2019年5月發(fā)布的《安全評(píng)價(jià)檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)管理辦法》提出了煤礦設(shè)備檢測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)新的管理辦法，取消了安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)資質(zhì)甲、乙分級(jí)設(shè)置，資質(zhì)交由省級(jí)相關(guān)部門(mén)審批；同時(shí)，取消了檢測(cè)機(jī)構(gòu)從業(yè)地域限制和檢測(cè)機(jī)構(gòu)計(jì)劃性數(shù)量限制。煤礦機(jī)械設(shè)備種類繁多，主要有開(kāi)采、掘進(jìn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等設(shè)備，這些設(shè)備在研制、生產(chǎn)和維修等過(guò)程中都需要進(jìn)行性能檢測(cè)。根據(jù)國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦在用安全設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)?zāi)夸洝罚嵘?、通風(fēng)、排水、空氣壓縮、輸送帶運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備還需按煤礦在用設(shè)備安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范，由有資質(zhì)的檢測(cè)部門(mén)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，各類檢測(cè)儀器儀表、傳感設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備、控制設(shè)備、電源等電子類產(chǎn)品使用數(shù)量大幅增加，相應(yīng)的檢測(cè)需求也日益增加。在煤礦機(jī)電設(shè)備的檢測(cè)中，檢測(cè)儀器的檢測(cè)水平至關(guān)重要。國(guó)家級(jí)檢驗(yàn)中心技術(shù)水平較高，擁有相對(duì)較先進(jìn)的儀器裝備，但這些儀器主要適用于實(shí)驗(yàn)室條件；各省煤礦設(shè)備安全檢測(cè)中心和煤礦企業(yè)自己建立的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所用的檢測(cè)設(shè)備多以分離儀器和針對(duì)單個(gè)設(shè)備的綜合檢測(cè)儀器為主，儀器設(shè)備整體的檢測(cè)水平不高，技術(shù)較落后，智能化程度較低。筆者針對(duì)目前所存在的問(wèn)題，基于先進(jìn)的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能儀器技術(shù)，提出了煤礦在用機(jī)械設(shè)備及電子類設(shè)備性能測(cè)試儀器硬件構(gòu)建和軟件設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備性能準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)和評(píng)價(jià)，為滿足現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)的需要提供新手段。

一、煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測(cè)儀器硬件構(gòu)建方案

1基于USB總線的便攜式集成化儀器構(gòu)建方案

根據(jù)煤礦在用設(shè)備安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范和實(shí)際生產(chǎn)需求，提升、通風(fēng)、排水、空氣壓縮、輸送帶運(yùn)輸?shù)雀髟O(shè)備需要檢測(cè)的參數(shù)如下：1）提升設(shè)備。提升速度、提升力、制動(dòng)力矩、制動(dòng)閘液壓系統(tǒng)油壓、油溫、空動(dòng)時(shí)間、閘瓦間隙、制動(dòng)盤(pán)偏擺度、電機(jī)功率等。2）通風(fēng)設(shè)備?？諝饷芏?通過(guò)測(cè)量空氣溫度、濕度、大氣壓力計(jì)算獲得)、風(fēng)量、全壓、靜壓、轉(zhuǎn)速、軸功率、溫度(軸承和電動(dòng)機(jī)溫升)、振動(dòng)等。3）排水設(shè)備。流量、揚(yáng)程(通過(guò)測(cè)量水泵入口壓力和出口壓力獲得)、轉(zhuǎn)速、軸功率、振動(dòng)等。4）空氣壓縮設(shè)備。壓力(大氣壓力、一級(jí)吸氣壓力、一級(jí)排氣壓力、二級(jí)排氣壓力、風(fēng)包壓力、潤(rùn)滑油壓力等)、溫度(大氣溫度、一級(jí)吸排氣溫度、二級(jí)吸排氣溫度、風(fēng)包溫度、潤(rùn)滑油溫度、冷卻水進(jìn)、出口溫度)、排氣量、電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率等。5）帶式輸送機(jī)。帶速及啟動(dòng)/制動(dòng)加速度、電動(dòng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)速、溫度(制動(dòng)部件表面溫度、液壓油油溫、帶式輸送機(jī)工作環(huán)境溫度)、噪聲、制動(dòng)盤(pán)偏擺量、閘瓦間隙、液壓油壓力等。根據(jù)上述各設(shè)備所需測(cè)試參數(shù)的異同，可將參數(shù)劃分為以下8類：溫度、壓力、位移、功率、振動(dòng)、速度、流量、其他。通過(guò)對(duì)8類參數(shù)的測(cè)量及相應(yīng)的分析與計(jì)算，可直接或間接獲得各設(shè)備的性能參數(shù)。根據(jù)煤礦在用設(shè)備的檢測(cè)需求和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，檢測(cè)儀器采用集成化設(shè)計(jì)思想，集多個(gè)設(shè)備檢測(cè)功能于一體，同時(shí)考慮到其便于移動(dòng)和攜帶的需求，檢測(cè)儀器采用USB總線結(jié)構(gòu)形式。USB總線結(jié)構(gòu)具有總線供電、成本低、即插即用、熱插拔、方便快捷等特點(diǎn)。檢測(cè)儀器硬件主要由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、采集卡和測(cè)試主機(jī)部分組成。集成虛擬檢測(cè)儀器硬件組成如圖1所示。檢測(cè)儀器的傳感器部分分別由獲取提升、通風(fēng)、排水、空氣壓縮、輸送帶運(yùn)輸設(shè)備相應(yīng)參數(shù)的5個(gè)傳感器組組成，5組傳感器分時(shí)復(fù)用后續(xù)硬件電路。為了便于后續(xù)電路設(shè)計(jì)，根據(jù)所測(cè)參數(shù)將傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器2類：模擬類傳感器輸出信號(hào)采用4～20mA電流信號(hào)；數(shù)字類傳感器信號(hào)輸出采用TTL電平。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路完成模擬信號(hào)的I/V變換和抗頻混濾波，以完成數(shù)字信號(hào)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(shè)備測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建方案

