鞠 晨

(國能神東煤炭技術研究院,陜西 神木 719315)

0 引 言

電機是旋轉機械的核心部件。電機一旦發(fā)生故障,將會直接影響旋轉機械的正常工作。軸承是電機的重要組成部分,軸承故障是電機故障的主要因素之一。

目前常見的電機軸承故障分析方法基本是采用傅里葉變換、小波變換等算法,對振動、聲音等信號進行信號變換和濾波處理[1]。其中,振動信號由于對大多數(shù)故障敏感程度高而成為電機軸承故障診斷研究最常用的數(shù)據(jù)信號[2,3]。

DU Y等人[4]基于軸承振動信號,提出了一種基于稀疏時頻圖像紋理特征提取的滾動軸承故障嚴重程度監(jiān)測方法,該方法可克服傳統(tǒng)時頻分析方法中分辨率低和易被交叉項干擾等缺點;但其所用數(shù)據(jù)均為實驗室環(huán)境的理想數(shù)據(jù)集和單一故障數(shù)據(jù)集,對軸承實際運行過程中遇到的復雜工況與干擾的適應性差。劉波等人[5]將連續(xù)隱馬爾可夫模型與粒子群優(yōu)化算法支持向量機相結合,對滾動軸承進行了剩余壽命預測;但其所用數(shù)據(jù)均為來源于辛辛那提大學的實驗室的理想數(shù)據(jù)集,因此其結果的說服力不強。王奉濤等人[6]提出了一種基于經(jīng)驗模態(tài)分解和堆疊稀疏自編碼器的滾動軸承故障診斷方法;但該方法同樣不適用于現(xiàn)場實際工況下存在強背景噪聲的軸承故障診斷。

由此可見,現(xiàn)有關于軸承故障振動的研究往往基于實驗室理想數(shù)據(jù),而缺少現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)支持。此外,關于軸承故障的研究大部分集中于汽車、船舶、航空等領域。在煤礦領域,由于環(huán)境惡劣,現(xiàn)場振動信號難以獲取,導致相關研究極為缺乏[7,8],故亟需研究一種可以快速、準確地采集礦用電機軸承振動信號的監(jiān)測儀。

在煤礦領域,目前大部分的軸承振動采集系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)采集卡或可編程邏輯控制器(PLC)研發(fā)的。

何曉[9]選用NI6143同步數(shù)據(jù)采集卡,基于工控機和LabVIEW平臺,開發(fā)了主扇風機軸承振動采集裝置;但由于數(shù)據(jù)采集卡成本較高,使其難以得到大規(guī)模應用。類似地,以數(shù)據(jù)采集卡和工控機為核心,針對礦井提升機、主排水泵、通風機等煤礦大型機電裝備,北京中礦四邁科技有限公司開發(fā)了設備振動在線與分析監(jiān)測系統(tǒng),并獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步獎三等獎[10];但該系統(tǒng)也存在成本較高的問題。張金貴[11]以PLC技術為基礎,結合組態(tài)軟件,對礦井主通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究;但由于采用PLC難以采集高頻率振動原始信號,使得此類監(jiān)控系統(tǒng)只能用于門限式報警(基于振動幅值),不能用于故障診斷方面的研究。

因此,筆者研發(fā)基于STM32的礦用電機軸承振動監(jiān)測儀,以解決現(xiàn)有振動監(jiān)測儀成本高,且大部分振動監(jiān)測系統(tǒng)所采集的振動信號精度不足,難以用于礦用電機軸承故障診斷的問題。

1 監(jiān)測儀總體設計

1.1 功能設計

筆者所設計監(jiān)測儀功能如下:

1)采集電機軸承振動信號,可實現(xiàn)兩種工作模式。模式一:監(jiān)測儀實時采集振動信號,處理特征值并上傳至上位機,若特征值變化過大,則報警;模式二:上位機發(fā)出廣播信號,各監(jiān)測儀采集一段時間內的振動信號,然后上傳給上位機;

2)依據(jù)上位機指令執(zhí)行工作模式切換、設備參數(shù)查詢與修改、設備狀態(tài)修改、信號燈報警等功能;

3)采用按鍵實現(xiàn)模式切換和復位功能。

1.2 總體架構

監(jiān)測儀總體設計如圖1所示。

圖1 監(jiān)測儀總體設計

由圖1可見:筆者設計了包括最小系統(tǒng)電路、信號采集、存儲、通信、人機交互與電壓轉換,6個模塊的監(jiān)測儀硬件電路。

其中:信號采集模塊包括振動傳感器和AD轉換模塊;存儲模塊包括可編程存儲器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)和外部靜態(tài)存儲器(static random-access memory,SRAM);通信模塊包括CAN通信模塊和串口模塊;人機交互模塊包括信號指示燈和按鍵模塊,供設備調試使用;電壓轉換模塊實現(xiàn)12 V轉5 V和3.3 V的電壓轉換,為其他模塊提供電源。

