高许，邓世建，蔡雨盛

(中国矿业大学 信息与控制工程学院， 江苏 徐州 221116)

0 引言

矿井提升机作为联系井上和井下的咽喉要道，是煤矿生产中不可或缺的重大固定机电设备之一。在提升装备运行过程中，容易出现松绳、卡罐、过卷、滑动等故障，减速器、轴承、闸瓦等部件损伤给煤矿安全生产带来了极大的威胁[1]。多年的生产实践表明，受力集中和高速运转部位运行温度的升高是隐患发展为故障的前兆。为了避免故障的发生，确保提升设备的安全可靠运行，国内外学者对提升机运行温度的实时监测进行了研究。文献[2]研发的矿井提升机闸瓦在制动过程中的温度监测系统，利用微型红外测温仪和上位机实现了对提升机闸瓦温度的在线测量和实时监测;文献[3]提出运用成熟的PLC技术改造已配备SDFA型电机温度检测仪的提升机温度监控系统;文献[4]利用无线测温技术，实现对提升机轴承温度的检测，以便实时掌握轴承的润滑情况。这些监测系统虽然具有广泛的适用性，但是系统开发周期相对较长，系统中的温度检测点较少，许多关键运行点的温度仍采用人工定时、逐点手工测量的方式，检测结果欠缺实时性，一旦出现异常状态，工作人员很难及时发现。

为了进一步掌握提升设备的运行情况，实现重要运转部位温度检测的实时性，本文基于PyQt设计了矿井提升机温度监测系统，结合PyQt的开发优势，能对提升机运行过程中电动机、减速器、滚筒两端和闸盘的温度进行监测，并及时准确地对机械设备的各种异常做出预警。

1 PyQt简介

PyQt是Python与Qt结合的产物，是用Python实现的Qt类库。Python具有简洁清晰的语法和丰富强大的库，能够将其他语言编写的代码模块(尤其是C/C++)连接在一起。Qt是一个性能卓越的跨平台的C++图形用户界面(GUI)应用程序开发框架[5]。制作程序UI界面，可以利用UI制作工具和编写纯代码这两种方式实现。PyQt自带了和Qt同样强大灵活的可视化GUI设计工具Qt Designer，可以更为方便地定制界面,加快开发PyQt程序的速度。PyQt处理事件的核心机制是信号(signal)和槽(slot)，当某个对象的状态发生改变时，信号由该对象发射出去，槽用于接收信号。事件循环创建之后，建立信号和槽的连接实现对象之间的通信，在PyQt5中信号和槽通过QObject.signal.connect连接。这种机制不同于回调(callback)机制，使用信号和槽可以使程序更加简洁，当所开发的程序越大时，PyQt的这个优势就越为明显[6]。

2 系统硬件设计

2.1 整体结构设计

提升机设备、测量仪表和各种传感器作为最底层的现场仪表层，以单片机为主要控制器的控制系统作为中间的控制层，基于PyQt开发的上位机监测软件形成最上方的监控管理层。现场仪表层中的各个温度传感器完成对温度信号的采集，所采集的数据直接交给控制层的单片机处理，处理后的数据由串口通信实现数据的传输，最终在监控管理层中的电脑终端存储并显示，矿井提升机监测系统的分布式构架如图1所示。

图1 监测系统的分布式构架

2.2 温度传感器

提升机系统中电动机的温度、减速器的温度、轴承的温度、滚筒两端的温度、闸盘的温度，能够侧面反映提升机运行状态，所以在上述关键位置安装合适的温度传感器。硬件系统的模型如图2所示。

图2 矿井提升机温度监测系统模型

在电动机的两端安装6路Pt-100温度传感器，由于现有模拟量模块不支持直接读取Pt-100温度传感器的电阻变化信号，故在电动机侧安装RWB型温度变送器，并将电阻变化信号转化为标准的4～20 mA电流信号。减速器处的温度采集选用温度传感器DS18B20，它具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等优点，其接外部电源，GND端接地，温度传感器的I/O和单片机的I/O连接起来。测量滚筒两端的温度和轴承的温度时选择与上述电动机处相同的温度采集装置。在闸盘表面温度控制中，选取中低温微型探头红外测温CTLT02，它有微型红外传感头，适用于需要节省空间的工业环境。

2.3 单片机

单片机选用STM32F103C8T6，主电路如图3所示,这是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，带有64kB闪存程序存储器、7个定时器、2个ADC、9个通信接口，工作电压为2.0～3.6 V，工作温度为-40～85 ℃，中等容量增强型单片机能够满足系统的控制要求[7]。

3 系统软件设计

3.1 PyQt5环境搭建

研究中的矿井提升机上位机监测软件采用Windows 7 64位操作系统，开发平台综合使用Python3.5+PyQt5+Eric6。使用Python3.5语言开发PyQt5，无需考虑中文编码转换的问题。Eric6是基于跨平台的Qt GUI工具包、整合灵活的编辑器控件。Eric6与PyQt5结合，非常方便地实现界面与业务逻辑的分离，以满足Python的快速GUI开发需求[8]。在Windows下搭建PyQt5环境的主要步骤为：

