喬俊福

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

基于LabVIEW的電機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

喬俊福

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

設(shè)計了一套基于LabBVIEW的電機監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)選用NTC熱敏電阻傳感器、霍爾傳感器、扭力傳感器分別對電機溫度、轉(zhuǎn)速和扭力進(jìn)行檢測，由NI PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡把各項數(shù)據(jù)處理后上傳到上位機，上位機采用LabVIEW編寫了登錄界面、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面和歷史數(shù)據(jù)顯示界面等對電機狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，保證電機安全、穩(wěn)定運行。通過實際系統(tǒng)測試證實該系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地測出電機的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)，對電機監(jiān)測的應(yīng)用具有較強的參考價值。

電機；LabVIEW；監(jiān)測系統(tǒng)； 設(shè)計

0 引言

步進(jìn)電機、交流電機、直流電機等各種各樣的電機在當(dāng)代的工業(yè)生產(chǎn)中有著很重要的作用，如何保證電機高效安全穩(wěn)定運行不可忽視，所以對于電機的監(jiān)測也成為一個必要的環(huán)節(jié)[1]。由于在負(fù)載模擬器項目的研制中主要關(guān)注電機的溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩這3個參數(shù)，故本設(shè)計重點對這3個參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計常用的軟件有LabVIEW、VC6.0、MATLAB和BASIC等，雖然這些軟件都可以實現(xiàn)人機界面的設(shè)計和程序設(shè)計，但這些軟件之間又有明顯的區(qū)別[2]。VC6.0、MATLAB和BASIC采用的機器語言都是基于文本的語言產(chǎn)生代碼，在編程時會需要大量的程序代碼，如果程序很復(fù)雜則編程時很容易出錯，并且在出錯之后不易修改。而LabVIEW所使用的G語言是圖形化的框圖程序，主要是利用流程圖或者框圖，很少使用程序代碼來編程，且其所使用的模塊都是工程師、技術(shù)人員和學(xué)者所認(rèn)識的圖形、專業(yè)術(shù)語和概念[3]。所以利用LABVIEW在G語言的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程大大提高了編程的效率，只要邏輯好，一個框圖也可以實現(xiàn)很多功能。本文根據(jù)需要設(shè)計了基于LabVIEW的電機監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了實際系統(tǒng)監(jiān)測驗證。

1 電機監(jiān)測系統(tǒng)硬件選型

本文對YC71電動機進(jìn)行監(jiān)測，其額定功率為250 W，額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，2級。

1.1 采集系統(tǒng)方案設(shè)計

在電機上安裝溫度、轉(zhuǎn)速和扭力傳感器，將采集到的電機各信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡處理后傳輸?shù)絃abVIEW所設(shè)計的人機界面進(jìn)行數(shù)據(jù)和波形顯示，從而完成對電機的實時監(jiān)測。電機監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要包括兩個部分：基于LabVIEW的上位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實現(xiàn)PC機與采集傳感器的連接調(diào)試。

圖1 電機監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電機參數(shù)采集傳感器選型

(1) 溫度傳感器選擇。根據(jù)電機實際情況最終選擇NTC熱敏電阻溫度傳感器作為電機溫度采集傳感器。該傳感器具有精度高、反應(yīng)靈敏和耐濕性高的優(yōu)點，不僅適用于室內(nèi)，在室外也同樣適用；其精度為-1%～1%，溫度范圍為-4 ℃～+110 ℃，阻值范圍為0.1 kΩ～500 kΩ。

(2) 轉(zhuǎn)速傳感器選擇。根據(jù)電機的應(yīng)用環(huán)境選用霍爾速度傳感器監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速。該傳感器通過霍爾原件將這些變化的電壓以脈沖的形式輸出，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣刃盘柕脑韥磉M(jìn)行測量。選用主要芯片為LM393的3144霍爾傳感器模塊實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速測量。其電源電壓為4.5 V～24 V，輸出負(fù)載電流為25 mA，工作溫度范圍為-30 ℃～120 ℃。

(3) 扭矩傳感器。扭矩傳感器是將電機運轉(zhuǎn)過程中對發(fā)生扭轉(zhuǎn)的機件進(jìn)行檢測，這些機件會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，如果扭轉(zhuǎn)力矩過大，很容易損壞機件。根據(jù)實際情況選用了TB-N1901扭矩傳感器，其測量范圍為0 N·m～500 N·m,精度為0.3%。

1.3 采集板卡選擇

根據(jù)以上傳感器類型及實際需求選用NI公司的PCI-6024E作為采集板卡，其接線方式為PCI的總線方式，采樣率為200 ks/s, 分辨率為12位, 最大量程為-10 V～10 V，提供16路模擬輸入，2路12位模擬輸出，8條數(shù)字I/O線和2個24位計數(shù)器等功能。

2 監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

2.1 上位機軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)上位機主要實現(xiàn)電機溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩的顯示及存儲調(diào)用功能。監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集人機界面的設(shè)計

基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計都離不

開前面板(數(shù)據(jù)采集人機界面)的設(shè)計、后面板圖形化框圖程序(數(shù)據(jù)采集程序)的設(shè)計和模塊連接設(shè)計3個部分。本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集人機界面和數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計分別如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)采集人機界面包括：物理通道，即采集卡的通道；最大電壓與最小電壓，即輸入電壓的量程；數(shù)據(jù)采集卡的采樣率；數(shù)據(jù)采集卡的實際采樣率；每秒模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣數(shù),是AD的采樣速率；上限/下限，即通道信號數(shù)值上限與下限設(shè)置；報警模塊，即信號數(shù)值超出上限或低于下限進(jìn)行報警；采集數(shù)據(jù)，即對采集到的信號進(jìn)行波形顯示。

