石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與故障維修系統(tǒng)

謝勝平

(瑞昌市江瑞冶金材料有限公司，江西 九江 332209)

石灰石是一種常見的非金屬礦物[1]。中國擁有豐富的石灰石礦產(chǎn)資源，占世界總儲量的一半以上。應(yīng)用石灰石需先將其加工成石灰粉，而石灰粉加工技術(shù)較為復(fù)雜，需要動用大型、精細化的設(shè)備。石灰粉一體化加工設(shè)備在工作過程中需要不斷對其運行狀態(tài)進行檢測，保證其能順利完成石灰粉的加工。若加工過程中設(shè)備出現(xiàn)問題，將有可能造成難以挽回的損失，甚至威脅工作人員的生命安全。

對于石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與故障維修的研究，很多國家都非常重視，并取得了多樣化的研究成果。Wu等[2]提出一種新的基于系統(tǒng)運行狀態(tài)的方法，將檢修優(yōu)化問題歸結(jié)為一個非線性優(yōu)化問題，在考慮平均不可用度的同時節(jié)約成本，在有限時間內(nèi)尋找最優(yōu)的定期檢修間隔，該系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中雖然降低了維護成本，但維修過程中增加了石灰粉的生產(chǎn)成本。Kim等[3]提出了一種對運行狀態(tài)在線監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)優(yōu)化方案，實例驗證結(jié)果表明，基于POMDP框架構(gòu)建的狀態(tài)檢測系統(tǒng)可降低維護成本，但是檢測效率低。針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，本文以某新型石灰粉一體化加工設(shè)備為例，該設(shè)備集給料、傳送、混料、攪拌、研磨、篩分、存儲等功能為一體，設(shè)計了一種新的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與故障維修系統(tǒng)，以提高對其狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性。

1 石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與故障維修系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與故障維修系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括電源模塊、處理模塊、傳感器模塊[4-5]。電源模塊為系統(tǒng)運行提供電源；處理模塊主要控制、協(xié)調(diào)各個模塊的運行，保證各個模塊正常進行數(shù)據(jù)處理、分析以及數(shù)據(jù)采集等工作。

1.1.1電源模塊設(shè)計

電源模塊中應(yīng)用了線性電源、數(shù)字技術(shù)以及模擬技術(shù)[6]。運用數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)將線性電源通過磁珠隔離或相連，減少系統(tǒng)噪聲功率與干擾紋波，降低系統(tǒng)各模塊間的相互干擾，保障系統(tǒng)的高線性度與高精度[7]。電源模塊電路如圖1所示。

圖1 電源模塊電路

1.1.2處理模塊設(shè)計

處理模塊中微處理器的型號為STM32，該微處理器是系統(tǒng)整體的控制中心，主要負責(zé)對系統(tǒng)各模塊進行協(xié)調(diào)管理，保證各個模塊數(shù)據(jù)處理、分析以及數(shù)據(jù)采集等工作的正常進行[8]。STM32主要利用EEPROM進行數(shù)據(jù)存儲，并通過旋鈕、按鍵、LCD與用戶進行交互，其與軟件的通訊通過RS-232 接口實現(xiàn)[9]。

微處理器參數(shù)具體見表1。外圍設(shè)備包括溫度傳感器、PWM、電機控制PWM、DMA等，振蕩器類型為內(nèi)部振蕩器型，外殼/封裝類型為49-LQFP。

表1 微處理器參數(shù)

處理模塊中的信號處理器選用DSP芯片，具體型號為TMS230F53382。該芯片控制系統(tǒng)框圖如圖2所示[10]。

圖2 DSP芯片控制系統(tǒng)框圖

TMS230F53382芯片為浮點CPU(32位)，支持JTAG邊界掃描，SARAM集成數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與串口，支持RS-485和RS-232協(xié)議，電源模式包括3種低功耗模式，其具體參數(shù)見表2[11]。

表2 TMS230F53382參數(shù)

1.1.3傳感器模塊設(shè)計

考慮到石灰粉一體化加工設(shè)備對靈敏度具有較高的要求，因此傳感器選擇VS9002.D振動傳感器，該傳感器具有響應(yīng)頻率高、電壓輸出信號強、勵磁電流小以及精度高等優(yōu)點[12]，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 振動傳感器技術(shù)指標(biāo)

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

1.2 軟件設(shè)計

在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行人機交互設(shè)計，石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)的軟件包括模糊故障診斷模塊、狀態(tài)檢測與故障維修模塊[13]。

1.2.1模糊故障診斷模塊設(shè)計

模糊故障診斷模塊主要通過構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣對石灰粉一體化加工設(shè)備實施模糊故障診斷處理[14]。構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣的流程如圖4所示[15]。

