基于无线通信的振动筛在线监测系统设计

2020-01-08罗严伟尚帅帅

山西焦煤科技 2019年11期

罗严伟，尚帅帅

(1.晋城煤业集团成庄矿洗选厂，山西晋城 048021； 2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

矿用振动筛是一种基于激振器产生往复振动的机械设备，由筛机本体、激振系统、驱动系统和隔振系统4部分组成。其内部安装有不同大小孔径的筛网，通过往复振动，达到将粒度不同的煤矿物料筛分的目的。根据物料运动轨迹的不同，分为直线振动筛、圆轨迹振动筛、椭圆振动筛和复合轨迹振动筛[1]. 由于振动筛自身特殊的工作特性，在工作过程中承受着复杂的交变载荷，振动筛的筛网磨损、侧板开裂、横梁开裂和固定螺丝断裂等故障时有发生。成庄矿洗选厂主要运用人工点检的方式对振动筛进行监测，由于设备分散、监测点多且分布不规律，人工点检劳动强度大且实时性不够。因此，为及时、准确地掌握振动筛工况变化信息，需要搭建设备振动和温度在线监测系统。

1 设备预知维护系统

以labview为平台开发振动筛状态监测与故障诊断系统，见图1，系统软件主要由4部分组成：设备日常信息管理系统、设备实时工况监测系统、故障模拟系统、故障诊断系统。

图1 预知维护系统图

其中，故障仿真功能、预知决策功能和维护信息管理功能是基于PC上位机、数学建模方法以及数据库等方式实现的；设备工况监测功能是基于监测采集装置实现的。结合洗选厂厂房工况现状，提出了基于无线和有线通信，并由监测装置、无线基站和集控平台组成的3层架构式系统方案。系统分为3层，底层为监测装置，中层为无线基站，顶层为集控平台。振动筛分布范围广且相对距离远，因此按照就近的设计原则，距离近的振动筛装置共用一台无线基站A，以无线基站为主，监测装置为从，采用分层式的结构设计，将采集到的工况信号传送至集控室上位机平台。

系统的底层由多个监测装置组成。每个监测装置通过温度、振动传感器实时监测振动筛的工况信号。监测装置基于嵌入式技术开发，并通过无线通讯将信号传送至中层无线基站。

系统中层由多个无线基站组成。由于无线基站和顶层的集控平台相距远，所以中层和顶层采用有线(光纤网络)进行通信。

系统顶层为集控平台，由具有预知维护决策系统功能的PC上位机构成，主要功能有实时显示设备工况参数、存储历史数据、预知故障、故障报警和设备信息管理等。

2 监测系统总体设计方案

监测子站和分站是设备工况监测系统的基础，负责将监测信号采集、存储并上传到监测主站。设备工况监测系统总体结构见图2.

图2 监测系统总体设计方案图

该系统主要包括监测主站、数据网关、监测分站、监测子站和振动、温度传感器。以基于LabVIEW开发平台的计算机为控制中心，实现对数据的管理。在设备需要的部位安装本安型温度或振动传感器，由传感器测量各个设备关键位置的温度、振动等物理量，把其转变为电压信号，通过数据采集传输到振动和温度监测子站，在监测子站和监测分站之间无线传输数据，监测分站再将数据通过光纤网络传输至数据网关，数据网关将数据传输至监测主站进行处理，完成分站和主站的通讯，在主站通过显示器实现监测数据的实时显示、打印和超限报警等功能。

3 监测子站硬件

监测子站硬件结构主要有：温度传感器、加速度传感器、调理电路、数据采集板。两种传感器分别接到相应的信号调理模块上，温度传感器接入温度信号调理电路，经过调理后输出标准模拟信号送到数据采集板；加速度传感器接入振动信号调理电路，经过调理后输出标准模拟信号到数据采集板。数据采集板采用WIFI的无线通讯形式与监测分站进行数据传输。

3.1 温度传感器选型

热电式传感器的工作原理是将温度场的热能转换成电能，所以热电式传感器可以实现对温度参数的测量。其中，将温度转换成电势的称为热电偶传感器；将温度转换成电阻的称为热敏电阻传感器或热电阻。热电偶传感器一般用于中高温的测量，如400～800 ℃；热电阻一般用于中低温的测量，如-200～200 ℃. 该装置温度监测0～200 ℃，故选择热电阻传感器。

3.2 振动传感器选型

SLK3661W型矿用振动筛正常工作时，其隔振弹簧加速度为-50～50 m/s2，振动幅值为9～11 mm[2]. 位移传感器主要是非接触式，测量范围小，而SLK3661W型矿用振动筛振幅位移较大，因此不采用位移传感器；加速度传感器适用于惯性力导致的故障监测[3]. 选择振动传感器时，在完成采集振动数据工作的同时应该满足煤炭安全技术要求。GBC640矿用本安型振动传感器已申请获得矿用安全标志证书和防爆合格证，并且符合煤炭生产中洗选厂的工作环境，因此选用该传感器来采集振动物理量。

3.3 温度信号调理电路

铂电阻的温度特性呈非线性，其未校正的最大非线性度为4%～5%，是影响铂电阻温度传感器测量精度的主要原因，因此采用基于XTR105[4]的温度信号调理电路(测量范围为0～200 ℃)，见图3. XTR105内置线性化电路，通过外接电阻可对传感器量程范围内的温度特性的非线性进行校正。为保证测温精度，采用高精度、低温漂金属膜电阻，其中250 Ω和100 Ω电阻精度为0.1%，其余电阻精度为1%[5].

