（机械制造及其自动化专业论文）大回转筒体振动监测装置的研究.pdf

中文摘要 大回转简体振动监测装置的研究 研究生姓名：付月明 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 振动测试是实现状态监测与故障诊断的重要手段大回转筒体设备应用广泛且十分重要，由于 其筒体振动难以检测，设备的运行无法进行有效的监测与控制 论文针对国内大回转筒体缺乏振动检测手段的情况，在对筒体工况与振动检测深入研究的基础 上，开发出由数据采集器数据通讯器p c 机3 层结构组成的大回转筒体振动监测装置。 数据采集器负责接收p c 机的指令在恶劣的工作环境下对大回转筒体上的振动信号进行采样， 并保持通讯的可靠；数据通讯器负责进行数据无线传输与串行通讯问的转换，充当数据采集器与p c 机问的通讯桥梁；数据采集器与数据通讯器可以通过级联的方式进行功能扩展 装置以m s p 4 3 0 单片机为核心，通过振动加速度传感器采集大回筒体的振动信号。选用f r r 4 0 0 0 嵌入式模块进行数据采集器与数据通讯器问的无线传输，利用光电开关确定传感器的初始相位，采 用开关式i x ：- 0 c 转换器为传感器和装置提供电源。根据数据采集器与数据通讯器的不同功能，编写 了2 套单片机程序。此外在器件选型、软硬件设计上充分考虑了低功耗与抗干扰的要求，保证了 装置长期可靠地运行 装置为国内唯一l 套可以直接采集大回转筒体振动信号的振动监测装置，为大回转简体的状态 监测与故障诊断提供了硬件基础通过进行某球磨机料位检测试验，表明该振动监测装置达到了设 计要求 关键词：大回转筒体，振动监测，单片机，无线通讯，低功耗 英文摘要 r e s e a r c ho nav i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf o r c y l i n d e ro fl a r g er e v o l v i n gs o l i d b yf oy a e m i n g s u p e r v i s e db yp r o f n am m p m g s o u t h 倒u a i v e m i t y v i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i si st h em o s tc o m l n o l lm e a n so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s e q u i p m e n t sw i t hl 丑曙er e v o l v i n gs o l i da r fv e r yi m p o r t a n ta n da p p l i e d 谢d e l y 融a u o ft h ed t l r m a t yt o l e s tv i b r a t i o n0 1 1t h e i rc y l i n d c 璃i t sh a r dt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ee q u i p m e n t s t os o l v et h ed e f i c i e n c yo fm o n i t o r i n gv a b r a t i o no nc y l i n d e ro fl 觚寥r e v o l v i n gs o t i d , av i b r a t i o n m o n i t o r i n ge q u i p m e n tc o n s i s t i n go fd a t ac o l l e c t i n gd c v i a n dd a t ac o m m u n i c a t i o nd e v i c ei sd e , e l o p e d t h ed a t ac o l l e c t i n gd e v i c ei su s e dt ot e s tv i b r a t i o no i lc y l i n d e ru n d e rt h ei n s t i l l a t i o n so fc o m p u t e r , a n d k e e pt h em e a s u r e m e n t a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e l i a b l y t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nd e