基于STM32的礦用電機軸承振動監(jiān)測儀*

鞠 晨

(國能神東煤炭技術(shù)研究院,陜西 神木 719315)

0 引 言

電機是旋轉(zhuǎn)機械的核心部件。電機一旦發(fā)生故障,將會直接影響旋轉(zhuǎn)機械的正常工作。軸承是電機的重要組成部分,軸承故障是電機故障的主要因素之一。

目前常見的電機軸承故障分析方法基本是采用傅里葉變換、小波變換等算法,對振動、聲音等信號進行信號變換和濾波處理[1]。其中,振動信號由于對大多數(shù)故障敏感程度高而成為電機軸承故障診斷研究最常用的數(shù)據(jù)信號[2,3]。

DU Y等人[4]基于軸承振動信號,提出了一種基于稀疏時頻圖像紋理特征提取的滾動軸承故障嚴(yán)重程度監(jiān)測方法,該方法可克服傳統(tǒng)時頻分析方法中分辨率低和易被交叉項干擾等缺點;但其所用數(shù)據(jù)均為實驗室環(huán)境的理想數(shù)據(jù)集和單一故障數(shù)據(jù)集,對軸承實際運行過程中遇到的復(fù)雜工況與干擾的適應(yīng)性差。劉波等人[5]將連續(xù)隱馬爾可夫模型與粒子群優(yōu)化算法支持向量機相結(jié)合,對滾動軸承進行了剩余壽命預(yù)測;但其所用數(shù)據(jù)均為來源于辛辛那提大學(xué)的實驗室的理想數(shù)據(jù)集,因此其結(jié)果的說服力不強。王奉濤等人[6]提出了一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和堆疊稀疏自編碼器的滾動軸承故障診斷方法;但該方法同樣不適用于現(xiàn)場實際工況下存在強背景噪聲的軸承故障診斷。

由此可見,現(xiàn)有關(guān)于軸承故障振動的研究往往基于實驗室理想數(shù)據(jù),而缺少現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)支持。此外,關(guān)于軸承故障的研究大部分集中于汽車、船舶、航空等領(lǐng)域。在煤礦領(lǐng)域,由于環(huán)境惡劣,現(xiàn)場振動信號難以獲取,導(dǎo)致相關(guān)研究極為缺乏[7,8],故亟需研究一種可以快速、準(zhǔn)確地采集礦用電機軸承振動信號的監(jiān)測儀。

在煤礦領(lǐng)域,目前大部分的軸承振動采集系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)采集卡或可編程邏輯控制器(PLC)研發(fā)的。

何曉[9]選用NI6143同步數(shù)據(jù)采集卡,基于工控機和LabVIEW平臺,開發(fā)了主扇風(fēng)機軸承振動采集裝置;但由于數(shù)據(jù)采集卡成本較高,使其難以得到大規(guī)模應(yīng)用。類似地,以數(shù)據(jù)采集卡和工控機為核心,針對礦井提升機、主排水泵、通風(fēng)機等煤礦大型機電裝備,北京中礦四邁科技有限公司開發(fā)了設(shè)備振動在線與分析監(jiān)測系統(tǒng),并獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步獎三等獎[10];但該系統(tǒng)也存在成本較高的問題。張金貴[11]以PLC技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合組態(tài)軟件,對礦井主通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究;但由于采用PLC難以采集高頻率振動原始信號,使得此類監(jiān)控系統(tǒng)只能用于門限式報警(基于振動幅值),不能用于故障診斷方面的研究。

因此,筆者研發(fā)基于STM32的礦用電機軸承振動監(jiān)測儀,以解決現(xiàn)有振動監(jiān)測儀成本高,且大部分振動監(jiān)測系統(tǒng)所采集的振動信號精度不足,難以用于礦用電機軸承故障診斷的問題。

1 監(jiān)測儀總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

筆者所設(shè)計監(jiān)測儀功能如下:

1)采集電機軸承振動信號,可實現(xiàn)兩種工作模式。模式一:監(jiān)測儀實時采集振動信號,處理特征值并上傳至上位機,若特征值變化過大,則報警;模式二:上位機發(fā)出廣播信號,各監(jiān)測儀采集一段時間內(nèi)的振動信號,然后上傳給上位機;

2)依據(jù)上位機指令執(zhí)行工作模式切換、設(shè)備參數(shù)查詢與修改、設(shè)備狀態(tài)修改、信號燈報警等功能;

3)采用按鍵實現(xiàn)模式切換和復(fù)位功能。

1.2 總體架構(gòu)

監(jiān)測儀總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 監(jiān)測儀總體設(shè)計

由圖1可見:筆者設(shè)計了包括最小系統(tǒng)電路、信號采集、存儲、通信、人機交互與電壓轉(zhuǎn)換,6個模塊的監(jiān)測儀硬件電路。

其中:信號采集模塊包括振動傳感器和AD轉(zhuǎn)換模塊;存儲模塊包括可編程存儲器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)和外部靜態(tài)存儲器(static random-access memory,SRAM);通信模塊包括CAN通信模塊和串口模塊;人機交互模塊包括信號指示燈和按鍵模塊,供設(shè)備調(diào)試使用;電壓轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)12 V轉(zhuǎn)5 V和3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換,為其他模塊提供電源。

1.3 通訊指令設(shè)計

根據(jù)接受到的上位機的一系列指令,監(jiān)測儀實現(xiàn)采樣頻率和設(shè)備地址的更改、設(shè)備復(fù)位與暫停等功能。其指令格式為:數(shù)據(jù)長度-設(shè)備地址高位-設(shè)備地址低位-指令代碼-數(shù)據(jù)。指令分為所有設(shè)備有效指令和單臺設(shè)備有效指令。所有設(shè)備有效指令以ID 0x0000命名。

請求指令碼設(shè)計如表1所示。

表1 指令I(lǐng)D 0x0000請求指令碼

所有設(shè)備有效指令是上位機通過CAN總線發(fā)送一個最高優(yōu)先級指令,所有設(shè)備均可接收;指令具有“查看幫助手冊”、“查詢設(shè)備ID”、“復(fù)位所有/當(dāng)前設(shè)備”、“暫停所有/當(dāng)前設(shè)備”功能。

單臺設(shè)備有效指令以ID 0x0001命名,請求指令碼設(shè)計如表2所示。

表2 指令I(lǐng)D 0x0001請求指令碼

表2中所述地址均由地址高位和地址低位組成,單臺設(shè)備有效指令是在指令中含有設(shè)備地址信息,只有地址校驗一致的設(shè)備才接收該指令,并根據(jù)指令中的具體信息執(zhí)行相應(yīng)功能;指令具有切換“模式一:頻率值上傳”、“模式二:原始數(shù)據(jù)上傳”、“復(fù)位/暫停設(shè)備”、“修改采樣率/波特率”、“修改當(dāng)前設(shè)備ID”的功能。

1.4 采樣頻率

為了更精確地采集到振動原始波形,且考慮到電機軸承振動數(shù)據(jù)的可靠性,筆者將監(jiān)測儀采樣率設(shè)置為振動最高頻率分量的5～10倍[12]。

2 硬件選型及電路設(shè)計

2.1 硬件選型

監(jiān)測儀主要元器件選型如表3所示。

表3 主要元器件選型設(shè)計

筆者選用了具有Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407-ZGT6微控制器,它具有外設(shè)資源豐富、運算速度快、功耗低、性價比高的特點[13];選用了具有8通道16位高分辨率的AD7606芯片,以處理±5 V和±10 V雙極性振蕩信號;選用了HK9143型單軸電壓輸出型加速度振動傳感器,可滿足頻率值上傳和原始數(shù)據(jù)上傳兩種工作模式[14];選用了AT24C02型可編程存儲器和IS62WV51216BLL-55TLI型外部靜態(tài)存儲器組成存儲模塊;選用了型號為TJA1042T/3的CAN芯片和Mini-B型通用串行總線(universal serial bus,USB)轉(zhuǎn)串口模塊組成通信模塊;選用了獨立式按鍵、發(fā)光二極管和型號為TK-6800-1的自鎖按鍵開關(guān)組成人機交互模塊。