图3 温度信号调理电路图

3.4 振动信号调理电路

振动信号调理电路为矿用本安型振动传感器提高激励，并对传感器输出信号进行隔直、滤波、放大[6]，见图4. 传感器输出信号包括设备振动信号经传感器转换后的电信号和激励源电路中的直流分量，为消除直流分量和测量频率范围(1～5 kHz)外的低频成分对有用信号的干扰，通过电容C和电阻R构成的截至频率约为1 Hz的无源高通滤波器实现隔直与滤除低频噪声。此外采用u4及其外围电阻、电容构成的放大电路对信号进行放大，采用低频增益为1、截至频率约为5 kHz的二阶有源低通滤波器来滤除高频噪声并压缩频带，从而提高信噪比，避免频谱混叠。

图4 振动信号调理电路图

3.5 通信模块

选用上海庆科信息技术有限公司设计生产的EMW3162-E型低功耗嵌入式WIFI模块。WMW3162采用单一电源3.3 V供电，与STM32F103的工作电压相同，省去设计电压转换电路，简化电路设计；EMW3162-E采用双列直插式DIP封装，共有30个引脚，具有丰富的外设接口。采用2.4 GHzIEEE802.11 b标准，最高传输速度11 Mbps，覆盖范围较远；支持Ad-Hoc/STA/Ap三种模式；外接IPEX天线。EMW3162-E模块连接电路图见图5.

除了设计WIFI无线通信方式外，还设计了RS-485作为备用的通信方式。相比RS-232通信方式，RS-485通讯协议将其输出信号改为输出两路差分信号A、B，提高了信号的抗干扰能力，传输距离高达1 200 m，理论上总线可以挂载128个通讯节点，是一种工业控制中常用的通讯协议。选择采用广州致远电子公司生产的RSM(3)485ECHT增强型嵌入式隔离RS-485收发器，其采用单一输入电源3.3 V供电，与STM32F103供电电压一致；集成电源隔离、信号隔离和总线ESD保护功能，被广泛应用于煤炭行业、工业通讯和电力监测等领域。

4 监测子站软件程序设计

考虑到C语言具有编程调试简便、高效率编译代码、程序能够模块化设计和可移植性好等特点，该项目中监测子站的软件程序采用C语言编写，编译和调试环境采用keil uvision4软件。

监测子站的软件程序设计有3部分：初始化程序、数据采集程序和WIFI无线通信程序。监测子站主函数程序流程图见图6，控制器实现的目标有：解析通过网络模块接收到的原始数据，处理AD模块采集的底层数据，通过串口转WIFI模块程序向监测分站发送各个传感器所采集到的数据。

图5 EMW3162-E连接电路图

图6 主函数流程图

5 上位机软件系统设计

软件系统是基于LabView进行设计的，LabView的主要特点有：尽量选用广泛适用的硬件，各类仪器的差别表现在软件上；能充分利用计算机的功能，具备强大的处理数据能力，可构造出功能更强大的仪器；用户能依据个人的需求定义以及创造各类仪器。

洗选厂振动筛监测上位机系统的软件设计，采用模块化的设计思路，将系统按功能分为登录、通信、数据存储、数据显示、超限报警、历史数据查询、打印报表等模块。各模块既能够独立完成各自特定任务，又能实现相互之间的数据交换与依赖关系,界面的设计要求直观简洁，由于监控设备参数较多，某些参数以子页面的形式显示[7].

软件实现的功能如下：

1) TCP/IP通信功能。

因监测点数量较多，应多测点进行排序，采用状态机设计模式，由表示多种状态的控制代码进行状态转换，实现按顺序读取各个设备的监测数据，这样可避免数据丢失或程序运行混乱。

2) 数据显示。

通过对传输来的数据进行类型转换、数值计算等操作显示在程序前台界面中。

监测界面显示测点的振幅数值，测点的温度值，如果温度超过设置的温度阈值，则系统产生相应的声光报警信号。

3) 数据查询。

工作人员通过历史数据与现在采集的数据作对比分析，可初步分析出选煤设备的运行状况和可能存在的安全隐患[8].

4) 历史数据删除。

在系统的运行过程中，测量数据会积累的越来越多，为了减少系统内存，需要及时移除或删除历史数据，该系统设计了可以删除6个月以前的监测数据的历史数据删除程序。

5) 报表打印。

利用NI报告工具包创建报表，“报表生成”函数子选项版中的VI可用来编写打印报表程序。