1.3 通訊指令設計

根據(jù)接受到的上位機的一系列指令,監(jiān)測儀實現(xiàn)采樣頻率和設備地址的更改、設備復位與暫停等功能。其指令格式為:數(shù)據(jù)長度-設備地址高位-設備地址低位-指令代碼-數(shù)據(jù)。指令分為所有設備有效指令和單臺設備有效指令。所有設備有效指令以ID 0x0000命名。

請求指令碼設計如表1所示。

表1 指令ID 0x0000請求指令碼

所有設備有效指令是上位機通過CAN總線發(fā)送一個最高優(yōu)先級指令,所有設備均可接收;指令具有“查看幫助手冊”、“查詢設備ID”、“復位所有/當前設備”、“暫停所有/當前設備”功能。

單臺設備有效指令以ID 0x0001命名,請求指令碼設計如表2所示。

表2 指令ID 0x0001請求指令碼

表2中所述地址均由地址高位和地址低位組成,單臺設備有效指令是在指令中含有設備地址信息,只有地址校驗一致的設備才接收該指令,并根據(jù)指令中的具體信息執(zhí)行相應功能;指令具有切換“模式一:頻率值上傳”、“模式二:原始數(shù)據(jù)上傳”、“復位/暫停設備”、“修改采樣率/波特率”、“修改當前設備ID”的功能。

1.4 采樣頻率

為了更精確地采集到振動原始波形,且考慮到電機軸承振動數(shù)據(jù)的可靠性,筆者將監(jiān)測儀采樣率設置為振動最高頻率分量的5～10倍[12]。

2 硬件選型及電路設計

2.1 硬件選型

監(jiān)測儀主要元器件選型如表3所示。

表3 主要元器件選型設計

筆者選用了具有Cortex-M4內核的STM32F407-ZGT6微控制器,它具有外設資源豐富、運算速度快、功耗低、性價比高的特點[13];選用了具有8通道16位高分辨率的AD7606芯片,以處理±5 V和±10 V雙極性振蕩信號;選用了HK9143型單軸電壓輸出型加速度振動傳感器,可滿足頻率值上傳和原始數(shù)據(jù)上傳兩種工作模式[14];選用了AT24C02型可編程存儲器和IS62WV51216BLL-55TLI型外部靜態(tài)存儲器組成存儲模塊;選用了型號為TJA1042T/3的CAN芯片和Mini-B型通用串行總線(universal serial bus,USB)轉串口模塊組成通信模塊;選用了獨立式按鍵、發(fā)光二極管和型號為TK-6800-1的自鎖按鍵開關組成人機交互模塊。

2.2 電路設計

2.2.1 最小系統(tǒng)

電源電路部分由STM32芯片的VDD引腳獲取外部電源,并向備份域電路、內核電路及AD電路3個區(qū)域供電;復位電路設計有系統(tǒng)復位、電源復位和備份域復位3種復位模式。另外,筆者設計了連接測試組電路,令計算機可直接控制Cortex-M4內核,以提高開發(fā)效率。

2.2.2 信號采集和存儲電路

信號采集模塊采用AD7606芯片實現(xiàn)振動信號的模數(shù)轉換,其電路原理如圖2所示。

圖2 AD7606芯片電路原理圖

由圖2可見:在筆者設計的信號采集電路中,芯片由5 V電源通過去耦電容和磁珠連接到AVCC引腳進行供電,同時VGND引腳接地;RANGE引腳決定模擬輸入范圍,并與STM32的PC11引腳相連;將CONVST A/B兩個引腳短接后與STM32的PC9引腳相連,以實現(xiàn)8通道同步采樣;將REF SELECT引腳接高電平,以實現(xiàn)內部2.5 V基準電壓源的使能。

在存儲模塊中,AT24C02型可編程存儲器具有2 KB存儲空間,采用集成電路互連通訊協(xié)議;IS62WV51216BLL-55TLI型外部靜態(tài)存儲器存儲空間為8 MB。

2.2.3 通信模塊和人機交互模塊

通信模塊實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)上傳功能,其中,CAN總線模塊電路圖如圖3所示。