2.2 電路設(shè)計

2.2.1 最小系統(tǒng)

電源電路部分由STM32芯片的VDD引腳獲取外部電源,并向備份域電路、內(nèi)核電路及AD電路3個區(qū)域供電;復(fù)位電路設(shè)計有系統(tǒng)復(fù)位、電源復(fù)位和備份域復(fù)位3種復(fù)位模式。另外,筆者設(shè)計了連接測試組電路,令計算機可直接控制Cortex-M4內(nèi)核,以提高開發(fā)效率。

2.2.2 信號采集和存儲電路

信號采集模塊采用AD7606芯片實現(xiàn)振動信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換,其電路原理如圖2所示。

圖2 AD7606芯片電路原理圖

由圖2可見:在筆者設(shè)計的信號采集電路中,芯片由5 V電源通過去耦電容和磁珠連接到AVCC引腳進行供電,同時VGND引腳接地;RANGE引腳決定模擬輸入范圍,并與STM32的PC11引腳相連;將CONVST A/B兩個引腳短接后與STM32的PC9引腳相連,以實現(xiàn)8通道同步采樣;將REF SELECT引腳接高電平,以實現(xiàn)內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源的使能。

在存儲模塊中,AT24C02型可編程存儲器具有2 KB存儲空間,采用集成電路互連通訊協(xié)議;IS62WV51216BLL-55TLI型外部靜態(tài)存儲器存儲空間為8 MB。

2.2.3 通信模塊和人機交互模塊

通信模塊實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)上傳功能,其中,CAN總線模塊電路圖如圖3所示。

圖3 CAN總線模塊電路原理圖

由圖3可見:筆者所設(shè)計的通信模塊由CAN_High和CAN_Low兩條信號線共同構(gòu)成一組差分信號線,通過CAN總線監(jiān)測儀接受上位機指令。

USB轉(zhuǎn)串口的電路圖設(shè)計如圖4所示。

圖4 USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖

由圖4可見:USB串口可通過USB接口提供5 V供電和串口通信;筆者采用CH340G型號的USB芯片,外接12 MHz晶體和振蕩電容;另外筆者還設(shè)計了USB接口保護電路,使用金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,MOS)場效應(yīng)管作為電源電路開關(guān),當(dāng)有外部電源時將斷開USB供電,防止出現(xiàn)灌電流。

人機交互模塊由獨立式按鍵和指示燈組成,筆者設(shè)置了復(fù)位按鍵和兩個模式的切換按鍵,并使用發(fā)光二極管作為信號指示模塊。

3 監(jiān)測儀程序設(shè)計

筆者基于模塊化理念設(shè)計了振動監(jiān)測儀軟件,主要包括主程序、AD采集子程序和CAN通信子程序。各程序模塊設(shè)計思路如下:

3.1 主程序

筆者將各模塊的初始化程序封裝為bsp_Init(),供主函數(shù)調(diào)用,其主函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5 主函數(shù)流程圖

由圖5可見:在設(shè)備初始化完成之后,進入工作模式標(biāo)識符檢測程序,工作模式標(biāo)識符Flag可由上位機指令和設(shè)備按鍵進行更改,當(dāng)Flag分別取1、2、3時,分別代表模式一(頻率值上傳)、模式二(原始數(shù)據(jù)上傳)和暫停模式。

在模式一時,系統(tǒng)執(zhí)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)置函數(shù),將頻率值設(shè)定為即將發(fā)送的數(shù)據(jù),隨后,執(zhí)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù),將數(shù)據(jù)上傳給集中分析平臺,藍燈亮;模式二同理。在每個While循環(huán)函數(shù)里均有模式檢測函數(shù)。