煤礦電子設(shè)備供電電源主要有直流24、18、12、5V等，設(shè)備信號(hào)主要有TTL電平的數(shù)字信號(hào)、RS485協(xié)議信號(hào)、CAN協(xié)議信號(hào)、0～10V等電壓型模擬信號(hào)、4～20mA電流型模擬信號(hào)等。測(cè)試系統(tǒng)采用PXI總線結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)激勵(lì)、測(cè)量和加載3大部分。PXI總線結(jié)構(gòu)是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專業(yè)特性，便于功能擴(kuò)展，適合工業(yè)環(huán)境下振動(dòng)、撞擊、溫度與濕度的極限條件。測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)以NIPXIe-1062Q機(jī)箱、NIPXIe-8840零槽控制器為核心，根據(jù)所測(cè)信號(hào)類型配置模擬信號(hào)采集卡NIPXI-6229、數(shù)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(jī)箱，構(gòu)成PXI測(cè)試主機(jī)，人機(jī)交互采用帶觸摸功能的PMA-1115顯示器和鍵盤(pán)一體裝置；主機(jī)可支持模擬、數(shù)字、RS485和CAN多模式信號(hào)的測(cè)量，以及示波器等外部通用儀器測(cè)量的信號(hào)讀取。激勵(lì)模塊由可編程交流、直流電源和可編程信號(hào)發(fā)生器組成。加載模塊由可編程電子負(fù)載組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的拉載和卸載。主機(jī)與激勵(lì)電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器、電子負(fù)載等外部通用儀器設(shè)備采用LAN或USB總線方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部?jī)x器的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取?；赑XI的電子類設(shè)備測(cè)試平臺(tái)組成如圖2所示，煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測(cè)儀器主機(jī)如圖3所示。

