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基于虚拟仪器技术的钢丝绳无损定量检测系统设计 -张彦平

(1.河南科技大学机电工程学院洛阳471003;2.洛阳逖悉开钢丝绳检测技术有限公司洛阳471003)

  摘要:针对目前国内外广泛使用的钢丝绳检测方法的弊端,本文介绍一种采用单片机与工业控制计算机联合检测的方案。图形化编程语言LabVIEW作为开发平台,详细介绍了TCK传感器的原理和系统软硬件设计思想。结果表明该方案不仅是可行的,而且充分利用了LabVIEW和单片机的优点,方便了编程并缩短了产品开发周期。

  关键词:钢丝绳;无损定量检测;虚拟仪器TCK传感器;LabVIEW;单片机

  中图分类号:TP3368.1 文献标识码:A

  Design of wire rope nondestructive quantitative detection system

  Based on virtual instrument technology

  Zhang yanping Li Jianchao Zhang Jiapenge

  (1.College of Mechanical and Electrical Ergneering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003;

  2.Luoyang TCK Wire Rope Inspection Technology CO.LTD.,Luoyang 471003)

  Abstract:In view of the disadvantages of in present wire rope detection in both domestic and foreign,this paper introduces a design that makes full use of MCU and industrial control computer.It presents the TCKsensor's principle and the system software and hardware design concept in detail.And with graphical programming language NI Lab VIEW as a development platform.The resuits show that the program is not only feasible ,but also makes full use of the advantages of MCU and LabVIEW,convenient programming and shorten the product development cycle.

  Keywords:wire rope;nondestructive quantitative detection;virtual instruments;TCKsensor;LabVIEW;MCU


  引言

  美国国家仪器公司(nationalinstrumentsCo.)推出的LabVIEw主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台,是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境[1]。利用LabVIEw设计的数据采集系统,可采集各种模拟信号,但是配备NI公司的数据采集板卡比较贵[2-3],因此可以选择单片机小系统作为前端数据采集系统进行数据采集,然后通过RS232/485串口通讯将数据送给计算机进行各种处理,从而实现一种基于虚拟仪器技术的数据采集与测控。

  钢丝绳无损检测的目的是保证钢丝绳的安全运行,并在安全运行的前提下尽量减少因过早报废而产生的浪费,因为我国煤炭工业安全规程规定[4]:钢丝绳在一个捻距内,损耗面积的总和超过5%时必须换绳。目前国内外普遍采用“霍尔元件检测法”和“感应线圈检测法”钢丝绳进行无损检测[5],这些方法虽然在特定的工况条件下能够部分地实现对钢丝绳的表面损伤进行定性检测,但由于技术上无法克服的缺陷,尚不能对钢丝绳的内外部损伤进行准确的定量检测,尤其是对钢丝绳的疲劳状态更无法进行判断。为此,本文采用基于虚拟仪器技术结合TCK独创的弱磁检测理论设计一套钢丝绳无损定量探伤系统,使用该系统用户不仅能准确地定量检测出在役钢丝绳的内外部断丝、磨损、锈蚀、损伤断面、疲劳、等金属有效面积减小,甚至钢丝焊点等损伤程度及损伤位置,而且能准确地检测出钢丝绳的疲劳程度,主要检测对象为矿用提升钢丝绳,检测速度O~30m/s,检测精确度(分辨率)为对钢丝绳提取截面面积损耗TCMA-LMA和局部缺陷LF定量检测的不确定度<0.5。


  1 总体设计

  本文使用基于空间磁场矢量合成原理的TCK传感器和C8051F020单片机对在役钢丝绳的内外部短丝,磨损,锈蚀和疲劳等数据信息进行采集后经信号调理,通过RS485总线把采集到的数据实时地传送给工控机测控系统进行处理,显示;图形化编程语言LabVIEW作为开发平台。总体方案如图1所示。

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  2 系统硬件设计

  由图1可知,本系统硬件主要由N个TCK传感器,一个光电编码器、信号调理电路、C8051F020单片机系统,RS485接口以及工业控制计算机组成,各组成部分的具体情况如下。

