基于STM32的矿用电机轴承振动监测仪.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:鞠晨()男陕西韩城人硕士工程师主要从事电机轴承振动监测方面的工作:.:./.基于 的矿用电机轴承振动监测仪鞠 晨(国能神东煤炭技术研究院陕西 神木)摘要:由于振动信号监测仪成本高并且单纯的振动幅值监测装置不适用于电机故障诊断针对这一问题研发了一种矿用电机轴承振动监测仪 首先进行了轴承振动监测仪的总体设计包括设计了振动监测仪的功能、总体架构和通讯指令码然后进行了振动监测仪的硬件选型研究设计了以 芯片为核心的振动监测仪硬件电路原理图开发了振动监测仪的主程序、模数()转换采集程序以及控制器域网()总线通信程序形成了振动监测仪专用软件最后进行了轴承振动监测系统功能的测试实验并且在某煤炭公司风井通风机电机上进行了现场应用测试 实验结果表明:该振动监测仪采集精度较高采集信号的幅值和频率平均误差分别为.和.研究结果表明:采用该振动监测仪可以长期、稳定地采集和储存电机轴承运行数据从而为电机轴承故障诊断研究提供数据支持关键词:电机轴承振动监测仪控制器域网总线通信矿用电机中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.()().:()引 言电机是旋转机械的核心部件 电机一旦发生故障将会直接影响旋转机械的正常工作 轴承是电机的重要组成部分轴承故障是电机故障的主要因素之一目前常见的电机轴承故障分析方法基本是采用傅里叶变换、小波变换等算法对振动、声音等信号进行信号变换和滤波处理 其中振动信号由于对大多数故障敏感程度高而成为电机轴承故障诊断研究最常用的数据信号 等人基于轴承振动信号提出了一种基于稀疏时频图像纹理特征提取的滚动轴承故障严重程度监测方法该方法可克服传统时频分析方法中分辨率低和易被交叉项干扰等缺点但其所用数据均为实验室环境的理想数据集和单一故障数据集对轴承实际运行过程中遇到的复杂工况与干扰的适应性差 刘波等人将连续隐马尔可夫模型与粒子群优化算法支持向量机相结合对滚动轴承进行了剩余寿命预测但其所用数据均为来源于辛辛那提大学的实验室的理想数据集因此其结果的说服力不强 王奉涛等人提出了一种基于经验模态分解和堆叠稀疏自编码器的滚动轴承故障诊断方法但该方法同样不适用于现场实际工况下存在强背景噪声的轴承故障诊断由此可见现有关于轴承故障振动的研究往往基于实验室理想数据而缺少现场振动数据支持 此外关于轴承故障的研究大部分集中于汽车、船舶、航空等领域 在煤矿领域由于环境恶劣现场振动信号难以获取导致相关研究极为缺乏故亟需研究一种可以快速、准确地采集矿用电机轴承振动信号的监测仪在煤矿领域目前大部分的轴承振动采集系统是基于数据采集卡或可编程逻辑控制器()研发的何晓选用 同步数据采集卡基于工控机和 平台开发了主扇风机轴承振动采集装置但由于数据采集卡成本较高使其难以得到大规模应用 类似地以数据采集卡和工控机为核心针对矿井提升机、主排水泵、通风机等煤矿大型机电装备北京中矿四迈科技有限公司开发了设备振动在线与分析监测系统并获中国煤炭工业协会科技进步奖三等奖但该系统也存在成本较高的问题 张金贵以 技术为基础结合组态软件对矿井主通风机在线监控系统进行了研究但由于采用 难以采集高频率振动原始信号使得此类监控系统只能用于门限式报警(基于振动幅值)不能用于故障诊断方面的研究因此笔者研发基于 的矿用电机轴承振动监测仪以解决现有振动监测仪成本高且大部分振动监测系统所采集的振动信号精度不足难以用于矿用电机轴承故障诊断的问题 监测仪总体设计.