基于LabVIEW和PLC的电铲电机参数远程监测系统.pdf

第 73 卷 第 6 期有 色 金 属（矿山部分）2021 年 11 月 Doi 10.3969/j.issn.1671-4172.2021.06.003 基于 LabVIEW 和 PLC 的电铲电机参数 远程监测系统 葛文超 1 ， 2 ， 段 云 1 ， 2 ， 王博楠 1 ， 2 ， 胥 维 1 ， 2 （1. 北京矿冶研究总院 ， 北京 100160 ； 2. 矿冶科技集团有限公司 ， 北京 100160） 摘 要 针对国内大型露天矿山电铲电机参数多数不能实现实时监测的难题 ， 基于 LabVIEW 和 PLC 开发了 电铲电机工作参数远程监测系统 ， 系统硬件采用传感器和 PLC 以及触摸屏一体机 ； 软件采用 LabVIEW 开发数据 监测系统 ， 采集得到的数据通过 4G 网络传输到云服务器数据库 ， 用户通过访问客户端实现远程监测 。 结果表明 该系统可以有效地远程监测电铲电机运行的实时参数 ， 人机界面友好 ， 具有较强的实用性和可靠性 。 关键词 LabVIEW ； PLC ； 电铲 ； 远程监测 ； 电机参数 ； 触摸屏一体机 ； 4G 网络 ； 云服务器数据库 中图分类号 TD422 文献标志码 A 文章编号 1671-4172（2021）06-0019-07 A remote monitoring system of electric shovel motor parameters based on LabVIEW and PLC GE Wenchao 1 ， 2 ， DUAN Yun 1 ， 2 ， WANG Bonan 1 ， 2 ， XU Wei 1 ， 2 （1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy ， Beijing 100160 ， China ； 2.BGRIMM Technology Group ， Beijing 100160 ， China） Abstract Aiming at the problem that most of the electric shovel motor parameters in domestic large open-pit mines can not be monitored in real time ， a remote monitoring system for working parameters of electric shovel motor was developed based on LabVIEW and PLC ， the hardware of the system consists of sensor ， PLC and touch screen integrated machine.LabVIEW was used to develop the data monitoring system.The collected data was transmitted to the cloud server database through 4G network ， and users access the client to realize remote monitoring.The results show that the system can effectively monitor the real-time parameters of electric shovel motor operation remotely ， with a friendly man-machine interface ， and it has strong practicability and reliability . Key words LabVIEW ；PLC ；electric shovel ；remote monitoring ；motor parameters ；touch screen integrated machine ； 4G network ； cloud server database 基金项目 2018 年西城区优秀人才培养资助项目（20180029） ； 江西 铜业集团重大科研项目（DTYJ2018001） 作者简介 葛文超（1996 ） ， 男 ， 硕士研究生 ， 机械设计及理论专业 ， 主要研究方向为设备状态检测 、诊断与监控技术 。 通信作者 段云（1978 ） ， 男 ， 博士 ， 正高级工程师 ， 从事数字化爆破 技术 。 露天采矿作业主要包括穿孔 、 爆破 、 铲装 、 运输 ， 爆破效果的优劣在很大程度上影响着后续铲装 、 运 输效率 ， 进而造成总体成本变动 ， 这已成为国内外矿 山业界的共识 ［1］ 。 为了优化爆破工艺 ， 需要对爆破 质量进行定量评价 ， 作为露天开采主要设备 ， 电铲 能直接感知到所铲装爆堆的真实情况 ， 电机的电 压 、 电流 、 能耗等参数能在一定程度上反映爆堆挖 掘难易程度 ， 进而间接反映爆堆破碎效果优劣情 况 ， 因此可以通过监测电机参数来评价爆破效果的 好坏 ， 国内外相关学者开展了相关的研究工作 。 