圖3 CAN總線模塊電路原理圖

由圖3可見:筆者所設計的通信模塊由CAN_High和CAN_Low兩條信號線共同構成一組差分信號線,通過CAN總線監(jiān)測儀接受上位機指令。

USB轉串口的電路圖設計如圖4所示。

圖4 USB轉串口電路原理圖

由圖4可見:USB串口可通過USB接口提供5 V供電和串口通信;筆者采用CH340G型號的USB芯片,外接12 MHz晶體和振蕩電容;另外筆者還設計了USB接口保護電路,使用金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor,MOS)場效應管作為電源電路開關,當有外部電源時將斷開USB供電,防止出現(xiàn)灌電流。

人機交互模塊由獨立式按鍵和指示燈組成,筆者設置了復位按鍵和兩個模式的切換按鍵,并使用發(fā)光二極管作為信號指示模塊。

3 監(jiān)測儀程序設計

筆者基于模塊化理念設計了振動監(jiān)測儀軟件,主要包括主程序、AD采集子程序和CAN通信子程序。各程序模塊設計思路如下:

3.1 主程序

筆者將各模塊的初始化程序封裝為bsp_Init(),供主函數(shù)調用,其主函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5 主函數(shù)流程圖

由圖5可見:在設備初始化完成之后,進入工作模式標識符檢測程序,工作模式標識符Flag可由上位機指令和設備按鍵進行更改,當Flag分別取1、2、3時,分別代表模式一(頻率值上傳)、模式二(原始數(shù)據(jù)上傳)和暫停模式。

在模式一時,系統(tǒng)執(zhí)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送設置函數(shù),將頻率值設定為即將發(fā)送的數(shù)據(jù),隨后,執(zhí)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù),將數(shù)據(jù)上傳給集中分析平臺,藍燈亮;模式二同理。在每個While循環(huán)函數(shù)里均有模式檢測函數(shù)。

3.2 AD采集子程序

AD自動采集程序流程圖如圖6所示。

圖6 自動采集程序流程圖

筆者設計的AD采集程序主要功能為實現(xiàn)振動傳感器模擬量的模數(shù)轉換,運行時需要先配置好輸入/輸出(general-purpose input/output,GPIO)引腳和靈活靜態(tài)存儲控制器并口的訪問時序,啟動CONVST轉換輸入引腳,使用TIM3_CH4輸出脈寬調制脈沖,觸發(fā)AD7606啟動AD轉換。之后,設置BUSY口線為下降沿中斷,在中斷服務程序保存AD轉換結果,使用AD7606_EnterAutoMode函數(shù)控制硬件工作在自動采集模式,將結果存儲在先入先出數(shù)據(jù)緩存器(first input first output,FIFO)緩沖區(qū)。

3.3 CAN通信子程序

CAN程序通信流程圖如圖7所示。

圖7 CAN通信流程圖

由圖7可見:筆者所設計的CAN通信子程序中首先需要對CAN通信引腳、CAN中斷程序、工作模式、篩選器進行設置,配置接收中斷優(yōu)先級,并且在進行數(shù)據(jù)傳輸之前需要將信息接收(receive message,Rx Message)數(shù)據(jù)結構體初始化;然后,設置CAN的數(shù)據(jù)幀內容,將AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算或者轉換之后存放到數(shù)據(jù)幀的0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段中,該數(shù)據(jù)段中的內容為監(jiān)測儀采集到的原始數(shù)據(jù)。

監(jiān)測儀若接收到上位機發(fā)送的工作指令,則會引起CAN接收中斷,并在中斷服務函數(shù)中從FIFO郵箱中讀取報文數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)內容匹配相應指令,然后執(zhí)行該工作指令。

4 功能測試及應用

4.1 實驗室系統(tǒng)功能測試

筆者搭建了監(jiān)測儀實驗平臺,并完成了上位機調試、CAN設備驅動安裝、串口驅動安裝、CANpro分析軟件安裝等工作,之后進行了監(jiān)測儀通信環(huán)境測試、監(jiān)測儀基本功能測試、AD采集模塊精度測試及設備信息修改功能測試。

振動信號測試的實驗平臺如圖8所示。

圖8 振動信號測試平臺

由圖8可見:筆者設計的實驗平臺由信號發(fā)生器、振動信號監(jiān)測儀和示波器組成。信號發(fā)生器選用RIGOL DG1062Z型信號發(fā)生器,能夠產(chǎn)生1 μHz～60 MHz,峰峰值為1 mVpp～10 Vpp的正弦波信號;示波器選用RIGOLDS2102A型示波器。信號發(fā)生器連接在采集裝置輸入端,用以產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號,示波器接在對應通道的輸出端。

實驗中,筆者分別測試了頻率為10 Hz、20 Hz、25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz,峰峰值Vpp=1 V(幅值500 mV)的正弦波信號,共獲得6組波形圖。