v i c ei sr e s p o n s i b l e t od i v e r td a t ab e t w e e nw i r e l e s si r a n s m i s s i o na n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n o t h c rm 喝c o n n e c t i n gd a t a c o l l e c t i n gd e v i c e si np m l l e la mb eu s e dt oe x p a n dt h e i rf l m c t l o l l t h ee q u i p 呲- mw h i c hi sb a s e do nm s p 4 3 0s e r i e sm c u ，l l l a s l l r c sv i b r a t i o l lo nc y l i n d e re n o u g h v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n 爱朗鼬佤p t r 4 0 0 0e m b e d d e dm o d u l ei ss e l e c t e dt od ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n l p h o t oe l e c t r i c i t ys w i t c hi su s e dt oa s c e r t a i nt h ei n i t i a lp o s i t i o no fs e n s o r s , a n dd c - d cc o n v e r t e ri sa d o p t e d t os u p p l ye n e r g yf o rt h es y s t e ma n ds c n s o l s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u l i c l i o i ib e t w e e nd a t ac o l l e c t i n g i m p l e m e n ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t , 2s o f t w a r ef o rm c u 玳p r o g r a m m e d i na d d i t i o n , d e s i g n f o rl o w - p o w e rc o n s u m p t i o na n dr e l i a b i l i t yi si n t r o d u c e d t h ee q u i p m e n ti st h eo n l y0 1 1 et h a t 锄d i r e c t l ym c g s l t l l v i b r a t i o no nc y l i n d e ro fl a r g er e v o l v i n gs o l i d i uo v e rt h ec o u n t r y i tp r o v i d e sh a d w a l r l eb a s et os u p p o r tt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f e q u i p m e n t sw i t hl a r g er e v o l v i n gs o l i d w i t ht h ea p p f i c a t i o nt ov e r i f yt h ef i l l i n gl e v e lo fc o a li nab a l lm i l l , t h er e s u l ts h o w st h ee q u i p m e n ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l e k c y w o r d s ：c y l i n d e ro fl a r g er e v o l v i n gs o l i d , v i b r a t i o nm o n i t o r i n g , m c u ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：幽监导师签名： 日 期：彰五7 第1 章绪论 1 1 课题意义 第1 章绪论 现代工业生产系统，如电力、石化、冶金及柔性制造系统等，规模越来越大，各生产环 节的联系也日益密切，形成了具有整体关联的生产链，并不断向高效、高速、大容量、高强 度、系统化、自动化方向发展。