功能设计笔者所设计监测仪功能如下:)采集电机轴承振动信号可实现两种工作模式 模式一:监测仪实时采集振动信号处理特征值并上传至上位机若特征值变化过大则报警模式二:上位机发出广播信号各监测仪采集一段时间内的振动信号然后上传给上位机)依据上位机指令执行工作模式切换、设备参数查询与修改、设备状态修改、信号灯报警等功能)采用按键实现模式切换和复位功能.总体架构监测仪总体设计如图 所示图 监测仪总体设计由图 可见:笔者设计了包括最小系统电路、信号采集、存储、通信、人机交互与电压转换 个模块的监测仪硬件电路其中:信号采集模块包括振动传感器和 转换模块存储模块包括可编程存储器()和外部静态存储器()通信模块包括 通信模块和串口模块人机交互模块包括信号指示灯和按键模块供设备调试使用电压转换模块实现 转 和.的电压转换为其他模块提供电源.通讯指令设计根据接受到的上位机的一系列指令监测仪实现采样频率和设备地址的更改、设备复位与暂停等功能其指令格式为:数据长度设备地址高位设备地址低位指令代码数据 指令分为所有设备有效指令和单台设备有效指令 所有设备有效指令以 命名请求指令码设计如表 所示机 电 工 程第 卷表 指令 请求指令码长度代码功能查看帮助查询设备 复位所有设备 暂停所有设备 采样率修改所有设备采样率 波特率修改所有设备波特率 所有设备有效指令是上位机通过 总线发送一个最高优先级指令所有设备均可接收指令具有“查看帮助手册”、“查询设备”、“复位所有/当前设备”、“暂停所有/当前设备”功能单台设备有效指令以 命名请求指令码设计如表 所示表 指令 请求指令码长度代码功能 地址 频率值上传模式 地址 原始数据上传模式 地址 复位当前设备 地址 暂停当前设备 地址 采样率修改当前设备采样率 地址 波特率修改当前设备波特率 地址 修改地址修改当前设备 表 中所述地址均由地址高位和地址低位组成单台设备有效指令是在指令中含有设备地址信息只有地址校验一致的设备才接收该指令并根据指令中的具体信息执行相应功能指令具有切换“模式一:频率值上传”、“模式二:原始数据上传”、“复位/暂停设备”、“修改采样率/波特率”、“修改当前设备”的功能.采样频率为了更精确地采集到振动原始波形且考虑到电机轴承振动数据的可靠性笔者将监测仪采样率设置为振动最高频率分量的 倍 硬件选型及电路设计.硬件选型监测仪主要元器件选型如表 所示表 主要元器件选型设计器件型号单片机 芯片传感器 通信元件/自锁开关 笔者选用了具有 内核的 微控制器它具有外设资源丰富、运算速度快、功耗低、性价比高的特点选用了具有 通道 位高分辨率的 芯片以处理 和 双极性振荡信号选用了 型单轴电压输出型加速度振动传感器可满足频率值上传和原始数据上传两种工作模式选用了 型可编程存储器和 型外部静态存储器组成存储模块选用了型号为/的 芯片和 型通用串行总线()转串口模块组成通信模块选用了独立式按键、发光二极管和型号为 的自锁按键开关组成人机交互模块.电路设计.最小系统电源电路部分由 芯片的 引脚获取外部电源并向备份域电路、内核电路及 电路 个区域供电复位电路设计有系统复位、电源复位和备份域复位 种复位模式 另外笔者设计了连接测试组电路令计算机可直接控制 内核以提高开发效率.信号采集和存储电路信号采集模块采用 芯片实现振动信号的模数转换其电路原理如图 所示由图 可见:在笔者设计的信号采集电路中芯片由 电源通过去耦电容和磁珠连接到 引脚进行供电同时 引脚接地 引脚决定模拟输入范围并与 的 引脚相连将/两个引脚短接后与 的 引脚相连以实现 通道同步采样将 引脚接高电平以实现内部.