基于三軸加速度計的振動篩運動狀態(tài)采集裝置的設計

高 鵬，楊 碩，高 勇，曹俊云，康 寧

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012 3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012；；4.鐵法煤業(yè)(集團)有限責任公司 大隆礦選煤廠，遼寧 鐵嶺 112700；5．中煤集團 大屯煤電公司選煤中心，江蘇 徐州 221611；6.國家能源集團 寧夏煤業(yè)集團煤制油安裝檢修分公司，寧夏 銀川 751400)

振動篩是保證選礦行業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)正常運行的關鍵設備，故障停機就意味著效益損失。因振動設備的重載要求，使軸承、激振器、彈簧、傳動軸及其他部件或遲或早都需要維護或更換[1-2]。有效的狀態(tài)監(jiān)測使?jié)撛诘墓收虾褪г诎l(fā)生前被提前檢測成為可能，可以保證維護提前介入，從而使設備或部件的壽命周期最大化。當前，企業(yè)預防振動篩故障的手段主要是人工定期排查，自動化程度低，監(jiān)測不連續(xù)，難以發(fā)現(xiàn)隱性故障[3-4]。在振動篩狀態(tài)監(jiān)測過程中，篩箱振幅、橫向偏擺和振動方向角等關鍵參數(shù)具有重大意義[5-6]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是利用壓電式加速度傳感器，將采集到的電壓信號通過電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設備，再由數(shù)據(jù)采集設備對信號進行分析[7-8]，其弊端包括：弱電壓信號容易受到干擾，信號在線路上損失，布線復雜，傳感器電纜易磨損、斷裂等。

由天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司承擔的“大型選煤裝備可靠性關鍵技術研究”項目，子課題——振動篩故障預警與智能診斷技術研究目標是有效提高設備監(jiān)測的智能化水平，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效的目的。

振動篩故障預警與智能診斷技術的數(shù)據(jù)來源于振動篩運行時篩箱的三向加速度、電機的電流和激振器的溫度等數(shù)據(jù)。其中三向加速度采集器的模擬電壓信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號傳入儀表內(nèi)置的單片機，由單片機結合無線傳輸模塊將信號傳輸給上位機，是解決現(xiàn)場信號干擾的有效手段，可實現(xiàn)振動篩故障早期預警和運行狀態(tài)智能診斷，提高振動篩的可靠性和智能化水平。

1 振動采集裝置

振動采集裝置包括五大部分：三軸加速度芯片ADXL345[9]，數(shù)據(jù)處理芯片ATMEL328P，通訊處理器CC2530[10-11]，14500鋰電池，升壓模塊MT3680。采集裝置的檢測流程框圖如圖1所示。

圖1 采集裝置的檢測流程框圖

振動采集裝置的鋁合金外殼保證了組件的堅固性和采集信號不受外界磁場干擾。釹鐵硼磁鐵鑲嵌入鋁合金外殼內(nèi)，磁鐵的一端跟外殼緊密固定，另一端吸附在振動篩的側板上，確保在不破壞振動篩側板強度的前提下，振動采集裝置隨振動篩一起運動。采集裝置的結構如圖2所示。

圖2 采集裝置結構簡圖

三軸數(shù)字加速度計采用亞德諾半導體(ADI)公司的ADXL345芯片，通過IIC總線方式傳輸加速度數(shù)據(jù)；無線收發(fā)器采用德州儀器(TI)公司的CC2530，具備一個IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，其中的RF內(nèi)核控制無線模塊，同時無線設備還包括數(shù)據(jù)包過濾模塊和地址識別模塊；數(shù)據(jù)處理芯片采用ATMEL公司的MEGA328P，它是一種高性能、低功耗的8位微控制器；鋰電池選用通用的14500鋰電池，充電電壓為4.2 V；升壓模塊選用MT3608，輸入電壓為2 V，最大輸出電壓為5 V，效率> 93%。采集裝置電路圖如圖3所示。

圖3 采集裝置電路圖

2 下位機程序設計

下位機的程序設計采用Arduino程序框架[12-13]。Arduino語言建立在C/C++基礎上，也就是基礎的C語言，Arduino語言是把AVR單片機(微控制器)相關的一些參數(shù)設置都函數(shù)化，設計者不需了解它的底層而能夠輕松上手。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)，軟件構建于開放原始碼，并且具有類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。[14-15]。

采集裝置參數(shù)設定：設置ADXL345的I2C地址，定義存放加速度值的變量，存放寄存器的高低位值，X、Y、Z軸共6個；定義加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù)速率，帶寬為50 Hz，0X0B對應速率為200 Hz；設置ADXL345為測量模式，ADXL345采用±8 g量程，10位分辨率64對應1 g；然后對加速度值進行讀寫操作和量程轉(zhuǎn)換；最后將經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過Arduino串口輸出，需要設置loop循環(huán)的時間以及串口的傳輸速率。

3 上位機程序設計

上位機軟件采用LABVIEW[16-17]語言。LABVIEW 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LABVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LABVIEW 的程序模塊，與 C 和BASIC 語言一樣，LABVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個可完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LABVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LABVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。

LABVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LABVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LABVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

在振動篩運動狀態(tài)采集裝置中，LABVIEW編程主要分為4個部分：第一部分是利用VISA工具設置串口讀取數(shù)據(jù)，需要設置串口地址、波特率、校驗位等信息。接下來讀取指定的字節(jié)數(shù)，比較指定的字節(jié)數(shù)中的數(shù)據(jù)是否正確，然后判斷是否繼續(xù)讀取。如果讀取正確，接下來連續(xù)讀取緩沖區(qū)中18個字節(jié)的數(shù)據(jù)，即為三個方向加速度的原始數(shù)據(jù)。第二部分是將字符串轉(zhuǎn)換到數(shù)值，得到加速度數(shù)據(jù)的浮點數(shù)，之后是對原始數(shù)據(jù)進行濾波處理。采用Butterworth濾波器(逐點) VI，設置了低截止頻率與高截止頻率，再對數(shù)值經(jīng)過兩次積分得到瞬時位移值。第三部分是得到振動軌跡圖。采用LABVIEW的數(shù)組操作和條件結構，包括創(chuàng)建數(shù)組、獲取數(shù)組元素個數(shù)、數(shù)組最大與最小值函數(shù)、刪除替換數(shù)組元素等。設計方法是在條件循環(huán)中，比較200次輸入的數(shù)組元素，抽取最大、最小值，利用插值減法運算，取絕對值得到振幅，利用數(shù)組元素捆綁，前面板加載X、Y截面圖，得到振動篩在X、Y截面的運動軌跡圖。第四部分是頻率和方向角的計算。得到Y軸和X軸的絕對振幅后，利用反正切函數(shù)和弧度至角度轉(zhuǎn)換函數(shù)得到振動方向角，利用LABVIEW自帶的波形生成函數(shù)創(chuàng)建時域信號，加載功率及頻率，估計VI并計算振動的頻率峰值。振動監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

圖4 振動監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖

4 工業(yè)性試驗

振動篩在運行過程中，設備狀態(tài)的檢測信號是反映設備運行正常與否的信息載體，而發(fā)現(xiàn)故障信息的重要條件之一是采用適當?shù)臋z測方法，因此，真實、充分地檢測到足夠數(shù)量的信號并能客觀準確地反映振動篩在負載狀況下的運行狀態(tài)特征信息，是在線監(jiān)測分析與故障診斷結果可信的前提。

對大型直線振動篩振動信號的采集過程如下：電機帶動激振器產(chǎn)生振動信號，在激振大梁、4個彈簧支座處安裝合適的傳感器，對振動信號進行拾?。粋鞲衅鲗⒉杉降恼駝有盘柾ㄟ^相應的轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號，通過數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)收集，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供計算機進行分析，最后將測得的數(shù)據(jù)進行保存與顯示，完成振動信號地采集測量。采集裝置的布置圖如圖5所示。

由圖5可知：在X、Y、Z三個方向，Z方向垂直于振動篩的篩板，正常運轉(zhuǎn)的振動篩在垂直于篩板的方向位移很小。如果在Z軸方向產(chǎn)生較大位移，那振動篩可能存在某方面的故障。直線振動篩的位移方向與水平方向約成45°角，主要分解在X和Y軸方向。分別對X和Y方向的加速度經(jīng)過兩次積分及前面的論述的消除趨勢項，得到兩個方向的位移，并且X和Y軸方向的位移相位相差90°。經(jīng)過軟件編程，將X和Y方向的數(shù)據(jù)捆綁后組成一組新的數(shù)據(jù)，這一組數(shù)據(jù)形成了如圖6所示的振動篩工作時的振動位移。

圖5 采集裝置的布置圖

由圖6可知：振動篩的振幅大小約為7 mm,方向與水平方向約為45°。此振動篩在出廠檢驗時的振動位移約為7 mm,振動角度約為42.5°，與出廠檢驗的數(shù)據(jù)相比，本系統(tǒng)測得的振動篩運動軌跡較真實地反映了振動篩的工作情況。

圖6 監(jiān)測裝置測試效果圖

5 結論

(1)從三軸加速度采集角度給出了一種振動篩運動狀態(tài)的在線檢測方案，可對振動篩的運行狀態(tài)進行有效監(jiān)測，為振動篩的故障預警提供有效數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過三軸加速度傳感器采集振動篩的X、Y、Z三個方向的加速度值，利用總線方式輸出給AVR單片機，單片機利用串口透傳技術，并結合CC2530模塊完成了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計與制作。

(3)利用 LABVIEW 軟件開發(fā)平臺，完成了相應軟件系統(tǒng)的開發(fā)。借助LABVIEW強大的頻譜測量工具及濾波采樣得到所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對振動篩設備的篩體運動軌跡、振幅和相位等參數(shù)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果實現(xiàn)對設備故障的預警、判斷和處理功能，為振動篩的在線檢測提供了一種有效的途徑。