3.2 AD采集子程序

AD自動采集程序流程圖如圖6所示。

圖6 自動采集程序流程圖

筆者設(shè)計的AD采集程序主要功能為實現(xiàn)振動傳感器模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換,運行時需要先配置好輸入/輸出(general-purpose input/output,GPIO)引腳和靈活靜態(tài)存儲控制器并口的訪問時序,啟動CONVST轉(zhuǎn)換輸入引腳,使用TIM3_CH4輸出脈寬調(diào)制脈沖,觸發(fā)AD7606啟動AD轉(zhuǎn)換。之后,設(shè)置BUSY口線為下降沿中斷,在中斷服務(wù)程序保存AD轉(zhuǎn)換結(jié)果,使用AD7606_EnterAutoMode函數(shù)控制硬件工作在自動采集模式,將結(jié)果存儲在先入先出數(shù)據(jù)緩存器(first input first output,FIFO)緩沖區(qū)。

3.3 CAN通信子程序

CAN程序通信流程圖如圖7所示。

圖7 CAN通信流程圖

由圖7可見:筆者所設(shè)計的CAN通信子程序中首先需要對CAN通信引腳、CAN中斷程序、工作模式、篩選器進行設(shè)置,配置接收中斷優(yōu)先級,并且在進行數(shù)據(jù)傳輸之前需要將信息接收(receive message,Rx Message)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體初始化;然后,設(shè)置CAN的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容,將AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算或者轉(zhuǎn)換之后存放到數(shù)據(jù)幀的0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段中,該數(shù)據(jù)段中的內(nèi)容為監(jiān)測儀采集到的原始數(shù)據(jù)。

監(jiān)測儀若接收到上位機發(fā)送的工作指令,則會引起CAN接收中斷,并在中斷服務(wù)函數(shù)中從FIFO郵箱中讀取報文數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容匹配相應(yīng)指令,然后執(zhí)行該工作指令。

4 功能測試及應(yīng)用

4.1 實驗室系統(tǒng)功能測試

筆者搭建了監(jiān)測儀實驗平臺,并完成了上位機調(diào)試、CAN設(shè)備驅(qū)動安裝、串口驅(qū)動安裝、CANpro分析軟件安裝等工作,之后進行了監(jiān)測儀通信環(huán)境測試、監(jiān)測儀基本功能測試、AD采集模塊精度測試及設(shè)備信息修改功能測試。

振動信號測試的實驗平臺如圖8所示。

圖8 振動信號測試平臺

由圖8可見:筆者設(shè)計的實驗平臺由信號發(fā)生器、振動信號監(jiān)測儀和示波器組成。信號發(fā)生器選用RIGOL DG1062Z型信號發(fā)生器,能夠產(chǎn)生1 μHz～60 MHz,峰峰值為1 mVpp～10 Vpp的正弦波信號;示波器選用RIGOLDS2102A型示波器。信號發(fā)生器連接在采集裝置輸入端,用以產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號,示波器接在對應(yīng)通道的輸出端。

實驗中,筆者分別測試了頻率為10 Hz、20 Hz、25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz,峰峰值Vpp=1 V(幅值500 mV)的正弦波信號,共獲得6組波形圖。

采樣結(jié)果如表4所示。

表4 采樣結(jié)果表

測試結(jié)果表明:上、下位機可以有效地進行CAN通信,且模式切換和超限報警等基本功能正常;AD采集模塊可以較好地重現(xiàn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形,且頻率、幅值均與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號參數(shù)相近[15]。

其中:頻率最大誤差1.96%,平均誤差0.76%,幅值最大誤差3.6%,平均誤差2.57%,說明信號采集模塊精度良好,能有效收集振動信號;監(jiān)測儀的修改地址、波特率、采樣率參數(shù)等功能均正常。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

筆者開發(fā)的礦用電機軸承振動監(jiān)測儀已在神東煤炭公司上灣礦北風(fēng)井主通風(fēng)機電機上進行了應(yīng)用。通風(fēng)機為FBCDZ No36對旋軸流式風(fēng)機,電機為YBF630-10三項異步電機,其基本參數(shù)為:額定電壓10 kV、額定功率315 kW、額定轉(zhuǎn)速595 r/min、軸伸端軸承型號NU334ECM、尾部軸承型號NU228ECM。