  2.1TCK传感器的原理及功能

  TCK传感器是将钢丝绳的缺陷信息转换成电信息的器件。性能独特:既有霍尔元件(Hal1)不受速度影响的特性,又比霍尔元件检测提高了万倍灵敏度,达到5×104V/T(集成霍尔元件只有0.17V/T)。无晃动、振荡、股波噪声、传感器距钢丝绳(缆)的距离或间隙最大,自由度大。由于矿用提升钢丝绳的安全使用事关重大,故在对某主矿井的钢丝绳进行测试时,每根井绳环抱一组TCK传感器。TCK传感器是采用基于空间磁场矢量合成原理[6]的传感器,采用永磁加载体磁化,高灵敏传感器检测,如图2所示。钢丝绳被磁化后,在钢丝绳内部产生主磁场Hz,在钢丝绳表面产生主漏磁场Hz1。Hz1与缺陷磁场方向相反。高灵敏磁传感器在对磁场进行综合处理时,要有补偿矢量蛳来抵消主漏磁场巩。传感器上某点传感线圈捕捉到的磁场矢量,是钢丝绳外该点各种磁场矢量沿轴向分量的矢量和Hs,其中包括断丝漏磁场Hd;磨损漏磁场Hm;锈蚀漏磁场Hx;疲劳漏磁场Hp;变形磁场Hb’等磁场信息。实验表明:

(1)传感线圈的输出信号U是H的函数,缺陷当量即损耗面积的百分数∆S又是U的函数,可写成Hi为任何缺陷矢量,A为比例系数(由实验所得),传感线圈捕捉到的磁场矢量合成和输出电压特性如图3所示。

(2)单个传感线圈捕捉缺陷信息(LMA)的数学模型公式为:Aj为第个缺陷当量的比例系数。我国煤炭工业安全规程规定,钢丝绳在一个捻距内,损耗面积的总和超过5%时,则必须换绳。求一个捻距内总的缺陷当量∆S时,只需在一个捻距内对公式(2)积分即可,即:

2.2光电编码器

  本系统采用光电式旋转编码器作为位置传感器,它能以极小的间隔对钢丝绳进行分段定位,并发出一系列脉冲送到单片机系统,用单片机上自带的计数器来测量脉冲总数,以此来判断所检测的钢丝绳的长度以及故障发生处的位置[9-10]。

  2.3信号调理电路

  由TCK传感器实时捕捉提取的磁信号Hi在进入单片机系统进行处理之前,由于矿井环境恶劣,信息干扰严重,所以需要进行滤波,整形等处理。

  2.4单片机系统设计

  单片机系统设计主要完成信号的A/D,D/A转换,计算损耗断面,进行串口通信等。Cygnal公司生产的C8051F系列单片机可以大大提高产品开发速度和效率。该系列芯片为工业级温度范围(一40~+85℃),满足产品对室外环境温度的要求。另外,芯片内置有8路12位A/D转换器、8路8位A/D转换器、2路12位D/A转换器、2路UART、SPI、I2C、电压比较器、内部晶振、看门狗、电压监视器、温度传感器、多路PWM输出,支持2O个中断源、64个可编程I/O口(推挽输出、漏极开路输出、弱上拉输出)、4KB RAM、64KB在系统编程Flash存储器等外部设备,简化了MCU芯片外围电路的设计。这种高集成度的系统器件为设计低功耗、小体积、高可靠性和高性能的驱动器提供了方便,同时也降低了驱动器的成本[7],因此选用该系列单片机可以满足本检测系统需要。

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  3 LabVIEW平台的串行通信设计

  3.1串行通信程序框图设计

  虚拟仪器软件体系结构VISA(virtual instrument software architecture)作为通用I/O标准,VISA具有与仪器硬件接口和具体计算机无关的特性,即VISA是面向器件功能,而不是面向接口总线的。针对计算机标准的串行口,LabVIEW提供了串行端口子模板。串行端口子模板中还包含许多的子模板(也称子VI),其中:VISA Con—figure Serial Port.VI,串行口初始化子VI;VISA Write VI,向串行口缓冲区写入数据的子VI;VISA Read.VI,从串行口设备中读取数据的子VI;VISAClose.VI,关闭串行口的子VI;VISA Bytes at Serial Port.VI,返回指定串行口中输入缓冲区内的字节数子VI;VISA Serial Break.VI,串行口中断子Ⅵ。

