基于無線通信的振動篩在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅嚴(yán)偉，尚帥帥

(1.晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦洗選廠， 山西 晉城 048021； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

礦用振動篩是一種基于激振器產(chǎn)生往復(fù)振動的機(jī)械設(shè)備，由篩機(jī)本體、激振系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和隔振系統(tǒng)4部分組成。其內(nèi)部安裝有不同大小孔徑的篩網(wǎng)，通過往復(fù)振動，達(dá)到將粒度不同的煤礦物料篩分的目的。根據(jù)物料運(yùn)動軌跡的不同，分為直線振動篩、圓軌跡振動篩、橢圓振動篩和復(fù)合軌跡振動篩[1]. 由于振動篩自身特殊的工作特性，在工作過程中承受著復(fù)雜的交變載荷，振動篩的篩網(wǎng)磨損、側(cè)板開裂、橫梁開裂和固定螺絲斷裂等故障時有發(fā)生。成莊礦洗選廠主要運(yùn)用人工點(diǎn)檢的方式對振動篩進(jìn)行監(jiān)測，由于設(shè)備分散、監(jiān)測點(diǎn)多且分布不規(guī)律，人工點(diǎn)檢勞動強(qiáng)度大且實(shí)時性不夠。因此，為及時、準(zhǔn)確地掌握振動篩工況變化信息，需要搭建設(shè)備振動和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 設(shè)備預(yù)知維護(hù)系統(tǒng)

以labview為平臺開發(fā)振動篩狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，見圖1，系統(tǒng)軟件主要由4部分組成：設(shè)備日常信息管理系統(tǒng)、設(shè)備實(shí)時工況監(jiān)測系統(tǒng)、故障模擬系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)。

圖1 預(yù)知維護(hù)系統(tǒng)圖

其中，故障仿真功能、預(yù)知決策功能和維護(hù)信息管理功能是基于PC上位機(jī)、數(shù)學(xué)建模方法以及數(shù)據(jù)庫等方式實(shí)現(xiàn)的；設(shè)備工況監(jiān)測功能是基于監(jiān)測采集裝置實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合洗選廠廠房工況現(xiàn)狀，提出了基于無線和有線通信，并由監(jiān)測裝置、無線基站和集控平臺組成的3層架構(gòu)式系統(tǒng)方案。系統(tǒng)分為3層，底層為監(jiān)測裝置，中層為無線基站，頂層為集控平臺。振動篩分布范圍廣且相對距離遠(yuǎn)，因此按照就近的設(shè)計(jì)原則，距離近的振動篩裝置共用一臺無線基站A，以無線基站為主，監(jiān)測裝置為從，采用分層式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將采集到的工況信號傳送至集控室上位機(jī)平臺。

系統(tǒng)的底層由多個監(jiān)測裝置組成。每個監(jiān)測裝置通過溫度、振動傳感器實(shí)時監(jiān)測振動篩的工況信號。監(jiān)測裝置基于嵌入式技術(shù)開發(fā)，并通過無線通訊將信號傳送至中層無線基站。

系統(tǒng)中層由多個無線基站組成。由于無線基站和頂層的集控平臺相距遠(yuǎn)，所以中層和頂層采用有線(光纖網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行通信。

系統(tǒng)頂層為集控平臺，由具有預(yù)知維護(hù)決策系統(tǒng)功能的PC上位機(jī)構(gòu)成，主要功能有實(shí)時顯示設(shè)備工況參數(shù)、存儲歷史數(shù)據(jù)、預(yù)知故障、故障報(bào)警和設(shè)備信息管理等。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測子站和分站是設(shè)備工況監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)將監(jiān)測信號采集、存儲并上傳到監(jiān)測主站。設(shè)備工況監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

該系統(tǒng)主要包括監(jiān)測主站、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)測分站、監(jiān)測子站和振動、溫度傳感器。以基于LabVIEW開發(fā)平臺的計(jì)算機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。在設(shè)備需要的部位安裝本安型溫度或振動傳感器，由傳感器測量各個設(shè)備關(guān)鍵位置的溫度、振動等物理量，把其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，通過數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)秸駝雍蜏囟缺O(jiān)測子站，在監(jiān)測子站和監(jiān)測分站之間無線傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)測分站再將數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測主站進(jìn)行處理，完成分站和主站的通訊，在主站通過顯示器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、打印和超限報(bào)警等功能。