图3 单片机的线路连接

1) 安装Python3运行环境。访问Python官方网站根据自己使用的平台下载合适的Python3.5.3版本。双击扩展名为.exe的文件进行安装，然后把Python的安装目录添加到系统环境变量中。

2) 安装PyQt5。使用pip install命令在线安装PyQt5和PyQt5-tools，pip.py的位置一般在Python的安装目录下Scripts文件中，这种方式最简单。然后还需要把PyQt5-tools的安装目录添加到系统环境变量Path中。

3) 安装Eric6。在安装Eric6之前，先用pip install命令安装Qsci模块，然后访问Eric官网，下载Eric6安装包及其汉化包。安装完毕后，第一次打开Eric6软件完成相关的设置后开发环境便搭建完成。

3.2 数据库设计

系统采用轻量级的数据库SQLite，相比于其他传统的数据库，SQLite可移植性好，能与许多计算机语言相结合，运行时占用的资源非常少，处理速度非常快。SQLite数据库的体系结构如图4所示。

图4 SQLite架构

SQLite属于文件型数据库，不需要任何数据引擎，故直接根据上位机的功能设计数据库结构。首先，基于对温度监测的功能需求，创建两个基本的表：主表和数据表。其中主表用来存储实时数据，包括索引ID、关键位置名称、传感器编号、传感器采集的温度信号等；数据表用来存储历史故障信息，内容包括索引ID、故障发生时间、故障名称等。通过这两个表的主键索引ID可以将两个表关联起来,然后编写数据库映射，可使温度监测软件对数据库进行访问和修改，PyQt API提供了许多数据库通信类，该系统使用QSqlDatabase类用来连接数据库。

3.3 软件设计

单片机和上位机之间采用RS-485串口通信方式，选择UART异步串口通信协议，单片机端首先要开启GPIO时钟和USARTX时钟，然后配置TX和RX引脚，最后初始化USART控制器并且定义相关函数。上位机可以导入QSerialPort和QSerialPortInfo这两个类，QSerialPort类提供了对串口的操作，QSerialPortInfo类提供了对串口信息的获取，以此实现上位机和串口之间的通信。

上位机监测软件不仅要把采集到的温度信号实时显示，系统还需要对异常温度作出相应的响应。其中电动机温度是判断电动机运行工况的重要指标，当电动机温度大于90 ℃时[9]，系统就能通过报警回路报警或通过安全回路实现抱闸停车；当滚筒两端温度达到60 ℃报警，达到70 ℃时,这一次提升循环结束后闭锁停机。通过测量制动盘的温度间接反映闸瓦的温度，当闸瓦所承受的最大温度超过250 ℃时[10]，矿井提升机在制动过程中会对闸瓦造成不可恢复的影响，并在上一次提升过程结束时，闸瓦温度高于100 ℃将会导致下一次提升过程对闸瓦产生不利影响。减速器过热会使润滑油黏度下降，油膜承载能力降低，影响齿轮、轴承和密封原件的寿命，其正常工作温度为-25～55 ℃[11]，如果超过了60 ℃则要停机，检查发热原因。

3.4 界面实现

软件界面用Qt Designer绘制，Qt Designer提供了按钮、对话框、文本框等常用GUI控件，可提高编写界面的速度[12]。将设计好的界面文件保存为“.ui”格式，使用Eric6编译后即可将“.ui”文件转换为“.py”文件，Python可以将转换后的文件当成库文件直接调用，此文件为界面文件。GUI界面设计并转换完成后再新建一个逻辑文件，完成界面后台的控制逻辑实现，即程序中对象间的通信。界面文件和逻辑文件是两个相对独立的文件，通过这种方法可实现界面与业务逻辑的分离。

提供人机交互界面是矿井提升机监测系统上位机软件的功能，上位机软件将从串口接收来的数据依次存入文件，解析数据包后再将提取出来的提升机运行状态信息通过可视化图形显示出来，整个应用程序的功能包括系统管理、参数设置、运行监测、历史数据查询，监测软件的运行监测界面如图5所示。

图5 监测界面图

4 结论

该系统在徐庄煤矿进行了测试,考虑到煤矿的生产安全问题,试验均为系统正常运行时的数据,使用红外线测温枪的人工测量值与温度监测系统显示值仅相差1 ℃左右,由测试结果可以看出,该系统可实现对提升机的关键位置温度的检测。

结合Eric6与PyQt5开发的矿井提升机温度监测系统，可实时采集各关键点的温度，并把数据传输到监测计算机，将人工检测温度变为智能监测温度的做法能减小人工投入。该系统还可根据温度变化特征及时采取应对措施,降低提升机系统的故障率,减少因提升机系统故障带来的经济损失。