高 鵬，楊 碩，高 勇，曹俊云，康 寧

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012 3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012；；4.鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 大隆礦選煤廠，遼寧 鐵嶺 112700；5．中煤集團(tuán) 大屯煤電公司選煤中心，江蘇 徐州 221611；6.國(guó)家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油安裝檢修分公司，寧夏 銀川 751400)

振動(dòng)篩是保證選礦行業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，故障停機(jī)就意味著效益損失。因振動(dòng)設(shè)備的重載要求，使軸承、激振器、彈簧、傳動(dòng)軸及其他部件或遲或早都需要維護(hù)或更換[1-2]。有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)使?jié)撛诘墓收虾褪г诎l(fā)生前被提前檢測(cè)成為可能，可以保證維護(hù)提前介入，從而使設(shè)備或部件的壽命周期最大化。當(dāng)前，企業(yè)預(yù)防振動(dòng)篩故障的手段主要是人工定期排查，自動(dòng)化程度低，監(jiān)測(cè)不連續(xù)，難以發(fā)現(xiàn)隱性故障[3-4]。在振動(dòng)篩狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，篩箱振幅、橫向偏擺和振動(dòng)方向角等關(guān)鍵參數(shù)具有重大意義[5-6]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是利用壓電式加速度傳感器，將采集到的電壓信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備，再由數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析[7-8]，其弊端包括：弱電壓信號(hào)容易受到干擾，信號(hào)在線路上損失，布線復(fù)雜，傳感器電纜易磨損、斷裂等。

由天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司承擔(dān)的“大型選煤裝備可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，子課題——振動(dòng)篩故障預(yù)警與智能診斷技術(shù)研究目標(biāo)是有效提高設(shè)備監(jiān)測(cè)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效的目的。

振動(dòng)篩故障預(yù)警與智能診斷技術(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)源于振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)篩箱的三向加速度、電機(jī)的電流和激振器的溫度等數(shù)據(jù)。其中三向加速度采集器的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)傳入儀表內(nèi)置的單片機(jī)，由單片機(jī)結(jié)合無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)傳輸給上位機(jī)，是解決現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾的有效手段，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩故障早期預(yù)警和運(yùn)行狀態(tài)智能診斷，提高振動(dòng)篩的可靠性和智能化水平。

1 振動(dòng)采集裝置

振動(dòng)采集裝置包括五大部分：三軸加速度芯片ADXL345[9]，數(shù)據(jù)處理芯片ATMEL328P，通訊處理器CC2530[10-11]，14500鋰電池，升壓模塊MT3680。采集裝置的檢測(cè)流程框圖如圖1所示。

圖1 采集裝置的檢測(cè)流程框圖

振動(dòng)采集裝置的鋁合金外殼保證了組件的堅(jiān)固性和采集信號(hào)不受外界磁場(chǎng)干擾。釹鐵硼磁鐵鑲嵌入鋁合金外殼內(nèi)，磁鐵的一端跟外殼緊密固定，另一端吸附在振動(dòng)篩的側(cè)板上，確保在不破壞振動(dòng)篩側(cè)板強(qiáng)度的前提下，振動(dòng)采集裝置隨振動(dòng)篩一起運(yùn)動(dòng)。采集裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

三軸數(shù)字加速度計(jì)采用亞德諾半導(dǎo)體(ADI)公司的ADXL345芯片，通過(guò)IIC總線方式傳輸加速度數(shù)據(jù)；無(wú)線收發(fā)器采用德州儀器(TI)公司的CC2530，具備一個(gè)IEEE802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器，其中的RF內(nèi)核控制無(wú)線模塊，同時(shí)無(wú)線設(shè)備還包括數(shù)據(jù)包過(guò)濾模塊和地址識(shí)別模塊；數(shù)據(jù)處理芯片采用ATMEL公司的MEGA328P，它是一種高性能、低功耗的8位微控制器；鋰電池選用通用的14500鋰電池，充電電壓為4.2 V；升壓模塊選用MT3608，輸入電壓為2 V，最大輸出電壓為5 V，效率> 93%。采集裝置電路圖如圖3所示。

圖3 采集裝置電路圖

2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)采用Arduino程序框架[12-13]。Arduino語(yǔ)言建立在C/C++基礎(chǔ)上，也就是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduino語(yǔ)言是把AVR單片機(jī)(微控制器)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，設(shè)計(jì)者不需了解它的底層而能夠輕松上手。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)，軟件構(gòu)建于開(kāi)放原始碼，并且具有類似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境。[14-15]。

采集裝置參數(shù)設(shè)定：設(shè)置ADXL345的I2C地址，定義存放加速度值的變量，存放寄存器的高低位值，X、Y、Z軸共6個(gè)；定義加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù)速率，帶寬為50 Hz，0X0B對(duì)應(yīng)速率為200 Hz；設(shè)置ADXL345為測(cè)量模式，ADXL345采用±8 g量程，10位分辨率64對(duì)應(yīng)1 g；然后對(duì)加速度值進(jìn)行讀寫(xiě)操作和量程轉(zhuǎn)換；最后將經(jīng)過(guò)量程轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino串口輸出，需要設(shè)置loop循環(huán)的時(shí)間以及串口的傳輸速率。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LABVIEW[16-17]語(yǔ)言。LABVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LABVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LABVIEW 的程序模塊，與 C 和BASIC 語(yǔ)言一樣，LABVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LABVIEW 的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。LABVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。

LABVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬(wàn)用表)類似的控件，可方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LABVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LABVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

在振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集裝置中，LABVIEW編程主要分為4個(gè)部分：第一部分是利用VISA工具設(shè)置串口讀取數(shù)據(jù)，需要設(shè)置串口地址、波特率、校驗(yàn)位等信息。接下來(lái)讀取指定的字節(jié)數(shù)，比較指定的字節(jié)數(shù)中的數(shù)據(jù)是否正確，然后判斷是否繼續(xù)讀取。如果讀取正確，接下來(lái)連續(xù)讀取緩沖區(qū)中18個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即為三個(gè)方向加速度的原始數(shù)據(jù)。第二部分是將字符串轉(zhuǎn)換到數(shù)值，得到加速度數(shù)據(jù)的浮點(diǎn)數(shù)，之后是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。采用Butterworth濾波器(逐點(diǎn)) VI，設(shè)置了低截止頻率與高截止頻率，再對(duì)數(shù)值經(jīng)過(guò)兩次積分得到瞬時(shí)位移值。第三部分是得到振動(dòng)軌跡圖。采用LABVIEW的數(shù)組操作和條件結(jié)構(gòu)，包括創(chuàng)建數(shù)組、獲取數(shù)組元素個(gè)數(shù)、數(shù)組最大與最小值函數(shù)、刪除替換數(shù)組元素等。設(shè)計(jì)方法是在條件循環(huán)中，比較200次輸入的數(shù)組元素，抽取最大、最小值，利用插值減法運(yùn)算，取絕對(duì)值得到振幅，利用數(shù)組元素捆綁，前面板加載X、Y截面圖，得到振動(dòng)篩在X、Y截面的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。第四部分是頻率和方向角的計(jì)算。得到Y(jié)軸和X軸的絕對(duì)振幅后，利用反正切函數(shù)和弧度至角度轉(zhuǎn)換函數(shù)得到振動(dòng)方向角，利用LABVIEW自帶的波形生成函數(shù)創(chuàng)建時(shí)域信號(hào)，加載功率及頻率，估計(jì)VI并計(jì)算振動(dòng)的頻率峰值。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

圖4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序框圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)

振動(dòng)篩在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)信號(hào)是反映設(shè)備運(yùn)行正常與否的信息載體，而發(fā)現(xiàn)故障信息的重要條件之一是采用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，因此，真實(shí)、充分地檢測(cè)到足夠數(shù)量的信號(hào)并能客觀準(zhǔn)確地反映振動(dòng)篩在負(fù)載狀況下的運(yùn)行狀態(tài)特征信息，是在線監(jiān)測(cè)分析與故障診斷結(jié)果可信的前提。

對(duì)大型直線振動(dòng)篩振動(dòng)信號(hào)的采集過(guò)程如下：電機(jī)帶動(dòng)激振器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，在激振大梁、4個(gè)彈簧支座處安裝合適的傳感器，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拾取；傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與顯示，完成振動(dòng)信號(hào)地采集測(cè)量。采集裝置的布置圖如圖5所示。

由圖5可知：在X、Y、Z三個(gè)方向，Z方向垂直于振動(dòng)篩的篩板，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的振動(dòng)篩在垂直于篩板的方向位移很小。如果在Z軸方向產(chǎn)生較大位移，那振動(dòng)篩可能存在某方面的故障。直線振動(dòng)篩的位移方向與水平方向約成45°角，主要分解在X和Y軸方向。分別對(duì)X和Y方向的加速度經(jīng)過(guò)兩次積分及前面的論述的消除趨勢(shì)項(xiàng)，得到兩個(gè)方向的位移，并且X和Y軸方向的位移相位相差90°。經(jīng)過(guò)軟件編程，將X和Y方向的數(shù)據(jù)捆綁后組成一組新的數(shù)據(jù)，這一組數(shù)據(jù)形成了如圖6所示的振動(dòng)篩工作時(shí)的振動(dòng)位移。

圖5 采集裝置的布置圖

由圖6可知：振動(dòng)篩的振幅大小約為7 mm,方向與水平方向約為45°。此振動(dòng)篩在出廠檢驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)位移約為7 mm,振動(dòng)角度約為42.5°，與出廠檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)相比，本系統(tǒng)測(cè)得的振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)軌跡較真實(shí)地反映了振動(dòng)篩的工作情況。

圖6 監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試效果圖

5 結(jié)論

(1)從三軸加速度采集角度給出了一種振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線檢測(cè)方案，可對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，為振動(dòng)篩的故障預(yù)警提供有效數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過(guò)三軸加速度傳感器采集振動(dòng)篩的X、Y、Z三個(gè)方向的加速度值，利用總線方式輸出給AVR單片機(jī)，單片機(jī)利用串口透?jìng)骷夹g(shù)，并結(jié)合CC2530模塊完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與制作。

(3)利用 LABVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成了相應(yīng)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。借助LABVIEW強(qiáng)大的頻譜測(cè)量工具及濾波采樣得到所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)篩設(shè)備的篩體運(yùn)動(dòng)軌跡、振幅和相位等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的預(yù)警、判斷和處理功能，為振動(dòng)篩的在線檢測(cè)提供了一種有效的途徑。