采樣結果如表4所示。

表4 采樣結果表

測試結果表明:上、下位機可以有效地進行CAN通信,且模式切換和超限報警等基本功能正常;AD采集模塊可以較好地重現(xiàn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形,且頻率、幅值均與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號參數(shù)相近[15]。

其中:頻率最大誤差1.96%,平均誤差0.76%,幅值最大誤差3.6%,平均誤差2.57%,說明信號采集模塊精度良好,能有效收集振動信號;監(jiān)測儀的修改地址、波特率、采樣率參數(shù)等功能均正常。

4.2 現(xiàn)場應用情況

筆者開發(fā)的礦用電機軸承振動監(jiān)測儀已在神東煤炭公司上灣礦北風井主通風機電機上進行了應用。通風機為FBCDZ No36對旋軸流式風機,電機為YBF630-10三項異步電機,其基本參數(shù)為:額定電壓10 kV、額定功率315 kW、額定轉速595 r/min、軸伸端軸承型號NU334ECM、尾部軸承型號NU228ECM。

傳感器安裝位置及實物圖如圖9所示。

圖9 傳感器安裝位置及現(xiàn)場實物

由圖9可見:筆者將振動傳感器安裝點設置在電機驅動端和尾部風扇位置與外殼軸承座剛性連接部位,以保證所取得的軸承振動信號的可靠性。

雖然風機中的2臺電機上均安裝了傳感器,但由于運行方式為同步運行,2臺電機運行信號相似,限于篇幅,以下筆者將以其中一臺電機驅動端采集到的信號為例進行介紹。

該電機使用監(jiān)測儀采集到的信號,將其經(jīng)包絡分析后得到的電機驅動端軸承包絡譜,如圖10所示。

圖10 二號電機輸出端軸承信號

由圖10可見:圖中峰值標記點為電機轉速的倍頻,可用于判斷故障可能的位置[16](如軸表面裂痕、鑄造缺陷多反映在1倍頻,軸不對中反映在2倍頻等)。所測電機振動最高幅值出現(xiàn)在其1倍頻位置,為1.4 mm/s,且由于扇葉為9片,故9倍頻位置振動幅值相較于其他倍頻更高,與定期維修后發(fā)現(xiàn)的電機實際運行情況相符。

采用監(jiān)測儀所記錄的該電機振動歷史趨勢如圖11所示。

由圖11可見:采集歷史中電機振動峰值均未有超標記錄,且由于主通風機每個月進行輪換,故3月7日～4月7日采集振動信號接近于0,其間少量起伏為外界環(huán)境干擾所致,與實際電機運行情況相符。從而證明筆者研發(fā)的監(jiān)測儀可以正確采集振動信號且工作穩(wěn)定,能完成所設計的信號采集、模式切換、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

5 結束語

筆者通過對監(jiān)測儀的總體架構設計、硬件選型及電路設計、專用軟件設計,研發(fā)了基于STM32的電機振動監(jiān)測儀,實現(xiàn)了電機軸承的振動信號采集、模式切換、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。監(jiān)測儀與上位機之間通訊穩(wěn)定,共同組成了電機振動監(jiān)測系統(tǒng)。最后,筆者通過實驗平臺和現(xiàn)場應用,驗證了該監(jiān)測儀具備采集振動信號的準確性和運行的穩(wěn)定性。

研究結果表明:

1)該監(jiān)測儀能夠用于實時采集電機軸承振動信號,具有主動上傳振動特征值和根據(jù)上位機指令被動上傳原始振動數(shù)據(jù)這兩種工作模式,實現(xiàn)了根據(jù)上位機指令進行工作模式切換、設備參數(shù)查詢與修改、設備狀態(tài)修改、報警等功能;

2)監(jiān)測儀AD采集模塊可以用于較好地重現(xiàn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形,且頻率、幅值均與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號參數(shù)相近,其中頻率最大誤差1.96%,平均誤差0.76%;幅值最大誤差3.6%,平均誤差2.57%;

3)在神東煤炭公司上灣礦北風井主通風機電機上的應用結果表明:該監(jiān)測儀運行穩(wěn)定,能夠監(jiān)測電機軸承振動并儲存歷史數(shù)據(jù),可為軸承故障診斷研究提供數(shù)據(jù)。

后續(xù)筆者還將結合具有沖擊脈沖[17]和振動信號輸出功能的雙T傳感器[18],針對軸承早期故障診斷進行研究,并基于Wifi和5G等無線數(shù)據(jù)通訊技術對監(jiān)測儀進行改進,拓展其適用場景。