与之相应，关键设备故障停工损失及维修费用也大幅度上升 因而，提高设备运行的安全性、可靠性，减少维护费用和生产费用已成为工业过程关注的焦 点i 大回转筒体结构在大型机械设备中十分常见，为磨机、回转窑、混合机与其它设备的主 要部件国家标准规定：大于5 0 0 r a m 的尺寸为大尺寸大回转简体通常指筒体直径与长度 均大于5 0 0 r a m 回转型运动部件日前，大回转筒体的运行缺乏有效的检测与控制手段，其 在线监测一直是众多学者和科技人员致力研究的课题，也是国内当前尚未圆满解决的技术难 题【4 l 大回转体设备作为一种应用非常广泛而且十分重要的生产机械，日益向大型化、自动化 及复杂化发展，这样的关键设备一旦发生故障，往往会给生产带来巨大的影响，常常由于对 故障的出现值估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失，每年企业为了保证其正常运转的维 修费用，在企业的经营费中占有很大的比例同时大回转体设备又是一种耗能相当大的机械 设备以选矿厂中的磨矿机为例，有关资料统计表明，磨矿作业是整个选矿厂中能耗最大的 工序，磨矿工序的能耗一般占选矿厂能耗的3 0 , - 4 0 以上；在个别选矿厂中，磨矿工序 的能耗甚至占到选矿厂总能耗的。6 0 再如在众多的火力发电厂中，筒式低速球磨机是 制粉系统中常用的设备；对于中间仓储式制粉系统，球磨机的电耗高达厂用电的2 0 左右 因此大回转体设备的安全、高效、优化运行是企业的一个重要目标0 - 6 1 筒体是大回转体设备的主体部件，其部件总重量往往占设备总重量的一半以上，筒体的 寿命直接决定了设备整体寿命工作时筒体受介质重力、离心力、冲击力、大齿轮传动力矩 及自重以及筒体和衬板自重的作用，受力十分复杂，传统的经验计算方法往往对此无能为力 要想实施对大回转体设备的运行监控与故障诊断，必须准确、及时地了解其简体的运行 状况。目前。对筒体运行状况的监测主要采用间接检测的方法，如声响法、有用功率法与差 压测量法等这些方法要么实时性差，要么测量精度非常有限且不稳定在实际生产中难以 取得较好的应用效果究其原因，关键在于间接测量法不能直接拾取大回转简体的信号，也 就无法准确、及时地了解其运行状况i 1l 因此，直接测量简体的信号对大回转体设备的运行监控与故障诊断极为重要。大回转筒 体内的物科之间、物料与简体之间的相互碰撞会产生大量的振动信号，这些振动信号可以直 接反映出筒体的运行情况，测量简体上振动信号可以方便地对设备进行实时监控与有效的故 障诊断此外，与其他方法相比，振动诊断技术由于具有理论基础雄厚，分析测试设备完善， 分析结果准确可靠，便于实时监测等诸多优点机械设备和结构系统在运行过程中的振动及 其特征信息是反映系统状态及其变化规律的主要信号，通过各种动态测试采集系统拾取记录 和分析动态信号是进行系统状态监测的主要途径【1 ”川 东南大学硕士学位论文 大回转简体结构特殊，工作环境恶劣，直接对其运行状态进行监测非常困难。由于其回 转运动，数据无法进行有线的方式进行传输监测装置的供电只能依靠电池或无线方式提供： 筒体上的强振动、大噪声又对监测装置的抗干扰能力提出了严格的要求由于这些因素的限 制，在以往的实际生产中，传感器都没有安装在简体上直接对振动信号进行测量，而只有通 过测量设备轴承上的振动信号、出口差压、工作电流、温度等来间接检测。这样的测量方法 既不准确，也不及时。我们试图开发来一种可以将传感器直接安装在筒体上进行振动信号测 量的装置来解决这一问题 1 2 大回转体设备的筒体振动监测方法 1 2 i 常见的大回转体设备 磨机、回转窑与混合机是常见的3 种大回转体设备。磨机是在冶金、矿山、水泥、建材、 化工及电力等工业部门中广泛使用的机械设备在选矿厂利用磨机对矿石进行最后一段粉 磨，使有价矿物达到单体分离，更快更好地使矿石中的有价矿物得到富集；在磨制水泥生料 时，磨机不仅要粉磨石灰石、粘土及石膏等物料，而且还要将它们混合均匀；在化工用物料 及发电用煤粉的制作过程中，通过粉磨增加物料的表面积，为缩短物料化学反应的时间创造 了有利条件，因此，我们可以说磨机对电力、采矿和水泥等行业的正常运转起到非常重要的 作用 按照破碎介质的不同，磨矿机可以分为球磨机、棒磨机、砾磨机和自磨机球磨机的介 质是钢球或铸铁球，棒磨机的介质是钢棒，砾磨机使用的是磨圆了的硅质卵石，自磨机则是 用被磨碎物料本身作为介质在选矿工业中广泛使用的是球磨机和棒磨机，在水泥与电力工 业主要使用球磨机 按筒体形状不同可分为：短筒型磨机，筒体长度环大于简体直径d ，这种磨机在选矿 厂中被广泛采用；长筒型磨机，筒体长度l 一0 5 3 ) d ，广泛用于火电厂中；圆锥型磨机， 筒体长度l 一( o 2 5 1 ) o 由于该机充填率低，磨机利用率不充分，磨矿效率较低，所以目 前只有在少数选矿厂或其他工业应用；管磨机，筒体长度l - o 一6 ) d ，广泛地用于水泥 工业中【拉l s j 。 