煤礦機電設備振動監測系統設計研究

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摘要：針對煤礦機電設備維護的現狀和監測需求，提出一種機電設備振動監測系統，該系統能夠實現對煤礦機電設備運行過程中的振動進行數據采集并分析處理，最終實現對機電設備工作狀態的監測功能。

關鍵詞：機電設備;維護;振動;監測系統

引言

隨著煤礦機電設備應用的比例逐年上升，機電設備的作用在煤礦生產中占據無比重要的位置，一旦機電設備發生故障，不僅會給煤礦帶來無可估量的經濟損失，甚至會造成人員傷亡。因此如何提前監測到機電設備的故障，是迫切需要解決的問題。振動作為機電設備工作狀態的重要指標之一，通過建立振動監測系統，利用傳感器監測機電設備工作過程中的振動狀態，可預知機電設備工作是否正常。利用煤礦機電設備振動監測系統分析和處理功能，通過對設備運行狀態信息的監測，而獲得設備振動信號的數據，幫助技術人員提前預判機電設備工作狀態是否正常，避免由于振動造成機電設備故障給企業帶來損失[1]。

1系統整體設計

實現振動監測系統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。振動檢測系統的硬件結構如圖1所示。

2傳感器選型

本系統需要利用傳感器對機電設備的振動信號進行監測，對于振動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測機電設備的振動位移，該類傳感器多采用非接觸式測量。例如：電渦流傳感器、電容式振動傳感器、應變式振動傳感器和光線式振動傳感器等。速度傳感器的工作原理是磁電式，將線圈安裝在彈簧上，并隨著設備振動而振動，線圈切割磁感線運動，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，并將其轉換為可用的輸出信號的設備。常見的加速傳感器有電容式，電感式，應變式，壓阻式，壓電式等。壓電式傳感器是一種應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。當壓電傳感器中的加速度計受到振動力時，質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，將振動力產生的加速度轉換成電信號輸送為振動檢測系統。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械式或接觸式測量，對振動的監測不能達到很好的效果。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，能夠很好的監測機電設備的振動狀態且壓電式機電設備具有體積小，重量輕和性能可靠等優點，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；穩定性高、抗周圍環境侵蝕；安裝簡便、性價比高、適應多點測量。

3微處理器的選擇

微處理器是整個系統的運行中樞，負責對整個系統下達指令，其直接影響到整個振動監測系統的電路設計和監測性能。微處理器主要由寄存器堆、運算器、時序控制電路，以及數據和地址總線組成，按照應用領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，系統結構較復雜，嵌入式微處理器主要用于某些專用領域，用來處理特定問題。本系統主要用來解決振動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，該處理器具有運行速度快，功耗低，性能高的特點，能夠很好的滿足振動檢測處理系統的需求。

4存儲模塊的設計

存儲模塊主要實現振動監測系統數據的存儲功能。當管理員需要調取機電設備歷史數據時，可以從存儲系統進行調用，實現數據的可追溯功能，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。本系統選用SD卡作為存儲器。

5電源模塊的設計

電源系統主要由穩壓電路和濾波電路構成，該系統能夠提供±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備使用。

6信號調理系統的電路設計

根據不同的傳感器的功能不同，可以監測的信號的類別也不盡相同，主要可以分為數字信號、模擬信號和開關信號。其中數字信號和開關信號經過傳感器采集后可以直接進行處理，而模擬信號即電壓或電流的信號，則需要經過信號調理器的處理。本系統主要是對機電設備的振動狀態進行監測，根據壓電式加速度傳感器的工作原理，選用STM32片內集成式的模擬數字轉換器，同時設計了集成式多功能振動信號采集系統，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通信系統的設計

通信系統相當于整個監測系統的橋梁，其連接著不同設備與設備時間，負責他們之間的數據傳送與交換。本系統的微處理器為STM32F103RET，其共有三種不同的異步串行接口，根據三種接口設計出兩套通信方案，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電平協議轉換RS-232電平，CAN通信采用PCA82C250芯片將TTL電平協議轉換CAN電平。

8結語

煤礦機電設備振動監測系統硬件系統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。該系統可利用壓電式加速度傳感器監測機電設備的振動狀態，將采集數據轉換為電信號，利用通信系統將該信號傳送給微處理模塊，微處理模塊經過對數據進行分析判斷機電設備的工作狀態是否正常，最終實現對機電設備工作狀態的監測功能。

參考文獻

[1]陳進.機械設備振動監測與故障診斷[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

[2]徐福成.常見振動傳感器及典型應用電路[J].制作天地，2006，（10）：13-15.

[3]樓建忠.大型旋轉機械振動監測系統的研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[4]徐磊，繆思恩.基于AT91RM9200的振動監測數據采集系統[J].電站系統工程，2007，23（5）：53-60.

[5]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

作者:劉偉 單位:山西西山煤電股份有限公司西曲礦