振動篩工況監測系統研究

葛學柳 張宸浩仟 王正午 楊小平

（中國礦業大學（北京），北京100083）

0 引言

振動篩在選煤工藝中，常用于原煤分級、洗前脫泥、洗后分級脫水、脫介等關鍵工藝。振動篩作為洗選工藝的關鍵設備，其運行狀況直接影響到選煤廠生產的穩定性[1]。目前在選煤行業內，振動篩的日常檢修主要采用人工點檢方式，僅靠人工經驗判斷設備狀態，缺乏振動篩關鍵零部件實時工作參數，無法發現潛在故障，導致設備故障進一步擴大，甚至整機報廢。為了保護設備，保障安全生產，本文設計并開發了一套振動篩運行狀態監測系統。

1 監測指標選擇

振動篩在工作過程中，容易出現橫梁斷裂、側板開裂、彈簧斷裂、激振力不平衡等故障，最直接的表現是振幅、頻率等振動信號及噪聲的變化。振動篩工作環境嘈雜，從噪聲中提取特征，判斷振篩機運行狀態，其理論基礎還不成熟，通過噪聲監測運行狀態存在一定難度。而基于振動信號的分析方法，已被廣泛應用于工程設備的故障診斷中，并取得了良好的應用效果。因此，本文采用振動信號分析方法，通過實時監測振動篩的振幅、頻率、加速度、角速度、軸溫來確定振篩機的工況[2]。

2 系統網絡結構

監測系統網絡結構采用無線通信+局域網方式進行監控數據傳輸。布置在振動篩兩側的信息采集模塊中的數據通過無線通信方式傳輸至公共數據接收模塊，確保振動環境下數據傳輸的穩定性，數據經過RS232串口線送入局域網。系統網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構

3 系統硬件設計

在監測點，由傳感器采集振動、溫度、電量數據，微處理器分析處理數據，并將分析結果通過無線通信模塊發送至數據接收模塊，STC51單片機接收數據后，通過串口發送至上位機，上位機完成數據匯總，判斷設備運行狀態和發出異常報警。系統硬件總體設計如圖2所示。

圖2 系統硬件總體設計

3.1 振動傳感器選型

振動信號是振動設備運行狀態最直觀、最真實的反映，一般可通過位移傳感器和加速度傳感器采集位移信號和加速度信號。位移傳感器主要是非接觸式，測量范圍小，而振動篩振幅位移較大，因此不宜使用位移傳感器采集振動信號[3]。本文采用六軸運動處理組件MPU6050，能夠同時實現三軸陀螺儀和三軸加速度計的功能，避免了組合兩種傳感器之間存在時間差的問題，并且減少了封裝空間。

3.2 MCU選型

處理器是嵌入式系統主要的功率消耗源，對于便攜式設備，在選擇處理器時，不僅要考慮其性能和功能，更要注意功耗特性。MSP430系列微處理器是美國德州儀器公司生產的16位單片機，設計電源電壓1.8～3.6 V，低功耗模式下最小工作電流僅為0.1 μA，大大延長了工作時間，緩解了系統供電不足、頻繁更換供電電池的問題。

3.3 無線模塊選型

振動篩工作時處于振動環境中，其通信不宜采用有線通信方式[4]。無線通信方式可保證振動篩在振動環境下數據傳輸的穩定性，降低系統硬件故障率。本文選用挪威NORDIC公司生產的nRF905無線傳輸芯片，其主要工作頻段為433 MHz、868 MHz和915 MHz，傳輸距離最大可達300 m，適用于低功耗、低成本系統設計。

