淺談煤礦機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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摘要：針對煤礦機(jī)電設(shè)備維護(hù)的現(xiàn)狀和監(jiān)測需求，提出一種機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)電設(shè)備維護(hù)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

引言

隨著煤礦機(jī)電設(shè)備應(yīng)用的比例逐年上升，機(jī)電設(shè)備的作用在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)無比重要的位置，一旦機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障，不僅會給煤礦帶來無可估量的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。因此如何提前監(jiān)測到機(jī)電設(shè)備的故障，是迫切需要解決的問題。振動(dòng)作為機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，通過建立振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器監(jiān)測機(jī)電設(shè)備工作過程中的振動(dòng)狀態(tài)，可預(yù)知機(jī)電設(shè)備工作是否正常。利用煤礦機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)分析和處理功能，通過對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的監(jiān)測，而獲得設(shè)備振動(dòng)信號的數(shù)據(jù)，幫助技術(shù)人員提前預(yù)判機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，避免由于振動(dòng)造成機(jī)電設(shè)備故障給企業(yè)帶來損失[1]。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的功能可以將其分為：信號采集模塊、通信模塊、存儲模塊和顯示模塊等。其硬件組成主要包括微處理器模塊，傳感器模塊，輸入/輸出模塊，存儲器模塊和通信模塊等。振動(dòng)檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2傳感器選型

本系統(tǒng)需要利用傳感器對機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)信號進(jìn)行監(jiān)測，對于振動(dòng)信號的測量主要用到三種傳感器：位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。位移傳感器主要是監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)位移，該類傳感器多采用非接觸式測量。例如：電渦流傳感器、電容式振動(dòng)傳感器、應(yīng)變式振動(dòng)傳感器和光線式振動(dòng)傳感器等。速度傳感器的工作原理是磁電式，將線圈安裝在彈簧上，并隨著設(shè)備振動(dòng)而振動(dòng)，線圈切割磁感線運(yùn)動(dòng)，輸出速度與電壓成正比。加速度傳感器是一種能夠感受加速度，并將其轉(zhuǎn)換為可用的輸出信號的設(shè)備。常見的加速傳感器有電容式，電感式，應(yīng)變式，壓阻式，壓電式等。壓電式傳感器是一種應(yīng)用較為廣泛的加速度傳感器，其屬于慣性傳感器。壓電式傳感器的主要部件為壓電陶瓷或石英晶體。當(dāng)壓電傳感器中的加速度計(jì)受到振動(dòng)力時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電原件上的力也隨之變化，利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電特性，將振動(dòng)力產(chǎn)生的加速度轉(zhuǎn)換成電信號輸送為振動(dòng)檢測系統(tǒng)。通過對以上三種傳感器的特性分析，可以看出位移式傳感器和速度傳感器大多都采用機(jī)械式或接觸式測量，對振動(dòng)的監(jiān)測不能達(dá)到很好的效果。壓電式加速度傳感器利用壓電陶瓷和石英晶體的物理效應(yīng)，能夠很好的監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)且壓電式機(jī)電設(shè)備具有體積小，重量輕和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此選用壓電式加速度傳感器。通過對市面上各種型號的壓電式傳感器進(jìn)行篩選，決定采用HK91XX系列傳感器。該傳感器的主要特性有：抗干擾、低阻抗輸出、噪聲小，通用電纜即可輸出信號；穩(wěn)定性高、抗周圍環(huán)境侵蝕；安裝簡便、性價(jià)比高、適應(yīng)多點(diǎn)測量。

3微處理器的選擇

微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中樞，負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)下達(dá)指令，其直接影響到整個(gè)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和監(jiān)測性能。微處理器主要由寄存器堆、運(yùn)算器、時(shí)序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線組成，按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同微處理器可以分為通用高性能微處理器、嵌入式微處理器等。通用高性能微處理器主要用于通用軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，嵌入式微處理器主要用于某些專用領(lǐng)域，用來處理特定問題。本系統(tǒng)主要用來解決振動(dòng)信號的處理屬于特定的問題，因此選用嵌入式微處理器。選用一種32位STM32型處理器，該處理器具有運(yùn)行速度快，功耗低，性能高的特點(diǎn)，能夠很好的滿足振動(dòng)檢測處理系統(tǒng)的需求。

4存儲模塊的設(shè)計(jì)

存儲模塊主要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲功能。當(dāng)管理員需要調(diào)取機(jī)電設(shè)備歷史數(shù)據(jù)時(shí)，可以從存儲系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯功能，因此需要選用較大容量的存儲器作為本系統(tǒng)的存儲模塊。目前市場上主流的存儲器有U盤、FLASH芯片、SD卡等。本系統(tǒng)選用SD卡作為存儲器。

5電源模塊的設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電路和濾波電路構(gòu)成，該系統(tǒng)能夠提供±24V、5V和3.3V三種電壓。其中±24V電壓供傳感器使用，5V電壓供MAX232使用，3.3V電壓供處理器和通信芯片等設(shè)備使用。

6信號調(diào)理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的傳感器的功能不同，可以監(jiān)測的信號的類別也不盡相同，主要可以分為數(shù)字信號、模擬信號和開關(guān)信號。其中數(shù)字信號和開關(guān)信號經(jīng)過傳感器采集后可以直接進(jìn)行處理，而模擬信號即電壓或電流的信號，則需要經(jīng)過信號調(diào)理器的處理。本系統(tǒng)主要是對機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)壓電式加速度傳感器的工作原理，選用STM32片內(nèi)集成式的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，同時(shí)設(shè)計(jì)了集成式多功能振動(dòng)信號采集系統(tǒng)，多路加速度信號采集通道，可以接受傳感器輸出電流信號為4~20mA和傳感器輸出電壓信號的0~5V。

7通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁，其連接著不同設(shè)備與設(shè)備時(shí)間，負(fù)責(zé)他們之間的數(shù)據(jù)傳送與交換。本系統(tǒng)的微處理器為STM32F103RET，其共有三種不同的異步串行接口，根據(jù)三種接口設(shè)計(jì)出兩套通信方案，分別為RS-232通信接口和CAN通信接口。其中RS-232通信采用MAX232芯片將TTL電平協(xié)議轉(zhuǎn)換RS-232電平，CAN通信采用PCA82C250芯片將TTL電平協(xié)議轉(zhuǎn)換CAN電平。

8結(jié)語

煤礦機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、傳感器模塊、輸入/輸出模塊、存儲器模塊和通信模塊等。該系統(tǒng)可利用壓電式加速度傳感器監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，利用通信系統(tǒng)將該信號傳送給微處理模塊，微處理模塊經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常，最終實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測功能。

參考文獻(xiàn)

[1]陳進(jìn).機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

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[5]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

作者：劉偉 單位：山西西山煤電股份有限公司西曲礦