基于PLC的碎煤機(jī)工況監(jiān)控改造

南志文

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同家梁礦,山西大同)

0 引言

同煤集團(tuán)塔山電廠一期輸煤系統(tǒng)碎煤機(jī)運(yùn)行期間由于機(jī)械磨損經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)大、軸承溫度高等故障,原有碎煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù),抗干擾能力差,使用時(shí)間長(zhǎng),故障率高,已無法實(shí)施對(duì)碎煤機(jī)振動(dòng)、溫度情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),只能依靠設(shè)備維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)采用溫度檢測(cè)儀、振動(dòng)儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù),便于分析振動(dòng)頻譜,提供現(xiàn)場(chǎng)故障診斷資料,對(duì)碎煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造很有必要[1]。

1 碎煤機(jī)故障分析

環(huán)錘式碎煤機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行,環(huán)錘及轉(zhuǎn)子出現(xiàn)機(jī)械磨損后轉(zhuǎn)子失去平衡,機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)中,其各構(gòu)件由于磨損所產(chǎn)生的不平衡慣性力不僅將在運(yùn)動(dòng)副中引起附加的動(dòng)壓力,因而增大運(yùn)動(dòng)副中的摩擦和構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力,從而降低其機(jī)械效率和使用壽命,而且,由于這些慣性力一般都是周期性變化的,所以還必將引起機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)[2]。碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子工作在惡劣環(huán)境中,軸承由于轉(zhuǎn)子的不平衡性容易損壞,其他驅(qū)動(dòng)設(shè)備(如液力耦合器、電機(jī)等)也可能由于轉(zhuǎn)子的不平衡性發(fā)生損壞,從而造成維修成本增大,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)原因,容易造成重大機(jī)電事故。

2 工作原理

碎煤機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械,實(shí)時(shí)對(duì)碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承進(jìn)行監(jiān)控十分重要。碎煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如下：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用兩路溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子兩軸承進(jìn)行測(cè)量并傳輸數(shù)據(jù),振動(dòng)傳感器1、2、3、4分別測(cè)量?jī)啥溯S承水平、垂直端數(shù)據(jù),測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)外圍電路處理后傳輸?shù)絇LC 控制單元,PLC 對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后傳輸?shù)缴衔粰C(jī),上位機(jī)繪制溫度、振動(dòng)曲線圖,PLC對(duì)超出正常值的數(shù)據(jù)標(biāo)記并報(bào)警。

3 設(shè)計(jì)電路

表1 I/O分配表

圖1 輸入電路接線圖

輸煤系統(tǒng)有兩臺(tái)碎煤機(jī),原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用STC89C51 單片機(jī),改造后系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC,原有系統(tǒng)只能測(cè)量一臺(tái)碎煤機(jī)溫度、振動(dòng)情況,為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性,節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行成本,提高plc I/O 點(diǎn)數(shù)的利用率,設(shè)計(jì)了一臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以單獨(dú)分時(shí)段監(jiān)測(cè)碎煤機(jī)運(yùn)行情況,也可以同時(shí)、分段采集兩臺(tái)碎煤機(jī)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)。

Plc 模擬量輸入模塊工作原理是將模擬量通過模數(shù)處理器采樣、保持、量化轉(zhuǎn)換成可供plc 使用的數(shù)字量。本次改造處理過程為：模擬量是傳感器接收的振動(dòng)信號(hào),采樣就是記錄固定的每一點(diǎn)處的振動(dòng)值,因此采樣時(shí)間選取對(duì)于記錄的完整性起著關(guān)鍵作用。根據(jù)Shannon 采樣定理,連續(xù)信號(hào)不丟失信息的采樣頻率為fs≥2fmax,式中fmax為原始信號(hào)最高頻率成分。[3]轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速600 r/min,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為10Hz,周期為0.1 s,采樣頻率選擇范圍為20 Hz～50 Hz。

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)A 碎煤機(jī)軸承運(yùn)行溫度振動(dòng)值,雙向選擇開關(guān)由A 碎煤機(jī)啟動(dòng)信號(hào)控制切換到A 路,開始對(duì)碎煤機(jī)運(yùn)行時(shí)軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同理對(duì)B 碎煤機(jī)監(jiān)測(cè),B 碎煤機(jī)啟動(dòng)信號(hào)控制雙向選擇開關(guān)切換到B路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

