洗煤厂振动筛板工况监测系统的研发与应用_陈德伟.pdf

收稿日期：第一作者：陈德伟（）男，硕士，山东济南商河人，研究方向为电力系统及其自动化。：洗煤厂振动筛板工况监测系统的研发与应用陈德伟，孟祥忠，战仕发（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛；山东能源集团西北矿业有限公司亭南煤矿，山东 济宁）摘要：目前，洗煤厂进行煤炭的大小颗粒分拣使用的是筛分机带动筛板振动的方式，因此振动筛板的掉落将会严重影响洗煤效率，目前洗煤厂主要采用人工巡检方式检查振动筛板是否掉落，这种巡检方式易出现漏检、报错等问题，巡检人员劳动强度较大，无法实时监测振动筛板的工况，针对以上情况，该文融合智能传感器技术、无线通讯技术、大型数据库开发技术等先进技术研制出“洗煤厂振动筛板工况监测系统”，系统通过无线智能传感器模块采集振动筛板的振动信号，振动筛板故障诊断专家子系统通过对振动信号分析进行故障诊断，实现了对振动筛板工况的实时监控。关键词：振动筛板；无线通讯技术；无线智能传感器；故障诊断中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，）：，：；引言洗煤是煤炭深加工中一个必不可少的工序，从矿井中直接开采出来煤炭原煤混入了许多杂质，且包含不同品质的煤炭。洗煤厂进行煤炭的大小颗粒分拣使用的是筛分机带动筛板振动的方式。在实际的工作运行中，可能会存在对洗煤效率有诸多影响的因素，比如筛板在振动时因边缘老化或磨损掉落，筛板网面磨损严重未及时发现等，其中对生产影响最大的为筛板掉落，将会导致大量未经筛选的原煤与经过筛选的煤炭混合，降低煤炭筛选品质。该文针对洗煤厂现存的这些问题研制“洗煤厂振动筛板工况监测系统”，目的是对振动筛板的工况进行实时监测，若监测到筛板有掉落的风险，会将报警信 年第 期 工业仪表与自动化装置息显示在上位机页面上，再有工作人员到现场进行查验；若监测到筛板掉落，则会使筛分机停机，防止混淆待筛选煤和已筛选煤。系统构成洗煤厂振动筛板工况监测系统结构如图 所示。整个系统可分为数据采集与传输层、数据处理层和远程监控层。数据采集与传输层主要由无线智能传感器节点、以太网模块和无线基站组成，可以同时监测振动筛板在三轴上的振动信号。数据处理层由通信中继模块、微型处理器和嵌入式触摸屏组成，通信中继模块接收数据采集与传输层采集的信号并由微型处理器对信号进行分析处理，最终将振动筛版的信息显示在嵌入式触摸屏。远程监控层是放置于调度中心的监控主机，值班人员不仅可以通过现场的嵌入式触摸屏获取振动筛板的工况信息，还可以实现在调度中心远程监控。无线振动传感器与无线基站之间采用无线通信，最大通信距离达 ，通过以太网 交换机将监测数据显示与 触摸屏上，无线基站通过自带的网络模块接入地面工业以太网，调度中心的监控主机通过设置对应的 可以实现与无线基站的通信。图 系统结构图 系统设计 无线智能传感器模块设计 硬件设计由于振动筛板排列紧密、边框较窄等特点，无法在传感器节点与无线采集卡之间采用有线传输方式，该文设计一款无线智能传感器模块来对振动筛板的工况进行监测，其结构图如图 所示，包括：运动传感器芯片、低功耗微处理器模以及低功耗通信模块。图 无线传感器模块结构图 振动筛板的故障特征主要以振动参数为主，振动信号对振动筛板的故障状态进行提前预警，因此选用 芯的运动传感器芯片，它具有 轴 陀螺仪和 轴 加速度计，能够很好的监测振动筛板的工况。由于需要无线智能传感器模块需要长时间工作，所以用到低功耗微处理器，对收集数据进行记录，该低功耗微处理器 封装、表面安装、具有 引脚 位 核心微控制器。低功耗通信模块是采用 无线通信技术，能够以较低功耗实现长距离信号传输和大范围覆盖，一个 网关可连接成千上万个节点 ，通过配合相应的无线基站，最大通信距离可达 。软件设计在对微处理器设置定时唤醒，实现数据采集，通过对采集的数据，计算时频特征量、更新自适应门限，当到达设定时间，将数据传输到上位机，其流程如图 所示。图 软件流程图 将无线智能传感器模块放置于振动筛板上，通工业仪表与自动化装置 年第 期过测试模块，将无线智能传感器模块收集的数据传输到 卡上，再将数据传到上位机。在上位机的 上针对读取的数据调用（）函数进行频域分析，然后调用（）函数绘制图形，如图 所示。而无线智能传感器模块界自身提供的时域数据可直接调用（）函数，如图 所示。图 无线智能传感器频谱图图 无线智能传感器时域图 图 中，从频域图中可看出振动筛板的振动基本呈规律分布。图 中，“”表示振动筛板在 轴的时域波形、“”表示振动筛板在 轴的时域波形、“”表示振动筛板在 轴的时域波形，通过上图，我们发现传感器模块自身提供的时域数据平滑且可靠，能满足同步性与实时性，且能够很好的反应振动筛板分别在 轴、轴、轴的工作状态，同时也减轻了上位机的负担。