基于模型設(shè)計的電牽引采煤機(jī)嵌入式故障診斷系統(tǒng)的研究

潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司李陽煤業(yè) 楊玉祥 李愛斌 李 牧 崔德健

1.引言

電采煤機(jī)設(shè)備中，齒輪箱占有重要地位，在連接和傳遞動力中是不或缺的，機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的主要部位是齒輪機(jī)構(gòu)，所以齒輪的運(yùn)行狀態(tài)對整個采煤機(jī)設(shè)備的安全性、生產(chǎn)質(zhì)量和效率起著至關(guān)重要的作用。目前使用DSP作為微處理器和控制器的故障診斷系統(tǒng)是當(dāng)今故障診斷技術(shù)的前沿課題，同時系統(tǒng)對代碼的安全性和可靠性要求也越來越高，然而手工編譯代碼開發(fā)周期長，效率低，浪費(fèi)了大量的人力物力，采用模型設(shè)計的方法可以有效的縮短開發(fā)周期，提高質(zhì)量并降低開發(fā)成本，基于模型設(shè)計技術(shù)經(jīng)過10多年的發(fā)展和逐步完善已被廣泛接受，近年來國外一些大型創(chuàng)新項(xiàng)目都采用了基于模型設(shè)計這項(xiàng)新技術(shù)。

本文針對采煤機(jī)設(shè)備中的齒輪箱，在采煤機(jī)故障機(jī)理的分析和國內(nèi)外還未嘗試過采用嵌入式系統(tǒng)在齒輪箱上的前提下，提出了一種基于DSP的智能故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有快速、實(shí)時信號采集和智能數(shù)據(jù)分析功能，并能較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障診斷[1]。

2.齒輪箱故障機(jī)理

齒輪嚙合振動是由于在設(shè)備運(yùn)行過程中，參與嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪數(shù)由一個變?yōu)閮蓚€，再由兩個變?yōu)橐粋€這樣交替變化，在齒輪上形成了周期性的沖擊而產(chǎn)成的。

齒輪箱是由齒輪、傳動軸、軸承和箱體構(gòu)成，齒輪箱主要傳動齒輪中故障主要發(fā)生在齒、傳動軸和軸承中。據(jù)統(tǒng)計，齒輪齒、傳動軸和軸承的故障占齒輪箱故障的80%以上，而齒輪中主要的故障形式有齒形誤差、齒輪磨損、軸不對中斷齒、軸彎曲、軸不平衡、軸承疲勞和點(diǎn)蝕等，而這些故障特征隱含在采得的故障信號中，并且具有特定的特征參數(shù)特點(diǎn)。

齒輪傳動信號特征指標(biāo)主要分為時域信號特征值和頻域信號特征值，主要的時域特征值有最大值、最小值、均值、峰峰值、均方值、方差、方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)等參數(shù)；主要的頻域指標(biāo)有功率譜中心指標(biāo)、功率譜方差、相關(guān)因子和諧波因子等參數(shù)。

所采集的信號響應(yīng)中除了主要故障信號外還主要包括噪聲信號、齒輪嚙合頻率信號、各個轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)頻率信號、各個諧波信號、調(diào)制頻率信號和其固有頻率信號，所以要得到信噪較高的故障信號需要對其采得的信號進(jìn)行濾波預(yù)處理，才能進(jìn)行下一步診斷處理的需要[2]。

3.硬件電路設(shè)計

本文診斷系統(tǒng)主要硬件是以DSP中32位浮點(diǎn)芯片TMS320F28335為主要處理芯片，充分采用此芯片豐富的外設(shè)模塊，F(xiàn)28335主頻150MHz，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有豐富的外設(shè)資源，包括串行外設(shè)接口SPI，串口通信接口SCI，CAN總線控制器，ADC轉(zhuǎn)換，捕捉單元eCAP，多通道緩沖串行口McBSP，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，相對于其它2000系列DSP芯片，使用浮點(diǎn)運(yùn)算芯片可更加快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時間和精力。

在系統(tǒng)中經(jīng)由傳感器采集信號輸入到事件捕捉器，并設(shè)置好采樣頻率對信號進(jìn)行數(shù)字化處理，并將得到的信號儲存到SD卡并對所采集的信號進(jìn)行處理、提取特征參數(shù)并得到診斷結(jié)果[3]。