4 系統軟件設計

系統軟件設計如圖3所示。微處理器和傳感器初始化后，依次讀取MPU6050中加速度計和陀螺儀在X、Y、Z 3個方向的數據。判斷讀取數據是否合格，若讀取有誤，則重新讀取；振動數據讀取完成后，對振動數據進行處理，處理結果放入寄存器；之后依次讀取溫度信息和電量信息，并分析處理數據，處理結果放入寄存器。分析結束后，對比分析結果和閾值，判斷振動狀態正常與否，若分析結果未超出設定閥值，則通過無線通信，發送分析結果以及正常信號，之后休眠5 min，等待下一次讀取；若分析結果超過預先設定的閾值，則判定運行異常，通過無線模塊發送故障信號以及分析結果，之后不進入休眠狀態，繼續讀取數據并進行分析，持續監測振動篩運行狀態。

圖3 系統軟件設計

4.1 振動數據處理

首先分析處理加速度數據。判斷讀取的加速度數據屬于哪個坐標軸，然后將讀取數據轉換為真實的加速度值，并對加速度進行分析，可以得到最大加速度以及振動頻率；之后對加速度進行一階積分和一階最小二乘法去除趨勢項處理，獲得速度數據；再對速度數據進行一階積分和二階最小二乘法去除趨勢項處理，獲得位移數據；對多個周期內的振幅進行分析，得到多個周期內的平均振幅。最后將分析到的最大加速度、振動頻率以及平均振幅等數據，存儲到對應的內存空間中，等待無線模塊發送。

在真實的工作環境下，讀取傳感器數據易受到噪聲干擾且傳感器和放大器存在溫漂和零點漂移，這些影響在積分計算中會不斷累加，使直接對加速度或角速度積分得到的速度或角位移均值不為零，速度和角位移不斷偏離橫軸。因此，在對加速度和角速度積分獲取速度或角位移信息時，需要采用最小二乘法剔除趨勢項。

4.2 電量信息處理

電池電量與電池溫度、放電率及自放電率等多種因素有關。電量測量也是一個非常復雜的問題[5]，考慮到微處理器的處理能力有限，為提高系統硬件穩定性，采用工作電壓法對鋰電池的電壓進行粗略預估。工作電壓法通過實時測量電池工作電壓來估算電池電量。當電量小于30%的時候，系統會提示更換電池。

5 振動篩工況監測系統安裝

在每臺振動篩的篩箱側板布置4個監測點，入料端和出料端各2個點。數據采集模塊通過螺栓固定在尼龍模具上。尼龍模具的兩側分別為強磁鐵與屏蔽磁體，屏蔽磁體一側與尼龍模具固定，防止強磁鐵對微電子系統產生磁干擾，強磁鐵一側與篩箱直接吸合。

布置9個溫度傳感器掛接在單總線上，測量環境溫度以及軸承溫度，其中8個傳感器測量軸承溫度，1個傳感器測量環境溫度。軸承是轉動部件，因此將DS18B20布置在軸承底座之上，根據《振動篩試驗方法》（JB/T 4042—2008）規定，獲取軸承底座的表面溫度后，再加上3 ℃的換算值，得到的數值即為實際軸溫[6]。

6 試驗測試

試驗儀器：ZSG4070-1S直線振動篩、INV3018CT高精度USB采集儀。

試驗步驟：

（1）選取直線振動篩兩側對應的兩點，分別安裝測試模塊和INV3018CT高精度USB采集儀，并保證傳感器加速度計X軸方向與主要振動方向平行放置。

（2）在靜態下，測量一組數據，用于校正標定。

（3）啟動振動篩，連續測量振動篩3個方向的加速度值。

結果分析：通過和專業儀器所測數據進行對比，可以得到測試模塊所測得的振動頻率誤差為3.3%，最大加速度誤差為8.98%，平均振幅誤差為1.6%。

7 結語

本文設計了一種基于無線通信的振動篩工況監測系統，實現了對振動篩運行工況參數，如振動篩頻率、振幅、加速度、角速度、軸承溫度等進行實時在線監測的預期目標。測試試驗表明，此系統是可行的、有效的，可以向選煤廠推廣應用，幫助設備管理人員發現故障，制定維修計劃，避免振動篩故障停機而導致的非計劃停產。