回转窑作为冶金和化学工业普遍使用的装置，在铁、铝、铜、锌、锡、镍、钨、铬等金 属冶炼过程中，回转窑主要用来对矿石、精矿、中间产物进行烧结、焙烧，对物料进行干燥、 加热( 或冷却) 、锻烧、还原、焙烧和烧结等机械、物理和化学处理；用回转窑将氢氧化铝焙 烧成氧化铝：用回转窑生产苏打，锻烧磷肥、硫化钡等；在碳素制品生产中缎烧原料 在使用回转窑的水泥生产中，回转窑用来锻烧水泥熟料、粘土、石灰石和进行矿渣烘干 等。在化学工业和耐火材料等工业部门，回转窑设备也有着广泛的应用我国是世界上使用 回转窑数量最多的国家之一1 1 冽 混合机，是现代烧结厂占统治地位的大型混合设备，它通过混匀、润湿、制粒为烧结系 统提供成份均匀、水份适宜、透气性良好的混合料，其运行工况极大程度上决定着烧结矿的 产量和质量在饲料加工机械中，它直接关系到最后的饲料产品的质量。混合机在其它工业 领域中也有着广泛的运用1 2 l 捌 1 2 2 国内外大回转筒体振动测量的现状 目前对大回转筒体的监测主要采用间接测量的方法，即测量简体的声响、筒体轴承的振 2 第1 章绪论 动、筒体的有用功率与进出口压差等，直接对简体的振动信号进行测量的实例较少。 在国内，对大型多支承回转窑运行轴线快速检测时，采取过直接测量简体的振动信号的 方法。具体做法是在回转窑筒体下面两个径向应变为零的方向安装非接触式位移传感器，对 安装在筒体上的键相进行测量，由测得的位移值计算出该位置截面的回转中心这样，可以 快速检测筒体的运行轴线 武汉理工大学的周志鹏提出了基于激光位移传感器测量系统的设计方案。可以直接测量 回转窑简体的表面形状，进而监测筒体的运行状况 南非某研究所通过在磨机内安装压力传感器，为确定磨机负荷提供了一种新的方法该 方法是在磨机内衬上安装能测定径向压力和切向压力的传感器，压力传感器测得的信息送入 微机进行频谱分析得到磨机的工作状况。 压力传感器法的难点在于检测系统的数据传递。国外采用无线电发射到微机进行接收， 并由微机进行全面的分析与控制，整个系统的报价高达3 0 万美元压力传感器法不仅系统较 为复杂，维护不便，而且成本也远远超出我国各企业的承受能力，因而没有在国内推广应用。 美国的p e n t a 公司开发了一套可以直接测量球磨机滚筒声音信号的装置，也是采用无 线电发射数据到微机进行接收其价格也相当昂贵，在国内没有推广应用 通过非接触式位移传感器、激光位移传感器可以实时了解简体的位置，但对筒体内物料 之间、物料与筒体之问的撞击而产生的振动不敏感，无法全面了解筒体的运行情况。利用压 力传感嚣、声音传感器可以直接监测筒体的运行情况，但由于缺乏必要的振动信号，监控手 段单一此外，由于这些国外产品价格昂贵，在国内难以推广大部分情况下，国内外对大 回转筒体的振动监测主要采取测量其轴承上的振动信号。这种间接测量方法不能准确监测筒 体的振动情况，应用效果并不理想因此，我们试图开发一套振动监测装置，可以让振动传 感器直接测量设备的大回转简体上的振动信号 2 3 - 3 5 1 1 3 振动信号的测量 1 3 1 振动信号的分类 振动测量是机械动力学的一个重要分支，是机械动力工程应用的一个极为普遍的方面。 任何机械、机构、零件及其组成部分，都会产生机械振动。在生产和科学试验中，机械振动 是普遍存在的现象。 为了研究和认识振动，首先必须将振动分类，并掌握表征振动量的不同方法和评价标准。 振动测量的类型非常广泛，有各种不同的分类方法按照结构振动的类型分，可以分为确定 性振动和随机振动 确定性振动的测量是通过幅值分析、时域分析和频域分析得到表征振动参量的数据，主 要有：结构振动的各种幅值( 峰值、有效值、平均值、瞬时值等) ；振动的主要谐波分量 的频率与幅值；各个谐波分量的幅值比较：各个振动信号的相互关系；结构系统的阻 尼系数等 随机振动从时间历程上看是杂乱无章的，它没有确定的周期，而且振动幅值和时间也没 有一定的关系研究随机振动，主要是考虑概率和统计因素，需要通过幅域分析求出幅值 概率密度函数；通过时域分析求相关函数( 相关分析) ；通过频域分析得到功率谱密度( 谱 分析) 3 东南大学硕士学位论文 1 3 2 振动信号的测量方法 振动测量的任务是利用现代测试手段，对机械结构振动进行测量芳对测得的信号作进一 步的分析，以获得该结构的振动特性，从而判断该结构的动态特性 按照振动测量的目的分，可以分为：振动基本参量的测量，如测量结构某点的加速度、 速度和位移的幅值、频率响应等；结构动力特性的测量，如测量结构的固有频率、阻尼以 及刚度等；随机振动统计特性的测量，如测量随机振动的功率谱密度、幅值概率分布密度 等 振动信号基本参量一般是指振动位移、振动速度和振动加速度这三种量。