3.1 電源電路設(shè)計

TPS767D301是TI公司針對DSP芯片推出的雙路低壓差電源調(diào)整器，并且其中一路可調(diào)，具有超低的典型靜態(tài)電流，器件處于無效狀態(tài)時，靜態(tài)電流為1μA，它帶有可單獨(dú)供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3V，另一路輸出電壓可以調(diào)節(jié)，通過外接可變電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍1.5-5.5V每路調(diào)整器各有一個復(fù)位，復(fù)位延遲時間為200ms，電路圖如圖1所示：

圖1 電源電路原理圖

3.2 SD卡存儲電路設(shè)計

SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體閃存工藝的存儲卡，SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。使用SPI方式時，占用的I/O數(shù)量少，采用SPI傳輸模式與DSP進(jìn)行連接，電路圖如圖2所示：

圖2 SD卡電路原理圖

3.3 外部擴(kuò)展存儲電路設(shè)計

TMS320F28335具有兩個獨(dú)立的存儲器，將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，每個存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。

4.軟件開發(fā)

4.1 Stateflow模型

Stateflow是一個交互式圖形設(shè)計工具，它是在基于框圖的動態(tài)系統(tǒng)建模仿真環(huán)境Simulink基礎(chǔ)上對動態(tài)邏輯系統(tǒng)建模與仿真的可視化開發(fā)平臺。通過與Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的能力結(jié)合，Stateflow不僅能夠?qū)谟邢逘顟B(tài)機(jī)理論的事件驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，也能夠?qū)?fù)雜邏輯系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。

Stateflow對象主要是由圖形化對象和非圖形化對象組成的，圖形化對象分別是狀態(tài)、歷史節(jié)點(diǎn)、默認(rèn)轉(zhuǎn)移、連接節(jié)點(diǎn)、真值表、圖形函數(shù)、內(nèi)嵌MATLAB函數(shù)和圖形盒，可以在Stateflow編譯器左邊的圖形面板看到[4,5,6]。

4.2 Embedded Coder

Embedded Coder可以生成可讀、緊湊且高速的C及C++代碼，以便用于嵌入式處理器、目標(biāo)系統(tǒng)快速原型板和大規(guī)模生產(chǎn)中使用的微處理器。Embedded Coder還提供了其他MATLAB Coder與Simulink Coder的高級優(yōu)化配置選項(xiàng)，以便對所生成代碼的函數(shù)、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行高度控制。這些優(yōu)化選項(xiàng)可提高代碼執(zhí)行效率，并有助于與實(shí)際使用的現(xiàn)有代碼、數(shù)據(jù)類型和參數(shù)集成。

4.3 代碼生成

Embedded Coder生成代碼離不開TLC(Target Language Compiler，目標(biāo)語言編譯器)，TLC文件是ASCII文件，控制了代碼生成的方式，通過編輯TLC文件，就可以修改代碼生成方式模型描述文件model.rtw轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)C或者C++代碼。

圖3 斷齒信號

圖4 系統(tǒng)診斷結(jié)果

本文采用的是TI公司TMS320F28335數(shù)字信號處理芯片在MATLAB中SIMULINK模塊在2010a以后的版本存在單獨(dú)的DSP模塊，并且針對2000系列基本所有模塊和目標(biāo)板都建立了模型。通過建立模型和MATLAB中可以進(jìn)行模擬仿真并且自動產(chǎn)生代碼，下面是建立系統(tǒng)模型，并且對所生成目標(biāo)代碼進(jìn)行硬件測試。對信號進(jìn)行特征參數(shù)提取并建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，輸出分別是：正常(100000)、保持架故障(010000)、斷齒故障(001000)、內(nèi)圈點(diǎn)蝕(000100)、外圈凹坑(000010)和外圈裂紋(000001)。

并利用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對斷齒信號進(jìn)行診斷，所得結(jié)果如圖3-4所示。

診斷結(jié)果為001000，對比標(biāo)準(zhǔn)診斷結(jié)果診斷結(jié)果為斷齒。通過結(jié)果顯示出對采集的信號的診斷結(jié)果是正確，基本實(shí)現(xiàn)了診斷功能。

5.結(jié)語

通過分析可知：該模型設(shè)計能有效縮減系統(tǒng)設(shè)計時間和效率，筆者通過對電牽引采煤機(jī)的齒輪傳動機(jī)構(gòu)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類識別和故障定位，對所做結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，所以此系統(tǒng)采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的嵌入式診斷系統(tǒng)是可行、方便的。此系統(tǒng)只要有足夠樣本，便可以對采煤機(jī)械設(shè)備上齒輪機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行全面分析，并進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位，基本實(shí)現(xiàn)診斷要求。

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