KHORZOUGHI ［2］通过对电铲铲装过程能耗进行 估算 ， 评估爆堆可挖掘性 。 RASULI ［3］ 通过监测电 铲提升 、 回转及推压电机的电流 ， 建立动态载荷监测 系统 ， 为评估爆堆可挖掘性提供数据支持 。 但是 ， 由 于大部分露天矿区环境恶劣 、 基础设施不够完善 、 电 铲设备陈旧等 ， 多数电铲电机参数还未能实现有效 监测 。 针对国内多数露天矿山电铲还未实现实时监测 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 的难题 ， 本文开发研究一套基于 LabVIEW 和 PLC 的电铲电机参数远程监测系统 。 该系统采用传感器 和 PLC 采集各电机的电压/电流数据 ， 分析处理上传 至上位机 ， 上位机选择图形化编程软件 LabVIEW 实 现电铲电机参数的实时监测 、 数据存储等功能 ， 并通 过 4G 网络将数据上传至云服务器数据库 ， 用户可 访问客户端实现远程监测功能 。 1 系统总体设计 电铲电机监测系统选择太原重工设计生产的 WK-35 型电铲 ， 电铲挖掘作业主要由提升 、 推压 、 回 转以及行走机构完成 ， 根据电铲工作特性 ， 构建的电 铲电机参数远程监测系统总体框架如图 1 所示 ， 采 集端主要由传感器 、PLC 、车载终端构成 。 电压/电 流传感器感知电铲电机电压 、 电流信号并将其转换 为 4 ～ 20 mA 直流电流信号 ， PLC 检测传感器模拟 量数据 ， 完成 A/D 转换后通过串口通信电路传输至 上位机车载终端 ， 在 LabVIEW 开发平台上通过编 写数据采集程序 、 数据显示与处理程序实现电机运 行参数的实时监测 ， 同时将采集端获得的电压/电流 数据通过 4G 网络上传至云服务器数据库 ， 并通过 客户端实现电铲电机参数的远程监测 。 图 1 远程监测系统总体框图 Fig.1 Overall block diagram of remote monitoring system 2 系统硬件选型 本系统监测参数选择提升电机 、 推压电机 、 回转 电机 、 左行走电机以及右行走电机的电压和电流值 ， 共计10 路模拟信号 ， 电铲各机构电机参数信息如表 1 所示 。 表 1 WK-35 电铲电机参数信息 Table 1 WK-35 electric shovel motor parameter ination 参数提升机构推压机构回转机构行走机构 数量/台2W1/2Y2I 型号YJ108A-S120/YJ13L2-S120 YJ109AX1-S120bYJ13L3-S120 额定功率/kW700�400X400倐450r 额定电压/V690�690X690倐690r 功率因数0 .860蝌梃.850 .850 .83 额定效率/％94C 9.093 .894E ;.0945 .4 2.1 电压传感器 根据表 1 电机参数信息 ， 电铲电机额定电压 均为 690 V ， 本文选用美控 MIK-DJU-800 V 接线 式交流电压变送器 ， 如图 2 所示 ， 其电压测量范 围为 0 ～ 800 V ， 输出 4 ～ 20 mA 直流电流 ， 该传 感器可将正弦或畸形交流电压转换成独立于负 载且与测量值成比例的直流电流信号 ， 符合电磁 兼容（emc）和安全性的技术要求和规范 ， 满足本 系统需求 。 图 2 电压传感器实物图 Fig.2 Physical picture of voltage sensor 02 第 6 期葛文超等 基于 LabVIEW 和 PLC 的电铲电机参数远程监测系统 2.2 电流传感器 电铲最大额定电流经计算约为 680 A ， 本文选 用美控 MIK-DJI-1000 A 开环直测式霍尔电流变送 器 ， 如图 3 所示 ， 其量程为 0 ～ 1 000 A ， 输出 4 ～ 20 mA 直流电流 ， 该传感器采用闭环零磁通磁平衡 式原理 ， 具有精度高 、 线性度好 、 反应快 、 抗干扰能力 强等优点 ， 满足系统需求 。 图 3 电流传感器实物图 Fig.3 Physical picture of current sensor 2.3 PLC控制器及相应模块 ［4］ 系统选用三菱 FX5UC-32MT/D 型 PLC 控制 器及对应模块 ， 如图 4 所示 。 FX5UC 系列是三菱公 司推出的新一代可编程控制器 ， 其 CPU 模块包含 16 个输入 、输出点数 ， 自带以太网和 RS-485 端口 ； A/D 模块选择 FX5-4AD-ADP ， 该模块包含 4 个模拟 输入通道 ， 为实现监测系统采集需求 ， 需要至少 3 个 A/D 模块 ， 当 A/D 模块输入 4 ～ 20 mA 电流时 ， 对应 数字量输出值为 0 ～ 12 800 ， 分辨率为 1.25μA ； 通信 模块选择 FX5-232ADP ， 该模块支持 MELSOFT 连 接 、MC 协议以及 Modbus RTU 通信 。 