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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)行有效地檢測和評價(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)備安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范等一系列章程和標(biāo)準(zhǔn)，對各類設(shè)備主要性能參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的檢測提出了要求。目前，我國煤礦機(jī)電設(shè)備檢測還存在著以下3點(diǎn)問題：1）檢測參數(shù)不全面，測試方法不夠科學(xué)，無法獲得全面、準(zhǔn)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(yè)和企業(yè)對檢測方法、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。上述問題導(dǎo)致了煤礦機(jī)電設(shè)備檢測技術(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。我國煤礦機(jī)電設(shè)備的檢測工作主要由有資質(zhì)的國家級煤礦設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、省級煤礦安全裝備檢測中心和各國有大型煤礦企業(yè)建立的技術(shù)檢測機(jī)構(gòu)來完成。國家級檢驗(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檢驗(yàn)，包括國家質(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)備安全檢測中心，主要開展現(xiàn)場在用設(shè)備的安全檢測檢驗(yàn)工作；此外，煤炭行業(yè)自己建立的檢測機(jī)構(gòu)，主要以解決自身技術(shù)問題及設(shè)備生產(chǎn)、維修過程的性能檢測與評價(jià)為目的。2019年5月發(fā)布的《安全評價(jià)檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)管理辦法》提出了煤礦設(shè)備檢測機(jī)構(gòu)資質(zhì)新的管理辦法，取消了安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)資質(zhì)甲、乙分級設(shè)置，資質(zhì)交由省級相關(guān)部門審批；同時(shí)，取消了檢測機(jī)構(gòu)從業(yè)地域限制和檢測機(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)和維修等過程中都需要進(jìn)行性能檢測。根據(jù)國家安全監(jiān)管總局、國家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦在用安全設(shè)備檢測檢驗(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)備安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范，由有資質(zhì)的檢測部門進(jìn)行現(xiàn)場檢測。隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，各類檢測儀器儀表、傳感設(shè)備、監(jiān)測設(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)的檢測需求也日益增加。在煤礦機(jī)電設(shè)備的檢測中，檢測儀器的檢測水平至關(guān)重要。國家級檢驗(yàn)中心技術(shù)水平較高，擁有相對較先進(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)備安全檢測中心和煤礦企業(yè)自己建立的檢測機(jī)構(gòu)，所用的檢測設(shè)備多以分離儀器和針對單個(gè)設(shè)備的綜合檢測儀器為主，儀器設(shè)備整體的檢測水平不高，技術(shù)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(jìn)的現(xiàn)代檢測技術(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、有效地檢測和評價(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)盤偏擺度、電機(jī)功率等。2）通風(fēng)設(shè)備。空氣密度(通過測量空氣溫度、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(通過測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、一級吸氣壓力、一級排氣壓力、二級排氣壓力、風(fēng)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(fēng)包溫度、潤滑油溫度、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。通過對8類參數(shù)的測量及相應(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)備的檢測需求和實(shí)際應(yīng)用場景，檢測儀器采用集成化設(shè)計(jì)思想，集多個(gè)設(shè)備檢測功能于一體，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、采集卡和測試主機(jī)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(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。測試系統(tǒng)采用PXI總線結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)激勵(lì)、測量和加載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)的測量，以及示波器等外部通用儀器測量的信號(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)對外部儀器的控制和測試數(shù)據(jù)的讀取?；赑XI的電子類設(shè)備測試平臺(tái)組成如圖2所示，煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測儀器主機(jī)如圖3所示。

二、煤礦機(jī)電設(shè)備智能化檢測儀器軟件設(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，測試儀器所完成的功能也多；針對不同任務(wù)、不同規(guī)模的自動(dòng)測試系統(tǒng)程序，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和程序架構(gòu)，可簡化測試項(xiàng)目的開發(fā)過程，縮短系統(tǒng)開發(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)備性能檢測軟件開發(fā)中，選用LabVIEW開發(fā)工具，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，采用面向過程、對象、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、多線程的編程語言，是自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件開發(fā)的主要工具；以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)自動(dòng)測試系統(tǒng)程序時(shí)，面向過程的程序設(shè)計(jì)方案適用于任務(wù)簡單、被測試參數(shù)較少的程序開發(fā)，其編程工作量少，軟件結(jié)構(gòu)簡單易讀；面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方案適用于復(fù)雜測試任務(wù)和多參數(shù)集測試程序開發(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，對完成多個(gè)復(fù)雜測試任務(wù)，且測試任務(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、二級主VI和多級子VI調(diào)用實(shí)現(xiàn)各測試功能。第1層為主控程序?qū)?，作為用戶界面和測試執(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層為測試分析層，由主控程序?qū)域?qū)動(dòng)，根據(jù)測試要求，該層由多個(gè)獨(dú)立的測量子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)與外部儀器、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)備性能檢測軟件為例，第1層主控制程序?qū)?，完?個(gè)不同測試儀器的選擇和登錄；第2層由5個(gè)不同設(shè)備測試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)?，以此來選擇進(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)一級菜單。設(shè)備程序?qū)覸I以菜單和對話框觸發(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)測試模塊，按照煤礦設(shè)備性能檢測儀器硬件構(gòu)建方案中所劃分的8類參數(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測量子VI，其目的有2個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，二是根據(jù)不同的測試方法對采集數(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)測試數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫管理子VI，完成數(shù)據(jù)庫創(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，通過調(diào)用各設(shè)備檢驗(yàn)報(bào)告的Word模板，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可自動(dòng)生成所需的檢測檢驗(yàn)報(bào)告。電子類設(shè)備性能檢測軟件與在用機(jī)械設(shè)備性能檢測軟件不同之處，主要在第2層設(shè)備測試VI部分增加了外部儀器管理VI，實(shí)現(xiàn)對激勵(lì)設(shè)備、測量設(shè)備、加載設(shè)備的管理與控制。PXI主機(jī)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(shí)現(xiàn)與外部儀器的通信和驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，通過SCPI指令語句實(shí)現(xiàn)對外部儀器的操作和控制。

三、結(jié)語

利用先進(jìn)的現(xiàn)代檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，針對煤礦機(jī)械及電子類設(shè)備性能檢測的實(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。通過軟件實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)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(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)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室