上位机组态软件设计 触摸屏接入地面工业环网，在调度中心监控主机可实现远程监视功能。在调度中心上位机，采用 组态软件对监控系统监测的各数据进行组态显示，能显示整个控制系统的总体运行画面，有振动筛板工况监测、无线智能传感器电量、振动筛板振速曲线、振动筛板报警振速值、报警窗口等界面，主界面如图 所示。画面友好，便于操作。现场控制分站和上位机都有方便的报警功能，当振动筛板振动加速度过大、无线智能传感器模块电量过低等，触摸屏与调度中心监控主机可进行灯光报警。图 上位机主界面 振动筛板故障诊断专家子系统设计微处理器内设有振动筛板故障诊断专家子系统，系统基于 开发推理机与人机界面，基于 设计诊断知识库，利用 可共享数据的优点以及开放式数据库连接性，设计了基于组态的振动筛板故障诊断专家子系统。判断振动筛板是否发生故障的依据是，将组态软件中通过无线智能传感器获取的振动筛板的振动信号特征量（包括振幅和振动速度）与知识库中的故障特征量是否类似甚至相同。系统在对振动筛板进行故障诊断时，根据无线智能传感器模块在线监测获取的实时数据，提取反映筛板运行状态的特征数据，并结合领域专家知识和相应振动筛板历史故障档案进行综合分析，对发生故障的振动筛 板 进 行 诊 断，确 定 故 障 类 型 并 进 行 故 障定位。知识库设计结合近些年来振动筛机发生故障时的报警数据、专家知识、专家经验等重要信息，汇总出振动筛板发生故障时其特征状态参数所对应的振幅值、时域图和频谱图，及其对应的故障类型和故障位置，通过产生式规则将这些知识以数据结构的形式存入计算机。推理机设计推理方法主要包括基于模型的推理方法、基于案例的推理方法和基于规则的推理方法。其中，基于规则的推理方法可根据推理方向分为正向推理、反向推理和混合推理。在振动筛板的故障诊断中，因为振动筛板的故障特征主要以振动参数为主，且频谱图又是分析振动参数的重要工具，但通过振动信号的频谱图正向推理出故障可能不唯一，因此该文采用正反向混合推理策略，即以正向推理后得出的故障集合反向推理，搜寻故障类型对应的必要条件，多次循环后，通过人机对话的形式确定唯一的故障类型。年第 期 工业仪表与自动化装置 应用以山东许厂煤矿洗煤厂某一振动筛板为例，设备异常运行，电机后轴轴承处径向 方向发生剧烈振动，轴承处发生径向振动达到设定的阈值，驱动电机的工作频率为 ，对振动筛板采集振动信号分析处理，得到振动筛板在、轴三个方向振动的时域图与频谱图，如图、所示。图 振动信号时域图图 振动信号频谱图 主振频率为 ，时域波形为正弦波，特征频率以 倍频为主，存在较小的高次谐波，电机 轴方向振幅最大值达 ，超过了预警值 。故障诊断专家系统将获取的时域图、频谱图及振动幅值与知识库中的数据进行对比，得到故障类型包括振动筛板出现裂痕、振动筛板筛框松动，再通过反复的正反向推理，最终诊断为振动筛板筛框松动故障，振动筛板有掉落风险，经过现场工作人员验证，该诊断结果是正确的。总结该文结合煤矿生产的实际情况研制了一套洗煤厂振动筛板工况监测系统，能够实时、准确地反映振动筛板状态变化趋势，并能及时进行故障预警，可以有效避免重大事故的发生，保证了洗煤车间安全生产。系统可以长周期、安全运行，节省了大量的人力和财力，具有极高的推广价值。参考文献：薛淑杰 洗煤厂设备安全运行监控系统的开发 矿业装备，（）：魏志荣，梁志勋，赵家祺，等 基于无线传感器网络的智能 景观灯控制系统的设计与实现 光源与照明，（）：孙爱东，田锦钊，李广 主副井绞车轴承运行状态监测与故障预警系统研究 山东煤炭科技，（）：王晨辉，郭伟，杨凯，等 基于 技术的滑坡监测系统设计与研究 现代电子技术，（）：胡春杰，杨溯，刘峰 基于 的城市内涝监测预警系统 江苏水利，（）：薛小倩，王爱林 基于 与 组态软件的抢答器控制研究 无线互联科技，（）：邱力文，陈建均，古建全，等 基于专家系统的等离子电源远程监测诊断平台开发 工业控制计算机，（）：王建军，郝素兰 液压机故障智能诊断专家系统研究 江苏科技信息，（）：严珂 专家系统和数据库技术在船舶设计的应用舰船科学技术，（）：宋伟 井下皮带输送机运行状态在线监测系统青岛：青岛科技大学，范莉萍，郎朗，肖晶晶，等 基于故障树的多参数监护仪故障智能诊断专家系统研究 生物医学工程学杂志，（）：李云鹏，王跃辉 减速机故障诊断专家系统的应用 化工管理，（）：欢迎投稿！欢迎订阅！欢迎刊登广告！工业仪表与自动化装置双月刊国内邮发代号：国际发行代号：定价：元 期 元 年地址：西安市高新区沣惠南路 号 邮编：电话：网址：电子邮箱：工业仪表与自动化装置 年第 期