3 監(jiān)測子站硬件

監(jiān)測子站硬件結(jié)構(gòu)主要有：溫度傳感器、加速度傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集板。兩種傳感器分別接到相應(yīng)的信號調(diào)理模塊上，溫度傳感器接入溫度信號調(diào)理電路，經(jīng)過調(diào)理后輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號送到數(shù)據(jù)采集板；加速度傳感器接入振動信號調(diào)理電路，經(jīng)過調(diào)理后輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號到數(shù)據(jù)采集板。數(shù)據(jù)采集板采用WIFI的無線通訊形式與監(jiān)測分站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 溫度傳感器選型

熱電式傳感器的工作原理是將溫度場的熱能轉(zhuǎn)換成電能，所以熱電式傳感器可以實(shí)現(xiàn)對溫度參數(shù)的測量。其中，將溫度轉(zhuǎn)換成電勢的稱為熱電偶傳感器；將溫度轉(zhuǎn)換成電阻的稱為熱敏電阻傳感器或熱電阻。熱電偶傳感器一般用于中高溫的測量，如400～800 ℃；熱電阻一般用于中低溫的測量，如-200～200 ℃. 該裝置溫度監(jiān)測0～200 ℃，故選擇熱電阻傳感器。

3.2 振動傳感器選型

SLK3661W型礦用振動篩正常工作時，其隔振彈簧加速度為-50～50 m/s2，振動幅值為9～11 mm[2]. 位移傳感器主要是非接觸式，測量范圍小，而SLK3661W型礦用振動篩振幅位移較大，因此不采用位移傳感器；加速度傳感器適用于慣性力導(dǎo)致的故障監(jiān)測[3]. 選擇振動傳感器時，在完成采集振動數(shù)據(jù)工作的同時應(yīng)該滿足煤炭安全技術(shù)要求。GBC640礦用本安型振動傳感器已申請獲得礦用安全標(biāo)志證書和防爆合格證，并且符合煤炭生產(chǎn)中洗選廠的工作環(huán)境，因此選用該傳感器來采集振動物理量。

3.3 溫度信號調(diào)理電路

鉑電阻的溫度特性呈非線性，其未校正的最大非線性度為4%～5%，是影響鉑電阻溫度傳感器測量精度的主要原因，因此采用基于XTR105[4]的溫度信號調(diào)理電路(測量范圍為0～200 ℃)，見圖3. XTR105內(nèi)置線性化電路，通過外接電阻可對傳感器量程范圍內(nèi)的溫度特性的非線性進(jìn)行校正。為保證測溫精度，采用高精度、低溫漂金屬膜電阻，其中250 Ω和100 Ω電阻精度為0.1%，其余電阻精度為1%[5].

圖3 溫度信號調(diào)理電路圖

3.4 振動信號調(diào)理電路

振動信號調(diào)理電路為礦用本安型振動傳感器提高激勵，并對傳感器輸出信號進(jìn)行隔直、濾波、放大[6]，見圖4. 傳感器輸出信號包括設(shè)備振動信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號和激勵源電路中的直流分量，為消除直流分量和測量頻率范圍(1～5 kHz)外的低頻成分對有用信號的干擾，通過電容C和電阻R構(gòu)成的截至頻率約為1 Hz的無源高通濾波器實(shí)現(xiàn)隔直與濾除低頻噪聲。此外采用u4及其外圍電阻、電容構(gòu)成的放大電路對信號進(jìn)行放大，采用低頻增益為1、截至頻率約為5 kHz的二階有源低通濾波器來濾除高頻噪聲并壓縮頻帶，從而提高信噪比，避免頻譜混疊。

圖4 振動信號調(diào)理電路圖

3.5 通信模塊

選用上海慶科信息技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的EMW3162-E型低功耗嵌入式WIFI模塊。WMW3162采用單一電源3.3 V供電，與STM32F103的工作電壓相同，省去設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路，簡化電路設(shè)計(jì)；EMW3162-E采用雙列直插式DIP封裝，共有30個引腳，具有豐富的外設(shè)接口。采用2.4 GHzIEEE802.11 b標(biāo)準(zhǔn)，最高傳輸速度11 Mbps，覆蓋范圍較遠(yuǎn)；支持Ad-Hoc/STA/Ap三種模式；外接IPEX天線。EMW3162-E模塊連接電路圖見圖5.