圖3 數(shù)據(jù)采集人機界面

2.3 登錄人機界面設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是操作人員使用的軟件，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，設(shè)計了登錄界面和登錄程序，即用戶只有在輸入正確的用戶名和密碼的條件下才能進(jìn)入采集系統(tǒng)界面，使用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和歷史數(shù)據(jù)顯示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

2.4 歷史數(shù)據(jù)顯示人機界面設(shè)計

在采集系統(tǒng)中，歷史數(shù)據(jù)的存儲是必不可少的，而且為了便于對電機任何時刻的運行情況進(jìn)行分析，還需要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，不僅可以手工現(xiàn)場操作讀取，還可以遠(yuǎn)程在線查詢。查詢的方式為在采集界面點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)顯示界面，輸入要查詢的時間段，然后點擊數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行查詢。如果要顯示所在時刻的數(shù)據(jù)可以點擊數(shù)據(jù)采集按鈕，如果需要退出系統(tǒng)則點擊退出登錄即可。

對于歷史數(shù)據(jù)的查詢主要還是通過波形圖進(jìn)行顯示，本設(shè)計針對電機的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩分別制作了對應(yīng)的3個波形顯示圖如圖5所示，歷史數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計如圖6所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)顯示波形圖

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)仿真

由于一般的數(shù)據(jù)采集卡都比較昂貴，最少的也要千元以上，當(dāng)在LabVIEW上設(shè)計好軟件部分之后，如果直接接硬件設(shè)備，則會在軟件不穩(wěn)定運行的情況下?lián)p害數(shù)據(jù)采集卡，因此進(jìn)行軟件部分的仿真是必要的。PCI-6024E的仿真圖如圖7所示。

圖6 歷史數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計

圖7 PCI-6024E的仿真圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)的運行與調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試不僅需要對軟件設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而且還需要實際連接上電機進(jìn)行聯(lián)機調(diào)試。具體分3步來實現(xiàn)：

(1) 硬件設(shè)備安裝，包括傳感器在電機相應(yīng)位置的安裝、傳感器輸出端子與采集卡的鏈接及數(shù)據(jù)采集卡與PC機鏈接等。

(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化，包括采集卡軟件匹配、3個傳感器通道的選擇及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置等。

(3) 數(shù)據(jù)采集與顯示。將設(shè)置好的參數(shù)DAQ助手保存，然后在設(shè)計的程序框圖中將設(shè)置好的DAQ助手模塊接入程序框圖中，打開前面板，點擊運行，出現(xiàn)登錄界面，在用戶名中輸入“qiaojunfu”，在密碼處輸入“123456”點擊登錄。登錄成功后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括通道選擇Dev1/ai0、通道的最大值100和最小值0;采樣率1 000、實際采樣率1 000.00、每循環(huán)采樣點數(shù)1 000、最大電壓5 V和最小電壓-5 V。設(shè)置完成后點擊開始采集按鈕進(jìn)行電

機實際運行參數(shù)采集，電機監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

如果需要歷史數(shù)據(jù)分析電機的運行情況，則需要進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)界面讀取數(shù)據(jù)。進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)采集界面后，選擇輸入一個已經(jīng)采集過的時間段，例如調(diào)試選區(qū)的時間段為“D：program file(x86) 2015.6.18:10:42”然后點擊顯示數(shù)據(jù)，運行結(jié)果如圖9所示。當(dāng)查詢結(jié)束后，如果需要退出界面，則點擊“退出登錄”按鈕，退出系統(tǒng)。

圖9 歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

4 結(jié)論

本設(shè)計適用于常用電機的實時監(jiān)測，不僅可以采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，而且還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，如果超出參數(shù)設(shè)定值報警燈會閃爍。同時加入了登錄界面，使得數(shù)據(jù)的安全得到保障。本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集精度高、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定可靠，可以實時同步監(jiān)測電機的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩，其應(yīng)用前景較為廣闊。

[1] 張金美.基于虛擬儀器的電機測試系統(tǒng)的研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008：1-3.

[2] 肖林.基于虛擬儀器的電機自動測試系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2006：11-17.

[3] 周峰.基本虛擬儀器的電機測試系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006：1-7.

[4] 謬傳書,韓屏.基于LabVIEW的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2004(17):23-24.

Design of A Motor Monitoring System Based on LabVIEW

QIAO Jun-fu

(Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

A set of motor monitoring system based on LabBVIEW is designed, which chooses the NTC thermistor sensor, Hall sensors, torque sensors to detect the temperature, rotational speed and torque of motor separately. By use of NI PCI-6024E data acquisition card, the data are acquired and uploaded to the PC. In PC, LabVIEW is used to write the login interface, data acquisition interface and historical data display interface of machine state monitoring, to guarantee the secure and stable operation of motor. The actual test confirms that the system can quickly and accurately measure parameters such as temperature, rotation speed and torque of the motor. The system has strong reference value for the motor monitoring application.

motor; LabVIEW; monitoring system; design

1672- 6413(2015)06- 0148- 03

2015- 05- 10；

2015- 09- 18

喬俊福(1979-)，男，山西左權(quán)人，講師，碩士，主要研究方向：自動化測試與控制技術(shù)。

TP273∶TM32

A