基于LabVlEW的電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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喬俊福
（太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008）
摘要：設(shè)計(jì)了一套基于LabBVIEW的電機(jī)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(jī)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(xiàng)數(shù)據(jù)處理后上傳到上位機(jī)，上位機(jī)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(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，保證電機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。通過實(shí)際系統(tǒng)測試證實(shí)該系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地測出電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)，對電機(jī)監(jiān)測的應(yīng)用具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電機(jī)；LabVIEW;監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)
中圖分類號：TP273：TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
O 引言
步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)、直流電機(jī)等各種各樣的電機(jī)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(jī)高效安全穩(wěn)定運(yùn)行不可忽視，所以對于電機(jī)的監(jiān)測也成為一個(gè)必要的環(huán)節(jié)[1]。由于在負(fù)載模擬器項(xiàng)目的研制中主要關(guān)注電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩這3個(gè)參數(shù)，故本設(shè)計(jì)重點(diǎn)對這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的軟件有LabVIEW、VC6.O、MATLAB和BASIC等，雖然這些軟件都可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，但這些軟件之間又有明顯的區(qū)別[2]。VC6.O、MATLAB和BASIC采用的機(jī)器語言都是基于文本的語言產(chǎn)生代碼，在編程時(shí)會需要大量的程序代碼，如果程序很復(fù)雜則編程時(shí)很容易出錯(cuò)，并且在出錯(cuò)之后不易修改。而Lab-VIEW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(gè)框圖也可以實(shí)現(xiàn)很多功能。本文根據(jù)需要設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)監(jiān)測驗(yàn)證。
1 電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)硬件選型
本文對YC71電動機(jī)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(jì)
在電機(jī)上安裝溫度、轉(zhuǎn)速和扭力傳感器，將采集到的電機(jī)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(jì)的人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)和波形顯示，從而完成對電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要包括兩個(gè)部分：基于LabVIEW的上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與采集傳感器的連接調(diào)試。
1.2 電機(jī)參數(shù)采集傳感器選型
(1)溫度傳感器選擇。根據(jù)電機(jī)實(shí)際情況最終選擇NTC熱敏電阻溫度傳感器作為電機(jī)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(diǎn)，不僅適用于室內(nèi)，在室外也同樣適用；其精度為一1%～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(jī)的應(yīng)用環(huán)境選用霍爾速度傳感器監(jiān)測電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對發(fā)生扭轉(zhuǎn)的機(jī)件進(jìn)行檢測，這些機(jī)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(jī)件。根據(jù)實(shí)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(shí)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～10V，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(gè)24位計(jì)數(shù)器等功能。
2監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
2．1 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)
監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)軟件流程如圖2所示。
2．2數(shù)據(jù)采集人機(jī)界面的設(shè)計(jì)
基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)都離不開前面板（數(shù)據(jù)采集人機(jī)界面）的設(shè)計(jì)、后面板圖形化框圖程序（數(shù)據(jù)采集程序）的設(shè)計(jì)和模塊連接設(shè)計(jì)3個(gè)部分。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集人機(jī)界面和數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)分別如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)采集人機(jī)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(shí)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(bào)警模塊，即信號數(shù)值超出上限或低于下限進(jìn)行報(bào)警；采集數(shù)據(jù)，即對采集到的信號進(jìn)行波形顯示。
2.3 登錄人機(jī)界面設(shè)計(jì)
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(jì)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。
2．4 歷史數(shù)據(jù)顯示人機(jī)界面設(shè)計(jì)
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(jī)任何時(shí)刻的運(yùn)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(diǎn)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(shí)間段，然后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行查詢。如果要顯示所在時(shí)刻的數(shù)據(jù)可以點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，如果需要退出系統(tǒng)則點(diǎn)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(jì)針對電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩分別制作了對應(yīng)的3個(gè)波形顯示圖如圖5所示，歷史數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì)如圖6所示。
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(jì)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(yùn)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。
3 監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試
系統(tǒng)的調(diào)試不僅需要對軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而且還需要實(shí)際連接上電機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。具體分3步來實(shí)現(xiàn)：
(1)硬件設(shè)備安裝，包括傳感器在電機(jī)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(jī)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(gè)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(jì)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(diǎn)擊運(yùn)行，出現(xiàn)登錄界面，在用戶名中輸入“qiaojunfu”，在密碼處輸入“123456”點(diǎn)擊登錄。登錄成功后進(jìn)人數(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Devl／ai0、通道的最大值100和最小值O；采樣率1 000、實(shí)際采樣率1 000. 00、每循環(huán)采樣點(diǎn)數(shù)1 000、最大電壓5V和最小電壓-5 V。設(shè)置完成后點(diǎn)擊開始采集按鈕進(jìn)行電機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)采集，電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)如圖8所示。
如果需要?dú)v史數(shù)據(jù)分析電機(jī)的運(yùn)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(gè)已經(jīng)采集過的時(shí)間段，例如調(diào)試選區(qū)的時(shí)間段為“D：＼program file(x86) 2015.6.18:10:42”然后點(diǎn)擊顯示數(shù)據(jù)，運(yùn)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(diǎn)擊“退出登錄”按鈕，退出系統(tǒng)。
4結(jié)論
本設(shè)計(jì)適用于常用電機(jī)的實(shí)時(shí)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(bào)警燈會閃爍。同時(shí)加入了登錄界面，使得數(shù)據(jù)的安全得到保障。本設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)同步監(jiān)測電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩，其應(yīng)用前景較為廣闊。
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