三者之间存在 着确定的微分或积分关系，因此，从理论上看，只要知道其中一个信号量，便可以通过软件 计算或硬件上的积分电路和微分电路得到其他两个运动量。 振动信号基本参量的测量，按振动信号转换后的形式可分为三类：机械测试法，光测法 和电测法。 机械测试法利用杠杆结构进行放大，把振动波形通过笔尖直接记录到运动的纸带上。这 种方法抗干扰性能比较强，结构简单，频率范围和动态线性范围窄，但是灵敏度低，测量的 振幅不能太小主要用于低频大振幅振动以及扭转振动的测量 光测法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测 量。例如：利用光的干涉原理和激光的多普勒效应进行测量，这种方法的测量精度高，适合 于非接触测量；利用激光单色性好，波长稳定性好等特点测量微小振动；利用激光能量集中， 准直性好的特点，可进行远距离位移测量等。这些方法不受电磁场干扰，测量精确度高，适 用于对质量和体积小、不易安装传感器的试件作非接触测量，在精密测量和传感器、测振仪 的校准、标定中用的较多 电测法的原理是将被测振动信号转换成电信号，电信号经过系统放大或衰减后，并进行 测量、记录与分析这种方法灵敏度高，测量范围广，频率范围和动态性范围宽，便于分析 和控制，但是这种方法易受电磁场的干扰目前广泛使用的是电测法，本论文中所设计的球 磨机振动监测装置就是基于电测法的原理对振动信号进行测量的。 在工业生产中，实际机械结构中零部件有规律的旋转、往复和冲击等运动所引起的振动 都是或近似是确定性振动，对于这类机械结构的振动，重点是对振动基本参量的测量，所以 本论文主要任务是确定性振动的基本振动参量的测量i 络n 1 1 4 本文主要研究内容 本论文的主要研究任务是在振动信号检测系统软硬件技术发展的基础上，进行大回转筒 体振动监测装置的研制在开发过程中，根据球磨机的运行特征，对其振动监测的关键技术 进行了研究并开发出国内唯一1 套可以直接测量大回转简体振动信号的监测装置该装置 能够在强振动、大噪声的恶劣环境下正常工作，所采集的振动信号为大回转体设备的故障诊 断与优化控制提供了依据 具体研究内容如下： ( 1 ) 大回转筒体振动监测装置的总体设计 设计了数据采集器数据通讯器p c 机三层结构模式，分别完成振动信号的采集、 传输与分析功能 ( 2 ) 装置的硬件设计 4 第1 章绪论 数据采集器一1 套包含采样控制、信号调理、a d 转换、无线收发与电源管理的电路 系统。此装置用于接收计算机的控制命令。采集简体上的振动信号，并将数据以无线的方式 传送 数据通讯器一1 套既可以无线收发，也可以与计算机通讯的电路系统。此装置用于无 线数据传输与串口数据传输间的转换，充当计算机与数据采集器的通讯桥粱。 ( 3 ) 装置的软件设计 数据采集器软件部分一1 套单片机程序，包括系统初试化、采样控制、无线收发与看 门狗模块，配合硬件实现数据采集功能。 数据通讯器软件部分一l 套单片机程序，包括系统初试化、无线收发与串口通讯模块， 配合硬件实现数据传输功能。 通讯协议为数据采集器与数据通讯器间的无线传输、数据通讯器与p c 机之间的串 行通讯制定格式标准 5 东南大学硕士学位论文 第2 章振动监测装置总体设计 本章在首先对振动监测装置的需求进行分析，提出具体的设计要求；然后设计了数据采 集器数据通讯器p c 机三层结构模式，分别完成振动信号的采集、传输与分析功能； 最后确定了关键的传感器、单片机、r f 模块与电源模块的型号 2 1 装置的功能要求与设计流程 2 1 1 装置的需求分析 获取大回转简体的振动情况，需要振动传感器；实现在筒体转动到某个特定角度的 采样，要求确定采样装置与传感器的初始相位，需要接近开关：传感器安装在筒体上，要 求能够控制其采样，需要一个可编程的控制核心；传感器采集的数据需要进行信号调理才 能进行下一步的处理，需要包括滤波、放大等功能的信号调理电路：传感器输出的模拟信 号要转换为数字信号才能进行保存、传输等操作，需要d 转换；采样的数据需要传给 计算机进行分析，就需要双向无线收发模块：各个模块正常工作所需的电压电流各不相同， 就需要电源管理；装置采用电池供电，要满足低功耗要求也就是说需要为传感器设计 1 套包含采样控制、信号调理、a d 转换、无线收发与电源管理的电路装置( 数据采集器) 传感器采集的信号经无线发送后无法直接为计算机所得，计算机的命令也需要通过无线 通讯方式来控制传感器工作，这就需要设计1 套可以无线收发，也可以与计算机通讯的电路 装置( 数据通讯器) 有了硬件基础，就要对数据采集器与数据通讯器的单片机编写程序数据采集器的软件 需要自我检测、实现初始位置判断、采样控制、数据暂存、无线通讯与数据校验等功能；数 据传输器的软件需要实现无线通讯、串行通讯与数据校验的功能两者既有相同的部分，又 有不同的部分，可以采用模块化设计，对两个单片机分别编写程序 2 1 2 装置的设计流程 在进行设计之前，首先要明确设计任务，然后把设计任务转化为量化的技术指标。