圖4 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣流程

模糊關(guān)系的邏輯推理規(guī)則主要分為兩種，一種為“若A，則B”；另一種為“若A且B，則C”。本文采用第一種模糊邏輯規(guī)則，若不能正常運行，即為設(shè)備故障。在系統(tǒng)未運行時，將收集到的排除故障經(jīng)驗資料、典型的故障實例以及設(shè)備的故障原因與故障現(xiàn)象資料發(fā)送至狀態(tài)檢測與維修模塊，讓其對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行檢測，在遇到故障可進行維修。除此之外，本文的模糊故障診斷模塊遇到新的故障問題時還可自動學(xué)習(xí)，對相關(guān)故障實例進行分析記憶，提升自身的故障分析性能。

1.2.2狀態(tài)檢測與維修模塊設(shè)計

狀態(tài)檢測與維修模塊主要實現(xiàn)石灰粉一體化加工設(shè)備的狀態(tài)檢測[16]。將模糊故障診斷結(jié)果輸入狀態(tài)檢測與故障維修軟件中，基于這些故障數(shù)據(jù)對石灰粉一體化加工設(shè)備實施狀態(tài)檢測[17]。當(dāng)檢測到故障時，通過狀態(tài)檢測與維修軟件讓服務(wù)器端、全景顯示端與維修現(xiàn)場端進行信息交互，實現(xiàn)石灰粉一體化加工設(shè)備的故障維修[18]。行為交互中的具體指令見表4。

表4 行為交互指令

2 狀態(tài)檢測與維修實驗

為驗證石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)的有效性，設(shè)計如下實驗。

2.1 實驗設(shè)備

實驗所用石灰粉一體化加工設(shè)備的型號為SD-2000，包括螺旋上料機、料倉、混料機、臥式攪拌機、加液霧化裝置等，材質(zhì)為316L不銹鋼，容量為20 000 L，攪拌方式為雙螺帶攪拌，作業(yè)方式為循環(huán)作業(yè)。其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SD-2000石灰粉一體化加工設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備的工藝流程為：原料地倉中的石灰石經(jīng)過1#給料機、1#斗提機、1#皮帶機送入半壁倉，再通過2#給料機將原料送到2#皮帶機，經(jīng)廣義旋臼磨,破碎后的石灰石粉由2#斗提機從磨機底部提高送入1#、2#圓筒篩進行篩分，篩分后的成品直接落入圓筒篩下部成品倉存儲，篩上大于3 mm的石灰石返回半壁倉與原料混合后再次進行破碎。

2.2 實驗環(huán)境與方法

SD-2000石灰粉一體化加工設(shè)備工藝成熟、運行可靠、產(chǎn)品粒度范圍廣，但占地大、能耗高、生產(chǎn)環(huán)境噪聲大，一旦發(fā)生故障，維修較困難。為驗證本文狀態(tài)檢測與故障維修系統(tǒng)的性能，與文獻[3]、[4]的系統(tǒng)進行對比實驗，實驗中的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖6所示。

圖6 實驗中的網(wǎng)絡(luò)拓撲

實驗環(huán)境具體見表5。

表5 實驗環(huán)境

利用石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)對石灰粉一體化加工設(shè)備進行狀態(tài)檢測與維修實驗。選取石灰粉一體化加工設(shè)備運行10～20 h的狀態(tài)檢測時間作為實驗數(shù)據(jù)，并將文獻[3]、[4]中的系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)進行狀態(tài)檢測時間的對比實驗。

2.3 結(jié)果分析

設(shè)定石灰粉一體化加工設(shè)備在運行10 h后出現(xiàn)微小故障，分別用本文的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)及文獻[3]基于POMDP的維護檢查綜合調(diào)度框架系統(tǒng)、文獻[4]利用光纖光柵傳感技術(shù)建立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對運行10～20 h時間段進行實驗，得到狀態(tài)檢測時間對比實驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 微小故障狀態(tài)檢測時間對比

由表6可知，本文設(shè)計的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)的狀態(tài)檢測時間少于文獻[3]、[4]系統(tǒng)的狀態(tài)檢測時間。

設(shè)定設(shè)備運行10～20 h時石灰粉一體化加工設(shè)備存在較大的故障，本文設(shè)計的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)及文獻[3]、[4]系統(tǒng)的狀態(tài)檢測時間對比實驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 較大故障狀態(tài)檢測時間對比

由表7可知，在石灰粉一體化加工設(shè)備存在較大故障的情況下，本文設(shè)計的石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測與維修系統(tǒng)的狀態(tài)檢測時間少于文獻[3]、[4]系統(tǒng)的狀態(tài)檢測時間。

3 結(jié)束語

隨著我國土木工程建設(shè)的發(fā)展，石灰粉用量在快速增加，因此應(yīng)不斷提高其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，石灰粉一體化加工設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)對于石灰粉加工效率的提升有重大的意義。本文采用模糊算法對石灰粉一體化加工設(shè)備的狀態(tài)和故障進行判斷分析，極大提高故障檢測的效率。但該系統(tǒng)在設(shè)計上仍存在一些不足，日后將繼續(xù)對其進行改進。