基准电压源的使能在存储模块中 型可编程存储器具有 存 储 空 间 采 用 集 成 电 路 互 连 通 讯 协 议 型外部静态存储器存储空间为 .通信模块和人机交互模块通信模块实现振动数据上传功能其中 总线模块电路图如图 所示由图 可见:笔者所设计的通信模块由 和 两条信号线共同构成一组差分信号线通过 总线监测仪接受上位机指令 转串口的电路图设计如图 所示由图 可见:串口可通过 接口提供 供电和串口通信笔者采用 型号的 芯片外接 晶体和振荡电容另外笔者还设计了第 期鞠 晨:基于 的矿用电机轴承振动监测仪图 芯片电路原理图图 总线模块电路原理图图 转串口电路原理图机 电 工 程第 卷 接口保护电路使用金属氧化物半导体()场效应管作为电源电路开关当有外部电源时将断开 供电防止出现灌电流人机交互模块由独立式按键和指示灯组成笔者设置了复位按键和两个模式的切换按键并使用发光二极管作为信号指示模块 监测仪程序设计笔者基于模块化理念设计了振动监测仪软件主要包括主程序、采集子程序和 通信子程序各程序模块设计思路如下:.主程序笔者将各模块的初始化程序封装为()供主函数调用其主函数流程图如图 所示图 主函数流程图由图 可见:在设备初始化完成之后进入工作模式标识符检测程序工作模式标识符 可由上位机指令和设备按键进行更改当 分别取、时分别代表模式一(频率值上传)、模式二(原始数据上传)和暂停模式在模式一时系统执行 数据发送设置函数将频率值设定为即将发送的数据随后执行 数据发送函数将数据上传给集中分析平台蓝灯亮模式二同理 在每个 循环函数里均有模式检测函数.采集子程序 自动采集程序流程图如图 所示笔者设计的 采集程序主要功能为实现振动传感器模拟量的模数转换运行时需要先配置好输入/输出(/)引脚和灵活静态存储控制器并口的访问时序启动 转换输入引脚使用 输出脉宽调制脉冲触发图 自动采集程序流程图 启动 转换 之后设置 口线为下降沿中断在中断服务程序保存 转换结果使用 函数控制硬件工作在自动采集模式将结果存储在先入先出数据缓存器()缓冲区.通信子程序 程序通信流程图如图 所示图 通信流程图第 期鞠 晨:基于 的矿用电机轴承振动监测仪由图 可见:笔者所设计的 通信子程序中首先需要对 通信引脚、中断程序、工作模式、筛选器进行设置配置接收中断优先级并且在进行数据传输之前需要将信息接收()数据结构体初始化然后设置 的数据帧内容将 采集的数据经过计算或者转换之后存放到数据帧的 个字节的数据段中该数据段中的内容为监测仪采集到的原始数据监测仪若接收到上位机发送的工作指令则会引起 接收中断并在中断服务函数中从 邮箱中读取报文数据根据数据内容匹配相应指令然后执行该工作指令 功能测试及应用.实验室系统功能测试笔者搭建了监测仪实验平台并完成了上位机调试、设备驱动安装、串口驱动安装、分析软件安装等工作之后进行了监测仪通信环境测试、监测仪基本功能测试、采集模块精度测试及设备信息修改功能测试振动信号测试的实验平台如图 所示图 振动信号测试平台由图 可见:笔者设计的实验平台由信号发生器、振动信号监测仪和示波器组成 信号发生器选用 型信号发生器能够产生 峰峰值为 的正弦波信号示波器选用 型示波器 信号发生器连接在采集装置输入端用以产生不同频率的正弦波信号示波器接在对应通道的输出端实验中笔者分别测试了频率为 、峰峰值 (幅值)的正弦波信号共获得 组波形图采样结果如表 所示表 采样结果表信号频率/采集频率/采集幅值/频率误差/幅值误差/.