图 4 PLC及相应模块 Fig.4 PLC and corresponding module 2.4 车载终端 考虑到电铲现场作业环境恶劣 ， 本文选用新汉 VMC-3000 工业计算机作为车载终端 ， 如图 5 所示 。 该车载终端基于 Intel Atom TM D2550 处理器 ， 内 置 GPS 接收器 ， 支持蓝牙 、Wi-Fi 、 4G 扩展 ， 可接收 、 显示 、 传输采集端信息 。 另外该终端设备集成 IP65 等级外壳 ， 专为重型车辆设计 ， 可在极严苛的环境下 提供绝对的防水 、 防尘保护 ， 前面板可有效阻止外部 源以防错误触摸 ， 工作效率和安全性都能得到保障 ， 满足现场试验要求 。 图 5 车载终端 Fig.5 Vehicle terminal 3 系统软件设计 监测系统软件设计流程图如图 6 所示 ， 主要包 括如下步骤 1）PLC 初始化 ， 设定 A/D 模块相关参 数 ； 2）A/D 模块从传感器获取数据 ， 完成 A/D 转换 后存储在数据寄存器中 ；3）通过串口通信协议 Modbus RTU 实现 PLC 和上位机软件 LabVIEW 的 通信 ， LabVIEW 读取 PLC 寄存器数据 ； 4）电压/电流 数据通过前面板显示并保存 ； 5）将各数据打包为单 个数组 ， 通过 4G 网络上传至云服务器数据库 ； 6）编 写客户端软件 ， 实现数据远程监测 。 图 6 软件设计流程图 Fig.6 Software design flow chart 12 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 3.1 PLC程序设计 三菱 PLC 对应编程软件为 GX Works3 仿真软 件 ， 该软件是由三菱公司推出的综合 PLC 编程软 件 ， 是专用于 PLC 设计 、 调试及维护的编程工具 ， 与 传统的 GX Developer 软件相比 ， 功能及操作性能有 所提高 ， 使用更加方便 ［5］ 。 以 FX5-4AD-ADP 模块通道 1 为例 ， 通过查询 得知 A/D 转换完成标志对应继电器为 SM6300 ， 数 字输出值对应特殊寄存器为 SD6300 ， 其它通道对应 继电器和寄存器同理可查询 ， 编写采集程序如图 7 所示 。 根据传感器输出范围 ， 将 A/D 模块输入范围 设置为4 ～ 20 mA ， 采集得到的数字量值存储在 D0 、 D1 、 D2 、 D3 等数据寄存器中 ， 等待查询 。 图 7 PLC采集程序 Fig.7 PLC acquisition program 3.2 通信协议 串口通信协议选择 Modbus RTU 模式 ， 在消息 中每个 8 bit 字节包含两个 4 bit 的十六进制字符 ， Modbus RTU 模式的主要优点是 在相同波特率 下 ， 可比 ASCII 方式传送更多数据 ［6］ 。 该协议使用 主-从通信方式 ， 即主设备向从设备发送请求 ， 从设 备分析并处理主设备的请求 ， 然后向主设备发送结 果 ， 如果过程中出现任何差错 ， 从设备将返回一个异 常功能码 ［7］ 。 在本系统中 ， 主设备为车载终端 ， 从设 备为三菱 PLC ， 读取寄存器的功能代码为 03H ， 在 读取数据时主站请求报文如表 2 所示 ， 从站应答报 文如表 3 所示 。 表 2 读寄存器主站请求报文格式 Table 2 at of master station request message for reading registe 设备地址功能代码数据地址读取数据个数CRC 校验 8 bit03H16 bit16 bit16 bit 表 3 读寄存器从站应答报文格式 Table 3 at of slave station response message for read register 设备地址功能代码数据个数读取的数据CRC 校验 8 bit03H8 bitn 16 bit16 bit 通信协议中 CRC（冗余循环校验码）含 2 个字 节 ， 即 16 位二进制数 。 CRC 码由发送设备计算 ， 放 置于所发送信息帧的末端 ， 接收设备再重新计算接 收信息的 CRC ， 比较计算得到的 CRC 与接收到的 CRC ， 如果两者不相符 ， 则认为数据传输出错 。 3.3 LabVIEW 程序设计 上位机监测软件采用图形化编程语言 LabVIEW 开发 ， LabVIEW 设计起初主要用于实验室测控环 境 ， 目前在开发信号采集 、 过程控制 、 仪器检测 、 仪器 控制等领域广泛应用 ， 与 Visual C ＋ ＋ 、Visual Basic 、 MATLAB 等编程工具相比 ， LabVIEW 基于 G 语 言 ， 上手快 ， 操作方便 ； 用户可根据自身需求自定义 操作界面 ， 且其性能由计算机配置决定 ， 不受仪器厂 商限制 ； 可实时 、 直接对数据编辑 ； 多线程技术可同 时运行多个任务模块 ， 适合对现场设备进行实时监 测 ［8-9］ 。 