二、煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測(cè)儀器軟件設(shè)計(jì)方案

以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器，其軟件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。煤礦機(jī)械及電子類設(shè)備種類繁多，測(cè)試儀器所完成的功能也多；針對(duì)不同任務(wù)、不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和程序架構(gòu)，可簡(jiǎn)化測(cè)試項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試的周期，同時(shí)提高軟件的可擴(kuò)展性、可移植性及可維護(hù)性。在煤礦設(shè)備性能檢測(cè)軟件開(kāi)發(fā)中，選用LabVIEW開(kāi)發(fā)工具，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，采用面向過(guò)程、對(duì)象、組件3種程序設(shè)計(jì)方案。LabVIEW是一種基于圖形化、數(shù)據(jù)流、多線程的編程語(yǔ)言，是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的主要工具；以LabVIEW為平臺(tái)開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序時(shí)，面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)方案適用于任務(wù)簡(jiǎn)單、被測(cè)試參數(shù)較少的程序開(kāi)發(fā)，其編程工作量少，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易讀；面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方案適用于復(fù)雜測(cè)試任務(wù)和多參數(shù)集測(cè)試程序開(kāi)發(fā)，其編程重復(fù)工作少，靈活性、可擴(kuò)展性強(qiáng)，方便修改和維護(hù)；此外，對(duì)完成多個(gè)復(fù)雜測(cè)試任務(wù)，且測(cè)試任務(wù)具有一定共性的程序時(shí)，面向組件的程序設(shè)計(jì)方案是最佳選擇，其重用性和可移植性好的優(yōu)點(diǎn)可得到充分發(fā)揮。軟件設(shè)計(jì)采用3層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)，程序由主VI、二級(jí)主VI和多級(jí)子VI調(diào)用實(shí)現(xiàn)各測(cè)試功能。第1層為主控程序?qū)樱鳛橛脩艚缑婧蜏y(cè)試執(zhí)行狀態(tài)機(jī)，采用While循環(huán)嵌套Case、EVENT事件框結(jié)構(gòu)；第2層為測(cè)試分析層，由主控程序?qū)域?qū)動(dòng)，根據(jù)測(cè)試要求，該層由多個(gè)獨(dú)立的測(cè)量子VI和分析處理子VI、驗(yàn)算子VI、報(bào)表生成子VI、數(shù)據(jù)管理子VI等組成，以滿足主程序?qū)釉诓煌δ苤械恼{(diào)用；最底層為驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)與外部?jī)x器、NI板卡及其他應(yīng)用程序之間的通信。煤礦機(jī)電設(shè)備安全檢測(cè)集成虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。以在用機(jī)械設(shè)備性能檢測(cè)軟件為例，第1層主控制程序?qū)?，完?個(gè)不同測(cè)試儀器的選擇和登錄；第2層由5個(gè)不同設(shè)備測(cè)試VI組成，分別完成提升、通風(fēng)、排水、壓風(fēng)、輸送帶運(yùn)輸5種設(shè)備性能檢測(cè)所需的各項(xiàng)工作；主控制程序采用控件觸發(fā)事件方式進(jìn)入設(shè)備程序?qū)樱源藖?lái)選擇進(jìn)入5個(gè)不同儀器的界面。各儀器共有參數(shù)設(shè)置、參數(shù)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、報(bào)告生成及操作/幫助6個(gè)一級(jí)菜單。設(shè)備程序?qū)覸I以菜單和對(duì)話框觸發(fā)事件的方式進(jìn)入功能程序?qū)?，調(diào)用不同功能的子VI。煤礦機(jī)電設(shè)備安全檢測(cè)集成虛擬儀器軟件組成如圖5所示。在功能程序?qū)又械膮?shù)測(cè)試模塊，按照煤礦設(shè)備性能檢測(cè)儀器硬件構(gòu)建方案中所劃分的8類參數(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)量子VI，其目的有2個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，二是根據(jù)不同的測(cè)試方法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理獲得目標(biāo)值。同時(shí)提供信號(hào)分析功能，如頻譜分析、相關(guān)分析、全息譜分析等通用分析子VI；另外，根據(jù)檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驗(yàn)算分析子VI。在數(shù)據(jù)管理模塊中，設(shè)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理子VI，完成數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取、傳送等工作。在報(bào)告生成模塊中，應(yīng)用reportgenerationtoolkit工具包，通過(guò)調(diào)用各設(shè)備檢驗(yàn)報(bào)告的Word模板，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，可自動(dòng)生成所需的檢測(cè)檢驗(yàn)報(bào)告。電子類設(shè)備性能檢測(cè)軟件與在用機(jī)械設(shè)備性能檢測(cè)軟件不同之處，主要在第2層設(shè)備測(cè)試VI部分增加了外部?jī)x器管理VI，實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、加載設(shè)備的管理與控制。PXI主機(jī)與外部?jī)x器通過(guò)LAN口、USB口連接，程序通過(guò)LabVIEW中VISA模塊的I/O控制功能實(shí)現(xiàn)與外部?jī)x器的通信和驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，通過(guò)SCPI指令語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)外部?jī)x器的操作和控制。

三、結(jié)語(yǔ)

利用先進(jìn)的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，針對(duì)煤礦機(jī)械及電子類設(shè)備性能檢測(cè)的實(shí)際要求，研究探討了基于虛擬儀器技術(shù)的煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測(cè)儀器硬件構(gòu)建和軟件設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)儀器相比，該檢測(cè)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(qiáng)；由軟件代替硬件電路，在降低硬件成本的同時(shí)也減少了由硬件電路造成的干擾。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)處理、分析和管理，提升檢測(cè)工作信息化水平，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

作者:李曼 單位:西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室