测试结果表明:上、下位机可以有效地进行 通信且模式切换和超限报警等基本功能正常采集模块可以较好地重现信号发生器产生的波形且频 率、幅 值 均 与 信 号 发 生 器 产 生 的 信 号 参 数相近其中:频率最大误差.平均误差.幅值最大误差.平均误差.说明信号采集模块精度良好能有效收集振动信号监测仪的修改地址、波特率、采样率参数等功能均正常.现场应用情况笔者开发的矿用电机轴承振动监测仪已在神东煤炭公司上湾矿北风井主通风机电机上进行了应用 通风机为 对旋轴流式风机电机为 三项异步电机其基本参数为:额定电压 、额定功率 、额定转速 /、轴 伸 端 轴 承 型 号、尾 部 轴 承 型 号传感器安装位置及实物图如图 所示由图 可见:笔者将振动传感器安装点设置在电机驱动端和尾部风扇位置与外壳轴承座刚性连接部位以保证所取得的轴承振动信号的可靠性虽然风机中的 台电机上均安装了传感器但由于运行方式为同步运行 台电机运行信号相似限于篇幅以下笔者将以其中一台电机驱动端采集到的信号为例进行介绍该电机使用监测仪采集到的信号将其经包络分析后 得 到 的 电 机 驱 动 端 轴 承 包 络 谱如 图 所示由图 可见:图中峰值标记点为电机转速的倍频可用于判断故障可能的位置(如轴表面裂痕、铸机 电 工 程第 卷图 传感器安装位置及现场实物 为电机驱动端轴承安装点 为电机尾部轴承安装点图 二号电机输出端轴承信号造缺陷多反映在 倍频轴不对中反映在 倍频等)所测电机振动最高幅值出现在其 倍频位置为./且由于扇叶为 片故 倍频位置振动幅值相较于其他倍频更高与定期维修后发现的电机实际运行情况相符采用监测仪所记录的该电机振动历史趋势如图 所示图 二号电机振动信号趋势图由图 可见:采集历史中电机振动峰值均未有超标记录且由于主通风机每个月进行轮换故 月 日 月 日采集振动信号接近于 其间少量起伏为外界环境干扰所致与实际电机运行情况相符 从而证明笔者研发的监测仪可以正确采集振动信号且工作稳定能完成所设计的信号采集、模式切换、历史数据查询等功能 结束语笔者通过对监测仪的总体架构设计、硬件选型及电路设计、专用软件设计研发了基于 的电机振动监测仪实现了电机轴承的振动信号采集、模式切换、参数修改、数据传输等功能 监测仪与上位机之间通讯稳定共同组成了电机振动监测系统 最后笔者通过实验平台和现场应用验证了该监测仪具备采集振动信号的准确性和运行的稳定性研究结果表明:)该监测仪能够用于实时采集电机轴承振动信号具有主动上传振动特征值和根据上位机指令被动上传原始振动数据这两种工作模式实现了根据上位机指令进行工作模式切换、设备参数查询与修改、设备状态修改、报警等功能)监测仪 采集模块可以用于较好地重现信号发生器产生的波形且频率、幅值均与信号发生器产生的信号参数相近其中频率最大误差.平均误差.幅值最大误差.平均误差.)在神东煤炭公司上湾矿北风井主通风机电机上的应用结果表明:该监测仪运行稳定能够监测电机轴承振动并储存历史数据可为轴承故障诊断研究提供数据后续笔者还将结合具有冲击脉冲和振动信号输出功能的双 传感器针对轴承早期故障诊断进行研究并基于 和 等无线数据通讯技术对监测仪进行改进拓展其适用场景参考文献():.():.第 期鞠 晨:基于 的矿用电机轴承振动监测仪.():.:.():.():.刘 波宁芊刘才学等.基于连续型 和 的滚动轴承剩余寿命预测.计算机应用():.王奉涛邓刚王洪涛等.基于 和 的滚动轴承故障诊断方法.振动工程学报():.马树焕.煤矿用电机常见故障的调查与分析.煤矿机械():.彭 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