本文选择 LabVIEW 软件编程实现数据读 取 、 显示存储 、 实时上传云服务器数据库以及客户端 远程访问功能 。 3.3.1 数据读取与处理 如图 8 所示 ， 程序通过调用 LabVIEW 中 VISA 配置函数对串口进行初始化设置 ， 除串口号均选用 默认值 波特率选择 9600 ， 8 位数据位 ， 1 位停止位 ， 无校验位 ， 串口号选择 COM3 。 系统运行时 ， PLC 经过处理后的数据帧通过 RS-232 串口传输至上位 机 ， 按照上位机和下位机之间的通信协议 ， VISA 读 取函数每次读取 PLC 传输的固定字节数据 ， 通过截 取字符串函数及数值/字符串转换函数将输入字符 串转换为所需数据 ， 转换完成后根据比例关系计算 得到真实电压/电流值 。 3.3.2 数据显示与保存 数据显示与保存程序主要是将采集处理后的电 压和电流值等参数实时显示并保存 。 程序通过创建 局部变量实时显示各电机数据 ， 并以时间点为文件 名将数据保存为 csv 格式 ， 使用 LabVIEW 编写的 数据显示与保存程序见图 9 。 3.3.3 服务器端程序 为实现远程监测功能 ， 需将电铲电压/电流数据 实时上传至云服务器数据库中 。 服务器功能主要是 接收 、 解析采集终端上传的数据包 ， 并将数据存储在 22 第 6 期葛文超等 基于 LabVIEW 和 PLC 的电铲电机参数远程监测系统 图 8 数据读取与处理程序框图 Fig.8 Block diagram of data reading and processing program 图 9 数据显示与保存程序框图 Fig.9 Program block diagram of data display and storage 数据库中 。 本文选择 TCP/IP 协议完成数据通信 ， 使用 LabVIEW 编写的服务器端程序框图如图 10 所示 ， 程序界面如图 11 所示 ， 该程序通过监听对应 端口 ， 接收采集端上传数据并解析 ， 同时显示采集终 端设备的 IP 地址 、 端口号以及上下线时间 。 该程序依据性能为主、 展示为辅的设计理念 ， 软件 界面设计相对简单 ， 大部分显示与操作功能未显示在 软件界面上 ， 大大减少了前台数据分析的工作 ， 将系统 资源主要用于数据通信过程 ， 确保数据通信的稳定性。 3.3.4 客户端程序 基于 C/S 模式的客户端软件采用 LabVIEW 编 写 ， 通过生成 文件和对应的安装包文件 ， 可以 在没有 LabVIEW 的 Windows 环境中运行 ， 该软件 是针对电铲远程监测系统编写的专用软件 ， 主要用 于监测 、 显示 、 查询电铲电机运行参数 ， 支持多台终 端同时查看监测信息 。 该软件的主要功能 1）用户 登录信息管理 ； 2）电铲电机运行参数获取 ； 3）电机历 史运行参数获取 。 客户端程序主界面如图 12 所示 。 图 10 服务器端程序框图 Fig.10 Server side program block diagram 32 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 图 11 服务器端软件界面 Fig.11 Server side software interface 图 12 客户端程序主界面 Fig.12 Main interface of client program 4 现场试验 为验证监测系统的可靠性 ， 选择在德兴铜矿铜 厂 WK-35 电铲上进行现场试验 ， 图 13 为现场硬件设 备安装图 ， 对电压/电流等数据进行采集 ， 将传感器 、 PLC 、 电源通过导轨固定 。 图 14 为上位机终端安装 位置 ， 上位机终端通过万向球头支架固定 ， 起到防震 作用 。 试验结果表明 ， 该系统可以实现远程监测功 能 ， 能够满足系统总体方案设计系统需求 ， 设计合理 ， 具有良好的可移植性和稳定性 ， 达到预期设计目标 。 图 13 硬件设备安装图 Fig.13 Installation diagram of hardware equipment 图 14 上位机终端安装位置 Fig.14 Installation position of upper computer terminal 5 结论 利用 LabVIEW 和 PLC 作为主要软/硬件 ， 将 测量技术 、 传感器技术 、 虚拟仪器技术及数据传输技 术结合 ， 实现电铲电机参数远程在线监测 。 目前该 系统已成功部署在江西德兴铜矿铜厂 18 ＃ WK-35 电铲上 ， 通过 6 个月的现场测试 ， 该监测系统可以实 现远程实时监测电铲电机电压 、 电流运行参数 ， 人机 界面友好 ， 具有较强的实用性和可靠性 ， 该系统为实 现数字化 、 智能化矿山提供一定基础数据 ， 也为其他 型号电铲电机监测乃至其他工作参数的监测提供可 借鉴经验 。 参考文献 ［1］ 杨彪 . 露天矿开采境界动态优化研究及应用［D］ . 长沙 中南大 学 ， 2011 . 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