傳感器安裝位置及實物圖如圖9所示。

圖9 傳感器安裝位置及現(xiàn)場實物

由圖9可見:筆者將振動傳感器安裝點設(shè)置在電機驅(qū)動端和尾部風(fēng)扇位置與外殼軸承座剛性連接部位,以保證所取得的軸承振動信號的可靠性。

雖然風(fēng)機中的2臺電機上均安裝了傳感器,但由于運行方式為同步運行,2臺電機運行信號相似,限于篇幅,以下筆者將以其中一臺電機驅(qū)動端采集到的信號為例進行介紹。

該電機使用監(jiān)測儀采集到的信號,將其經(jīng)包絡(luò)分析后得到的電機驅(qū)動端軸承包絡(luò)譜,如圖10所示。

圖10 二號電機輸出端軸承信號

由圖10可見:圖中峰值標(biāo)記點為電機轉(zhuǎn)速的倍頻,可用于判斷故障可能的位置[16](如軸表面裂痕、鑄造缺陷多反映在1倍頻,軸不對中反映在2倍頻等)。所測電機振動最高幅值出現(xiàn)在其1倍頻位置,為1.4 mm/s,且由于扇葉為9片,故9倍頻位置振動幅值相較于其他倍頻更高,與定期維修后發(fā)現(xiàn)的電機實際運行情況相符。

采用監(jiān)測儀所記錄的該電機振動歷史趨勢如圖11所示。

由圖11可見:采集歷史中電機振動峰值均未有超標(biāo)記錄,且由于主通風(fēng)機每個月進行輪換,故3月7日～4月7日采集振動信號接近于0,其間少量起伏為外界環(huán)境干擾所致,與實際電機運行情況相符。從而證明筆者研發(fā)的監(jiān)測儀可以正確采集振動信號且工作穩(wěn)定,能完成所設(shè)計的信號采集、模式切換、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

5 結(jié)束語

筆者通過對監(jiān)測儀的總體架構(gòu)設(shè)計、硬件選型及電路設(shè)計、專用軟件設(shè)計,研發(fā)了基于STM32的電機振動監(jiān)測儀,實現(xiàn)了電機軸承的振動信號采集、模式切換、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋１O(jiān)測儀與上位機之間通訊穩(wěn)定,共同組成了電機振動監(jiān)測系統(tǒng)。最后,筆者通過實驗平臺和現(xiàn)場應(yīng)用,驗證了該監(jiān)測儀具備采集振動信號的準(zhǔn)確性和運行的穩(wěn)定性。

研究結(jié)果表明:

1)該監(jiān)測儀能夠用于實時采集電機軸承振動信號,具有主動上傳振動特征值和根據(jù)上位機指令被動上傳原始振動數(shù)據(jù)這兩種工作模式,實現(xiàn)了根據(jù)上位機指令進行工作模式切換、設(shè)備參數(shù)查詢與修改、設(shè)備狀態(tài)修改、報警等功能;

2)監(jiān)測儀AD采集模塊可以用于較好地重現(xiàn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形,且頻率、幅值均與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號參數(shù)相近,其中頻率最大誤差1.96%,平均誤差0.76%;幅值最大誤差3.6%,平均誤差2.57%;

3)在神東煤炭公司上灣礦北風(fēng)井主通風(fēng)機電機上的應(yīng)用結(jié)果表明:該監(jiān)測儀運行穩(wěn)定,能夠監(jiān)測電機軸承振動并儲存歷史數(shù)據(jù),可為軸承故障診斷研究提供數(shù)據(jù)。

后續(xù)筆者還將結(jié)合具有沖擊脈沖[17]和振動信號輸出功能的雙T傳感器[18],針對軸承早期故障診斷進行研究,并基于Wifi和5G等無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)對監(jiān)測儀進行改進,拓展其適用場景。