  LabVIEW是基于图形化的程序设计语言,程序的核心代码是类似于流程图的方框图和线条的连接。每个方框图代表一个功能模块即子VI,程序执行的过程是条件满足方式,当一个功能模块的所有输入都齐备后,此功能模块产生输出,传送给下一个模块。当系统开启时,首先进行串口选择,设置波特率和待检测的钢丝绳长度,之后进入顺序结构的第1帧,通过ⅥSA Write. vi向单片机发送“发送请求命令”即设置钢丝绳长度,由于LabVIEW的串行通信子Ⅵ只允许对字符串的读写,因此在数据处理时,必须进行字符串与数字之间的正确转换,在这里通过调用一个Number To Hexadecimal String.VI来实现此转换,然后打包发送。在收到计算机的发送请求命令后,单片机则回应应答信号为“ok”,计算机通过VISA Read.vi读取单片机的应答信号,并且判断是否收到“ok”来控制顺序结构中的While循环,由顺序结构第2帧完成。在顺序结构第3帧中,通过VISARead.vi读取数据,计算并显示。图4给出了工业控制计算机对C8051F020单片机系统设计进行串行通信的框图程序。

  3.2串行通信程序前面板设计

  图形用户界面,在这一界面上有用户输入和显示输出2类对象,具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(contro1)和显示对象(indicator)。对于本系统而言,主要把用户关心的钢丝绳内外部短丝,磨损,锈蚀和疲劳等信息友好的显示出来,这样用户只要操纵一下鼠标和键盘,足不出户就可以知道钢丝绳是否能安全运行了,操作面板如图5所示。

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  4 结束语

  本文以矿井提升钢丝绳检测系统为例,设计并实现了基于虚拟仪器技术的钢丝绳无损定量检测系统。首先通过TCK传感器和C8051F020单片机对在役钢丝绳的内外部断丝、磨损、锈蚀和疲劳等数据信息进行采集,然后进行信号调理,最后通过RS485总线把采集到的数据实时地传送给工控机测控系统进行处理。结果表明:该方案不仅是可行的,而且充分利用了LabVIEW和单片机的优点,方便了编程并缩短了产品开发周期。

  本文创新点:

  (1) 使用TCK传感器进行数据采集既保证了系统的可靠性,又做到了准确率高、精度高,且检测结果与检测速度无关。

  (2) 把虚拟仪器技术引入钢丝绳无损定量检测系统,使用LabVIEW编程语言进行系统软件设计,缩短了产品开发周期,提高了性价比。


  参考文献

  (1) BISHOP R H.LabVIEW 7实用教程[M].乔瑞萍译.北京:电子工业出版社,2005.

  (2) [赵振华,冯涓.基于LabⅥ的单片机温度

  (3) 自动测控系统[J].现代电子技术,2007(15):142-146.

  (4) 毛建东.基于LabⅥEw的单片机数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2006,22(3-2):41-42.

  (5) 煤矿安全规程[s].北京:国家安全生产监督管理总局,2005.

  (6) 窦毓棠 空间磁场矢量合成新原理——TCK钢丝绳损伤定量检测系统基础理论研究I-J].矿山机械,2000(4).

  (7) 顾必冲,孙学功.钢丝绳缺陷数据采集系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2002,26(1):9-10.

  (8) 潘琢金,施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

  (9) 杨乐平,李海涛,赵勇,等.LabvI高级程序设计[-M].北京:北京清华大学出版社,2003.

  (10) 王永哗,张颖,程璇,等.基于LabⅥ的电滞回线测试系统的开发I-J].仪器仪表学报,2006,27(5):501—504.

  (11) 尹仁平,刘刚,汪立新.LabVIEW中的数据库访问[J]电子测量技术,2006,29(3):51-53.

  基金项目:河南省自然科学基金资助项目(0410464012)

  作者简介:张彦平(1973一),女,河南沈丘人,硕士研究生,研究方向为精密测量与虚拟仪器设计

  


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