葛學柳 張宸浩仟 王正午 楊小平

（中國礦業(yè)大學（北京），北京100083）

0 引言

振動篩在選煤工藝中，常用于原煤分級、洗前脫泥、洗后分級脫水、脫介等關(guān)鍵工藝。振動篩作為洗選工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀況直接影響到選煤廠生產(chǎn)的穩(wěn)定性[1]。目前在選煤行業(yè)內(nèi)，振動篩的日常檢修主要采用人工點檢方式，僅靠人工經(jīng)驗判斷設(shè)備狀態(tài)，缺乏振動篩關(guān)鍵零部件實時工作參數(shù)，無法發(fā)現(xiàn)潛在故障，導(dǎo)致設(shè)備故障進一步擴大，甚至整機報廢。為了保護設(shè)備，保障安全生產(chǎn)，本文設(shè)計并開發(fā)了一套振動篩運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 監(jiān)測指標選擇

振動篩在工作過程中，容易出現(xiàn)橫梁斷裂、側(cè)板開裂、彈簧斷裂、激振力不平衡等故障，最直接的表現(xiàn)是振幅、頻率等振動信號及噪聲的變化。振動篩工作環(huán)境嘈雜，從噪聲中提取特征，判斷振篩機運行狀態(tài)，其理論基礎(chǔ)還不成熟，通過噪聲監(jiān)測運行狀態(tài)存在一定難度。而基于振動信號的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)備的故障診斷中，并取得了良好的應(yīng)用效果。因此，本文采用振動信號分析方法，通過實時監(jiān)測振動篩的振幅、頻率、加速度、角速度、軸溫來確定振篩機的工況[2]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用無線通信+局域網(wǎng)方式進行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸。布置在振動篩兩側(cè)的信息采集模塊中的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸至公共數(shù)據(jù)接收模塊，確保振動環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232串口線送入局域網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在監(jiān)測點，由傳感器采集振動、溫度、電量數(shù)據(jù)，微處理器分析處理數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果通過無線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)接收模塊，STC51單片機接收數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送至上位機，上位機完成數(shù)據(jù)匯總，判斷設(shè)備運行狀態(tài)和發(fā)出異常報警。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

3.1 振動傳感器選型

振動信號是振動設(shè)備運行狀態(tài)最直觀、最真實的反映，一般可通過位移傳感器和加速度傳感器采集位移信號和加速度信號。位移傳感器主要是非接觸式，測量范圍小，而振動篩振幅位移較大，因此不宜使用位移傳感器采集振動信號[3]。本文采用六軸運動處理組件MPU6050，能夠同時實現(xiàn)三軸陀螺儀和三軸加速度計的功能，避免了組合兩種傳感器之間存在時間差的問題，并且減少了封裝空間。

3.2 MCU選型

處理器是嵌入式系統(tǒng)主要的功率消耗源，對于便攜式設(shè)備，在選擇處理器時，不僅要考慮其性能和功能，更要注意功耗特性。MSP430系列微處理器是美國德州儀器公司生產(chǎn)的16位單片機，設(shè)計電源電壓1.8～3.6 V，低功耗模式下最小工作電流僅為0.1 μA，大大延長了工作時間，緩解了系統(tǒng)供電不足、頻繁更換供電電池的問題。

3.3 無線模塊選型

振動篩工作時處于振動環(huán)境中，其通信不宜采用有線通信方式[4]。無線通信方式可保證振動篩在振動環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低系統(tǒng)硬件故障率。本文選用挪威NORDIC公司生產(chǎn)的nRF905無線傳輸芯片，其主要工作頻段為433 MHz、868 MHz和915 MHz，傳輸距離最大可達300 m，適用于低功耗、低成本系統(tǒng)設(shè)計。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖3所示。微處理器和傳感器初始化后，依次讀取MPU6050中加速度計和陀螺儀在X、Y、Z 3個方向的數(shù)據(jù)。判斷讀取數(shù)據(jù)是否合格，若讀取有誤，則重新讀?。徽駝訑?shù)據(jù)讀取完成后，對振動數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果放入寄存器；之后依次讀取溫度信息和電量信息，并分析處理數(shù)據(jù)，處理結(jié)果放入寄存器。分析結(jié)束后，對比分析結(jié)果和閾值，判斷振動狀態(tài)正常與否，若分析結(jié)果未超出設(shè)定閥值，則通過無線通信，發(fā)送分析結(jié)果以及正常信號，之后休眠5 min，等待下一次讀取；若分析結(jié)果超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則判定運行異常，通過無線模塊發(fā)送故障信號以及分析結(jié)果，之后不進入休眠狀態(tài)，繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)并進行分析，持續(xù)監(jiān)測振動篩運行狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 振動數(shù)據(jù)處理