除了設(shè)計(jì)WIFI無線通信方式外，還設(shè)計(jì)了RS-485作為備用的通信方式。相比RS-232通信方式，RS-485通訊協(xié)議將其輸出信號改為輸出兩路差分信號A、B，提高了信號的抗干擾能力，傳輸距離高達(dá)1 200 m，理論上總線可以掛載128個通訊節(jié)點(diǎn)，是一種工業(yè)控制中常用的通訊協(xié)議。選擇采用廣州致遠(yuǎn)電子公司生產(chǎn)的RSM(3)485ECHT增強(qiáng)型嵌入式隔離RS-485收發(fā)器，其采用單一輸入電源3.3 V供電，與STM32F103供電電壓一致；集成電源隔離、信號隔離和總線ESD保護(hù)功能，被廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)、工業(yè)通訊和電力監(jiān)測等領(lǐng)域。

4 監(jiān)測子站軟件程序設(shè)計(jì)

考慮到C語言具有編程調(diào)試簡便、高效率編譯代碼、程序能夠模塊化設(shè)計(jì)和可移植性好等特點(diǎn)，該項(xiàng)目中監(jiān)測子站的軟件程序采用C語言編寫，編譯和調(diào)試環(huán)境采用keil uvision4軟件。

監(jiān)測子站的軟件程序設(shè)計(jì)有3部分：初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序和WIFI無線通信程序。監(jiān)測子站主函數(shù)程序流程圖見圖6，控制器實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有：解析通過網(wǎng)絡(luò)模塊接收到的原始數(shù)據(jù)，處理AD模塊采集的底層數(shù)據(jù)，通過串口轉(zhuǎn)WIFI模塊程序向監(jiān)測分站發(fā)送各個傳感器所采集到的數(shù)據(jù)。

圖5 EMW3162-E連接電路圖

圖6 主函數(shù)流程圖

5 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是基于LabView進(jìn)行設(shè)計(jì)的，LabView的主要特點(diǎn)有：盡量選用廣泛適用的硬件，各類儀器的差別表現(xiàn)在軟件上；能充分利用計(jì)算機(jī)的功能，具備強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力，可構(gòu)造出功能更強(qiáng)大的儀器；用戶能依據(jù)個人的需求定義以及創(chuàng)造各類儀器。

洗選廠振動篩監(jiān)測上位機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)按功能分為登錄、通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、打印報(bào)表等模塊。各模塊既能夠獨(dú)立完成各自特定任務(wù)，又能實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)交換與依賴關(guān)系,界面的設(shè)計(jì)要求直觀簡潔，由于監(jiān)控設(shè)備參數(shù)較多，某些參數(shù)以子頁面的形式顯示[7].

軟件實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1) TCP/IP通信功能。

因監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量較多，應(yīng)多測點(diǎn)進(jìn)行排序，采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式，由表示多種狀態(tài)的控制代碼進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)按順序讀取各個設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這樣可避免數(shù)據(jù)丟失或程序運(yùn)行混亂。

2) 數(shù)據(jù)顯示。

通過對傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換、數(shù)值計(jì)算等操作顯示在程序前臺界面中。

監(jiān)測界面顯示測點(diǎn)的振幅數(shù)值，測點(diǎn)的溫度值，如果溫度超過設(shè)置的溫度閾值，則系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警信號。

3) 數(shù)據(jù)查詢。

工作人員通過歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)在采集的數(shù)據(jù)作對比分析，可初步分析出選煤設(shè)備的運(yùn)行狀況和可能存在的安全隱患[8].

4) 歷史數(shù)據(jù)刪除。

在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，測量數(shù)據(jù)會積累的越來越多，為了減少系統(tǒng)內(nèi)存，需要及時移除或刪除歷史數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可以刪除6個月以前的監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)刪除程序。

5) 報(bào)表打印。

利用NI報(bào)告工具包創(chuàng)建報(bào)表，“報(bào)表生成”函數(shù)子選項(xiàng)版中的VI可用來編寫打印報(bào)表程序。

6) 語音報(bào)警。

當(dāng)測量值超限時，系統(tǒng)實(shí)時顯示警報(bào)信息，并以語音的方式告知管理人員，使值班人員在控制室就可以收到發(fā)生報(bào)警的信息，根據(jù)報(bào)警信息，及時做出正確決策。

6 結(jié) 語

基于無線通信的振動篩在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對振動篩溫度、振動信號的采集及數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ?，該監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的通用性，適用于多種礦用設(shè)備監(jiān)測場合，為礦用設(shè)備故障診斷和預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。