當(dāng)同時(shí)分段監(jiān)測(cè)兩臺(tái)碎煤機(jī)工作參數(shù)時(shí),如圖2輸入電路采用二極管隔離輸入法,雙向選擇開關(guān)由plc定時(shí)器控制,S7-200PLC定時(shí)器的分辨率有3個(gè)等級(jí)：1 ms、10 ms、100 ms,定時(shí)器計(jì)算公式:T=PT·S,式中T為實(shí)際定時(shí)時(shí)間,PT為預(yù)設(shè)值,S為分辨率等級(jí)。[4]結(jié)合plc定時(shí)器、計(jì)算量大小及采樣定理要求采樣頻率選用50Hz,采樣周期為0.02 s。即T=0.02 s,PT=10 ms,S=2,定時(shí)器使用T33。通過plc 程序設(shè)定雙向開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔t,保證plc 可以在不同時(shí)段采集到碎煤機(jī)A、

B 的溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù),采樣周期0.02s,由程序設(shè)定定時(shí)器設(shè)定值0.02 s,在運(yùn)行工程中當(dāng)碎煤機(jī)啟動(dòng)信號(hào)A、B同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器工作,定時(shí)器開始計(jì)數(shù),當(dāng)定時(shí)器的當(dāng)前值達(dá)到0.02 s,發(fā)出中斷請(qǐng)求,以便plc做出切換雙向選擇開關(guān)的指令,從而對(duì)另一路碎煤機(jī)進(jìn)行采樣,采樣后分別對(duì)A、B兩臺(tái)碎煤機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后,如果超出設(shè)定值,觸發(fā)報(bào)警指令。此系統(tǒng)輸入電路采用了二極管隔離的分組輸入法,開關(guān)SA由定時(shí)器控制分別切換到A、B 兩路輸入數(shù)據(jù)。此電路二極管的作用是避免產(chǎn)生寄生電路,保證信號(hào)的正確輸入。圖中矩形表示溫度傳感器及其處理電路,圓形表示振動(dòng)傳感器及其處理電路。奇數(shù)圖標(biāo)表示A 碎煤機(jī),偶數(shù)圖標(biāo)表示B碎煤機(jī)。

表2 實(shí)測(cè)A、B碎煤機(jī)水平振動(dòng)不同測(cè)點(diǎn)測(cè)時(shí)列表

原有溫度傳感器采用熱電偶偶溫度傳感器,熱電偶傳感器伸入到軸承內(nèi),直接對(duì)軸承溫度進(jìn)行測(cè)量,碎煤機(jī)工作在高噪聲、高污染的環(huán)境中,容易造成傳感器的損壞,傳感器需要大量更換,更換工藝復(fù)雜,成本較高。此次改造采用非接觸式的紅外測(cè)溫傳感器,可以有效地降低噪聲對(duì)傳感器的損壞,維修工藝簡(jiǎn)單,成本較低,傳感器可靠增強(qiáng)。

4 應(yīng)用效果

圖2 軸承正常工作監(jiān)測(cè)曲線

圖3 頻譜監(jiān)測(cè)曲線

通過時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線轉(zhuǎn)換為頻譜曲線,可以分析軸承及各驅(qū)動(dòng)設(shè)備故障,除轉(zhuǎn)子基頻外,還存在著大量低倍頻諧波成分,如2倍頻,3倍頻,6倍頻,分析認(rèn)為軸承存在磨損,拆開發(fā)現(xiàn)軸承外圈有磨損。

通過對(duì)碎煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作一年時(shí)間,多次有效的監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)子及液力偶合器故障,避免轉(zhuǎn)子及液力耦合器的嚴(yán)重?fù)p壞,節(jié)約檢修成本2 萬余元,間接成本10 萬余元。更換非接觸式的紅外傳感器,傳感器損壞率大幅減低,由原來的每月4次降低到每月1次,節(jié)約了大量成本。

5 結(jié)束語

原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制單元,改進(jìn)后的系統(tǒng)采用PLC 作為控制單元,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含有以下三種功能：

(1)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子軸承端溫度、振動(dòng)情況；

(2)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并繪制時(shí)間-振幅曲線,通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為幅頻曲線,為設(shè)備故障分析診斷提供依據(jù)；

(3)原有系統(tǒng)只控制一臺(tái)碎煤機(jī),通過采用二極管隔離的分組輸入法改造后的系統(tǒng)可控制兩臺(tái)碎煤機(jī),保證設(shè)備正常運(yùn)行。