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浅谈煤矿机电设备监测系统设计

2019/04/01 阅读:

摘要:针对煤矿机电设备维护的现状和监测需求,提出一种机电设备振动监测系统,该系统能够实现对煤矿机电设备运行过程中的振动进行数据采集并分析处理,最终实现对机电设备工作状态的监测功能。

关键词:机电设备维护振动监测系统

引言

随着煤矿机电设备应用的比例逐年上升,机电设备的作用在煤矿生产中占据无比重要的位置,一旦机电设备发生故障,不仅会给煤矿带来无可估量的经济损失,甚至会造成人员伤亡。因此如何提前监测到机电设备的故障,是迫切需要解决的问题。振动作为机电设备工作状态的重要指标之一,通过建立振动监测系统,利用传感器监测机电设备工作过程中的振动状态,可预知机电设备工作是否正常。利用煤矿机电设备振动监测系统分析和处理功能,通过对设备运行状态信息的监测,而获得设备振动信号的数据,帮助技术人员提前预判机电设备工作状态是否正常,避免由于振动造成机电设备故障给企业带来损失[1]。

1系统整体设计

实现振动监测系统的功能可以将其分为:信号采集模块、通信模块、存储模块和显示模块等。其硬件组成主要包括微处理器模块,传感器模块,输入/输出模块,存储器模块和通信模块等。振动检测系统的硬件结构如图1所示。

2传感器选型

本系统需要利用传感器对机电设备的振动信号进行监测,对于振动信号的测量主要用到三种传感器:位移传感器、速度传感器和加速度传感器。位移传感器主要是监测机电设备的振动位移,该类传感器多采用非接触式测量。例如:电涡流传感器、电容式振动传感器、应变式振动传感器和光线式振动传感器等。速度传感器的工作原理是磁电式,将线圈安装在弹簧上,并随着设备振动而振动,线圈切割磁感线运动,输出速度与电压成正比。加速度传感器是一种能够感受加速度,并将其转换为可用的输出信号的设备。常见的加速传感器有电容式,电感式,应变式,压阻式,压电式等。压电式传感器是一种应用较为广泛的加速度传感器,其属于惯性传感器。压电式传感器的主要部件为压电陶瓷或石英晶体。当压电传感器中的加速度计受到振动力时,质量块加在压电原件上的力也随之变化,利用压电陶瓷或石英晶体的压电特性,将振动力产生的加速度转换成电信号输送为振动检测系统。通过对以上三种传感器的特性分析,可以看出位移式传感器和速度传感器大多都采用机械式或接触式测量,对振动的监测不能达到很好的效果。压电式加速度传感器利用压电陶瓷和石英晶体的物理效应,能够很好的监测机电设备的振动状态且压电式机电设备具有体积小,重量轻和性能可靠等优点,因此选用压电式加速度传感器。通过对市面上各种型号的压电式传感器进行筛选,决定采用HK91XX系列传感器。该传感器的主要特性有:抗干扰、低阻抗输出、噪声小,通用电缆即可输出信号;稳定性高、抗周围环境侵蚀;安装简便、性价比高、适应多点测量。

3微处理器的选择

微处理器是整个系统的运行中枢,负责对整个系统下达指令,其直接影响到整个振动监测系统的电路设计和监测性能。微处理器主要由寄存器堆、运算器、时序控制电路,以及数据和地址总线组成,按照应用领域的不同微处理器可以分为通用高性能微处理器、嵌入式微处理器等。通用高性能微处理器主要用于通用软件,系统结构较复杂,嵌入式微处理器主要用于某些专用领域,用来处理特定问题。本系统主要用来解决振动信号的处理属于特定的问题,因此选用嵌入式微处理器。选用一种32位STM32型处理器,该处理器具有运行速度快,功耗低,性能高的特点,能够很好的满足振动检测处理系统的需求。

4存储模块的设计

存储模块主要实现振动监测系统数据的存储功能。当管理员需要调取机电设备历史数据时,可以从存储系统进行调用,实现数据的可追溯功能,因此需要选用较大容量的存储器作为本系统的存储模块。目前市场上主流的存储器有U盘、FLASH芯片、SD卡等。本系统选用SD卡作为存储器。

5电源模块的设计

电源系统主要由稳压电路和滤波电路构成,该系统能够提供±24V、5V和3.3V三种电压。其中±24V电压供传感器使用,5V电压供MAX232使用,3.3V电压供处理器和通信芯片等设备使用。

6信号调理系统的电路设计

根据不同的传感器的功能不同,可以监测的信号的类别也不尽相同,主要可以分为数字信号、模拟信号和开关信号。其中数字信号和开关信号经过传感器采集后可以直接进行处理,而模拟信号即电压或电流的信号,则需要经过信号调理器的处理。本系统主要是对机电设备的振动状态进行监测,根据压电式加速度传感器的工作原理,选用STM32片内集成式的模拟数字转换器,同时设计了集成式多功能振动信号采集系统,多路加速度信号采集通道,可以接受传感器输出电流信号为4~20mA和传感器输出电压信号的0~5V。

7通信系统的设计

通信系统相当于整个监测系统的桥梁,其连接着不同设备与设备时间,负责他们之间的数据传送与交换。本系统的微处理器为STM32F103RET,其共有三种不同的异步串行接口,根据三种接口设计出两套通信方案,分别为RS-232通信接口和CAN通信接口。其中RS-232通信采用MAX232芯片将TTL电平协议转换RS-232电平,CAN通信采用PCA82C250芯片将TTL电平协议转换CAN电平。

8结语

煤矿机电设备振动监测系统硬件系统主要包括微处理器模块、传感器模块、输入/输出模块、存储器模块和通信模块等。该系统可利用压电式加速度传感器监测机电设备的振动状态,将采集数据转换为电信号,利用通信系统将该信号传送给微处理模块,微处理模块经过对数据进行分析判断机电设备的工作状态是否正常,最终实现对机电设备工作状态的监测功能。

参考文献

[1]陈进.机械设备振动监测与故障诊断[M].上海:上海交通大学出版社,1999.

[2]徐福成.常见振动传感器及典型应用电路[J].制作天地,2006,(10):13-15.

[3]楼建忠.大型旋转机械振动监测系统的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[4]徐磊,繆思恩.基于AT91RM9200的振动监测数据采集系统[J].电站系统工程,2007,23(5):53-60.

[5]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

作者:刘伟 单位:山西西山煤电股份有限公司西曲矿

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