1、矿用便携式振动监测分析仪设计及应用 范旭峰 李臻 李晋 贾洪钢 天地(常州)自动化股份有限公司 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 摘 要： 为实现对煤矿大型机电设备重大故障预知报警, 解决设备运行中的故障实时智能诊断难题, 设计了矿用便携式振动监测分析仪, 介绍了其工作原理、系统组成、电路设计、软件设计。利用嵌入式实时分析技术对设备振动数据智能分析处理, 有效地识别设备运行状态。矿用便携式振动监测分析仪在某煤矿对通风机进行振动监测试验, 准确诊断出通风机振动剧烈原因, 该矿用便携式振动监测分析仪的应用实现了设备故障识别和智能诊断, 且操作很方便。关键词： 煤矿设备; 振动监测; 智能分析
2、; 故障诊断; 作者简介：范旭峰 (1987) , 男, 山西太原人, 助理工程师, 硕士。Tel:13810014643, E-mail:收稿日期：2015-04-20基金：天地科技股份有限公司研发资助项目 (2014-TDGZZD-01) Design and application of mine portable vibration monitoring instrumentFan Xufeng Li Zhen Li Jin Jia Honggang Tiandi ( Changzhou) Automation Co., Ltd.; School of Mechanical Elect
3、ronic Received： 2015-04-200 引言随着煤矿自动化程度的不断提高, 煤矿大型机电设备的种类越来越多, 应用越来越广泛, 煤矿机电设备可靠运行是煤矿安全生产的保障, 对机电设备进行状态监测与故障诊断, 正确有效地揭示其潜在故障的发生、发展和转移规律, 可以为维修管理提供准确、可靠的依据, 节约维修费用, 避免重大事故发生, 提高企业经济效益与社会效益1-3。煤矿机电设备在重载和强冲击等恶劣环境条件下工作, 极易发生擦伤、点蚀、疲劳剥落、磨损、裂纹等故障, 目前, 对设备振动监测所采用的振动信号处理方法比较单一, 只能看到实时数值, 无法满足设备运行过程中故障诊断分析要求,
4、 且系统误报率和漏报率较高4-6。利用小波变换的非平稳变换特性, 去除煤矿机电设备振动信号中的强噪声, 有效揭示故障信息, 通过多信息融合对煤矿机电设备故障进行准确诊断具有重要意义7-10。基于此, 笔者设计了矿用便携式振动监测分析仪, 其可以同时采集多路振动和温度信号, 实现对所监测设备状态数据实时故障识别和智能诊断, 操作人员可依据矿用便携式振动监测分析仪上的实时状态显示和实时波形等功能对运行状态进行分析, 并存储设备运行时的全程数据用于进一步研究, 为设备寿命评估提供数据支撑。1 矿用便携式振动监测分析仪设计1.1 工作原理矿用便携式振动监测分析仪通过 AD 芯片将振动模拟信号转化为数字
5、信号, 并对信号进行滤波处理以消除噪声干扰, 利用 DSP 处理器对数字信号进行高速相关运算和分析处理11, 通过双口 RAM12将分析处理结果数据发送给 RAM9 处理器进行储存和显示13。矿用便携式振动监测分析仪拥有 17 个功能按键实现振动数据分析、参数设置等功能, 5.6 寸 TFT 液晶屏显示振动、温度传感器采集到的实时数据及绘图功能, 顶部的 2 个航空接头分别为传感器接口和充电器接口。矿用便携式振动监测分析仪电路原理如图 1 所示, 主要包括主板、ARM9 处理器、高速浮点型 DSP、双口 RAM、电池组。采用 3.6 V 的可充电式镍氢电池组合给整个系统供电, 并且可以通过适配
6、器依托充电电路给电池充电, 最长工作时间不小于 4 h;整个系统采用 S3C2440 ARM9 处理器作为主处理器14, 该芯片可以通过 JTAG 接口实现在线调试, 方便系统的开发以及后续程序的升级。采用 TMS320C6713 DSP 作为协处理器, 接收由 SPI 总线传来经过 AD 芯片模数转换的振动传感器数据, 完成原始数据采集、诊断结果分析、参数设置等任务, ARM 模块通过双口 RAM 与 DSP进行数据交互。另外, ARM9 芯片通过 GPIO 方式监听键盘按键, 通过外围控制器连接用于存储数据的 SD 卡, 通过网口驱动完成与计算机的以太网通信, 通过CAN 驱动完成对温度传