首先分析處理加速度數(shù)據(jù)。判斷讀取的加速度數(shù)據(jù)屬于哪個坐標軸，然后將讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實的加速度值，并對加速度進行分析，可以得到最大加速度以及振動頻率；之后對加速度進行一階積分和一階最小二乘法去除趨勢項處理，獲得速度數(shù)據(jù)；再對速度數(shù)據(jù)進行一階積分和二階最小二乘法去除趨勢項處理，獲得位移數(shù)據(jù)；對多個周期內(nèi)的振幅進行分析，得到多個周期內(nèi)的平均振幅。最后將分析到的最大加速度、振動頻率以及平均振幅等數(shù)據(jù)，存儲到對應(yīng)的內(nèi)存空間中，等待無線模塊發(fā)送。

在真實的工作環(huán)境下，讀取傳感器數(shù)據(jù)易受到噪聲干擾且傳感器和放大器存在溫漂和零點漂移，這些影響在積分計算中會不斷累加，使直接對加速度或角速度積分得到的速度或角位移均值不為零，速度和角位移不斷偏離橫軸。因此，在對加速度和角速度積分獲取速度或角位移信息時，需要采用最小二乘法剔除趨勢項。

4.2 電量信息處理

電池電量與電池溫度、放電率及自放電率等多種因素有關(guān)。電量測量也是一個非常復(fù)雜的問題[5]，考慮到微處理器的處理能力有限，為提高系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性，采用工作電壓法對鋰電池的電壓進行粗略預(yù)估。工作電壓法通過實時測量電池工作電壓來估算電池電量。當電量小于30%的時候，系統(tǒng)會提示更換電池。

5 振動篩工況監(jiān)測系統(tǒng)安裝

在每臺振動篩的篩箱側(cè)板布置4個監(jiān)測點，入料端和出料端各2個點。數(shù)據(jù)采集模塊通過螺栓固定在尼龍模具上。尼龍模具的兩側(cè)分別為強磁鐵與屏蔽磁體，屏蔽磁體一側(cè)與尼龍模具固定，防止強磁鐵對微電子系統(tǒng)產(chǎn)生磁干擾，強磁鐵一側(cè)與篩箱直接吸合。

布置9個溫度傳感器掛接在單總線上，測量環(huán)境溫度以及軸承溫度，其中8個傳感器測量軸承溫度，1個傳感器測量環(huán)境溫度。軸承是轉(zhuǎn)動部件，因此將DS18B20布置在軸承底座之上，根據(jù)《振動篩試驗方法》（JB/T 4042—2008）規(guī)定，獲取軸承底座的表面溫度后，再加上3 ℃的換算值，得到的數(shù)值即為實際軸溫[6]。

6 試驗測試

試驗儀器：ZSG4070-1S直線振動篩、INV3018CT高精度USB采集儀。

試驗步驟：

（1）選取直線振動篩兩側(cè)對應(yīng)的兩點，分別安裝測試模塊和INV3018CT高精度USB采集儀，并保證傳感器加速度計X軸方向與主要振動方向平行放置。

（2）在靜態(tài)下，測量一組數(shù)據(jù)，用于校正標定。

（3）啟動振動篩，連續(xù)測量振動篩3個方向的加速度值。

結(jié)果分析：通過和專業(yè)儀器所測數(shù)據(jù)進行對比，可以得到測試模塊所測得的振動頻率誤差為3.3%，最大加速度誤差為8.98%，平均振幅誤差為1.6%。

7 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于無線通信的振動篩工況監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對振動篩運行工況參數(shù)，如振動篩頻率、振幅、加速度、角速度、軸承溫度等進行實時在線監(jiān)測的預(yù)期目標。測試試驗表明，此系統(tǒng)是可行的、有效的，可以向選煤廠推廣應(yīng)用，幫助設(shè)備管理人員發(fā)現(xiàn)故障，制定維修計劃，避免振動篩故障停機而導(dǎo)致的非計劃停產(chǎn)。