7、感器数据的接收, 通过液晶控制器向显示屏输出显示内容。图 1 矿用便携式振动监测分析仪电路原理 下载原图1.2 软件设计矿用便携式振动监测分析仪系统软件程序在 Windows XP 系统下的 Source Insight 代码编写环境进行开发, 拷贝到 Linux 系统下运行15-16, 编译系统为 Fedora 12, 交叉编译工具为 arm-linux-gcc3.4.1, 界面库采用 Qt Embedded 3.3.417-18, 数据库采用 SQLite 3.6.1619-20。矿用便携式振动监测分析仪软件程序流程如图 2 所示。图 2 矿用便携式振动监测分析仪软件程序流程 下载原图矿用
8、便携式振动监测分析仪系统软件功能模块由数据分析模块、参数设置模块、数据库管理模块和设备管理模块 4 个部分组成。1) 数据分析模块通过表格、坐标图、时域波形图、频谱图、包络谱图等形式向用户显示矿用便携式振动监测分析仪所采集的实时数据和所存储的历史数据, 包括实时波形、诊断结果、趋势分析、数据分析、温度 5 个子模块。2) 参数设置模块完成对矿用便携式振动监测分析仪的各种参数进行修改, 包括测点设置、系统设置、轴承库管理 3 个子模块。3) 数据库管理模块是系统软件的核心组成部分, 矿用便携式振动监测分析仪所采集到的大量振动传感器数据和温度传感器数据, 经过 DSP 数据处理后均存储在系统数据库
9、里, 包括数据库连接、数据库建表、数据库存取 3 个子模块。4) 设备管理模块包括键盘驱动管理、双口 RAM 控制管理、DSP 通信管理 3 个子模块。其中 DSP 通信管理是矿用便携式振动监测分析仪的特色之处, 通过建立简洁高效且安全可靠的通信协议, 保证 DSP 协处理器和 ARM9 主处理器之间实现高速数据传输, 充分发挥了 DSP 强大的运算能力, 提高了系统软件整体的响应速度和运行速率。2 矿用便携式振动监测分析仪应用效果分析于 2014 年 11 月利用矿用便携式振动监测分析仪对某煤矿通风机进行振动监测试验, 先后共获取 1 台防爆对旋轴流通风机 4 个测点的振动试验数据, 包括通
10、风机中 2 台电动机的轴伸端 X 方向和通风机机壳地脚。该型通风机中电动机型号为 YBF355-8, 额定转速 740 r/min, 由于煤矿安全改造, 并没有进行生产活动, 因此电动机实际转速为 399 r/min。将轴承参数输入矿用便携式振动监测分析仪, 振动传感器用强力磁座固定在电动机轴伸端 X 方向测点上, 采集到的振动数据如图 3 所示, 图 3a 显示采集到的测点实时振动峰峰值为 42.09m/s, 且诊断值为 23.94 m/s, 说明此时该测点振动值较正常值偏大, 工作状况有一定异常, 而经过分析仪的设备故障识别和智能诊断功能, 给出的故障原因为配合松动, 故障程度为轻微, 属
11、于早期预警, 需要结合对数据的波形分析来进一步确认异常信息;由图 3b、图 3c、图 3d 可知, 该测点振动频率为 6.5Hz, 比较接近故障类型中的配合故障频率, 经过查询通风机技术资料, 得知该型通风机整体的固有频率为 6 Hz, 当前振动频率已经接近通风机固有频率, 因此会产生一定程度的共振现象, 导致振动偏大, 出现配合故障, 这就是通风机在该工况下产生异常的原因。依据故障诊断结果, 给出解决方案, 由通风机操作人员将电动机转速调高至 518 r/min, 发现通风机整体振动减小, 运行更加平稳, 问题得以解决。图 3 电动机轴伸端 X 方向测点振动数据 下载原图3 结论矿用便携式振
12、动监测分析仪具备实时采集和智能分析煤矿机电设备运行时各个测点振动和温度信号的功能, 矿用便携式振动监测分析仪采用煤矿机电设备多信息融合故障报警诊断方法可以有效识别设备运行状态, 揭示了设备早期潜在故障, 降低了设备维修成本, 该矿用便携式振动监测分析仪可以在设备出现故障征兆预警时提前智能报警, 改变了过去依靠有经验的工人凭经验观察设备运行工况的传统模式, 为维修人员及时对问题设备进行检修提供了可能。经过现场的使用验证, 矿用便携式振动监测分析仪系统稳定可靠, 能够为煤矿机电设备的健康运行提供保障。参考文献1李娟莉, 杨兆建.提升机故障诊断不确定性推理方法J.煤炭学报, 2014, 39 (3)
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