结合 振动监测装置的设计，这些技术指标主要包括： ( 1 ) 由设备的结构、安装要求与工作环境选择合适的传感器； ( 2 ) 由信号的频率决定的采样频率； ( 3 ) 由采样频率完成最复杂的算法所需最大时间及对实时程度的要求判断装置能否完 成工作； ( 4 ) 由数据量及程序的长短选择合适片内随机存储器( 黜蝴) 的容量； ( 5 ) 由装置所要求的精度选择合适中央处理器( a u ) ； ( 6 ) 根据装置是计算还是控制用来决定对输入输出端口的要求； ( 7 ) 根据装置的连接方式决定信号传输的传输方式： ( 8 ) 根据装置的功耗与工作方式选择合适的供电形式。 当然在产品选型时，还须考虑：成本，供货能力、技术支持( 资科、第三方部门) 、开 发系统( 开发系统可能很贵，这时还要考虑成本) 、体积、功耗等1 4 2 1 6 第2 章振动检测装置总体设计 在选型完成以后，就可以进行装置的软硬件的设计过程了关于装置的详细设计流程见 图2 1 图2 - 1 装置的设计流程 2 1 3 装置的技术指标 整个装置功能要求与技术指标如下； ( 1 4 个振动传感器，要求测量幅值大，频响范围宽； ( 2 ) 1 个接近开关，要求可以监测非金属材料，能够在有灰尘的环境下正常工作； ( 3 ) 采样频率达到4 通道6 0 k h z 以上，a d 位数1 2 位以上； ( 4 ) 抗混滤波，原始信号在进入模数转换器( a d c ) 之前，需要去除一些噪声信号， 以提高装置的精度； ( 5 ) 至少8 k b 的r a m ，可以存储2 通道2 0 4 8 点采样数据： ( 6 ) 1 0 m 内的无线通讯，能够长时间、稳定的进行高速的双向数据传输； ( 7 ) 1 0 位l 幻接口，至少2 个外部中断接口，用于无线模块与接近开关接口； ( 8 ) 串行通讯，通讯速率5 7 6 0 0 b p s 以上： ( 9 ) 装置供电模块，为传感器提供恒压恒流供电，为芯片提供3 v 工作电压 2 2 装置的总体结构 连续振动监测装置需要对多路瞬态模拟信号进行检测，由于这类信号持续时间短，监测 装置必须在一定的响应时问内对其进行采集，实时采集的同时，还要实现波形的实时显示、 数据的实时存贮，可见实时性是连续振动监测装置必须具备的一个特征 本文采用常用的上下位机的系统模式来实现连续的振动监测即以p c 机为上位机， 负责进行数据处理与频谱分析，下位机为以单片机为c l u 的数据采集器，负责数据采集， 7 东南大学硕士学位论文 并带有一定容量的r a m ，这样，当数据采集转换完成后，单片机将数据存储进r a m ，在 r a m 写满时，再由单片机通知上位机取走数据这种小型分布式监测系统大大扩充了连续 采集的时间与数量，单片机不仅可以完成数据采集的任务还可以做一些简单的检测或转换， 进一步减小p c 机的运作负荷，但上下位机的系统模式安装复杂，需要分别编写两套程序， 软硬件成本都比较高。 由于大回转简体振动监测装置的数据是通过无线方式进行传输的，而p c 机无法直接接 收无线信号；因此，整个监测装置采用了数据采集器数据通讯器一p c 机3 层结构设 计数据采集器用于接收计算机的控制命令，采集筒体上的振动信号，并将数据以无线的方 式传送；数据通讯器用于无线数据传输与串口数据传输间的转换，充当计算机与数据采集器 的通讯桥梁；p c 机用于串口数据接收，振动数据存储与分析3 者相互联系，共同工作， 装置的总体结构见图2 2 图2 - 2 装置总体结构 考虑到监测对象的广泛性与复杂性，采样频率、通道数、采样长度与数据通讯速度等要 求可能各不相同，需要装置有很好的灵活性和可扩展性可以采用级联的方式：即多个数据 采集器并联，同时对应多个数据通讯器；每对数据采集器与数据通讯器可以独立进行振动信 号采样与数据传输。这样，可以同时对很多个振动点的进行实时监测，而不影响采样频率、 采样长度与传输。大回转筒体振动监测装置级联结构见图2 - 3 8 碡 徊 讯=墅 母 第2 章振动检测装置总体设计 图2 - 3 振动监测装置级联结构示意图 每对数据采集器与数据通讯器间的无线通讯使用不同的频段；数据通讯器与p c 机间的 串行通讯也使用不同的串口这样，多个数据采集器的采样与数据传输互不影响，可以大大 扩展装置的采样通道数与采样长度，而不影响采样频率与数据传输速度。数据采集器之间可 以相互传送同步信号，以保证某些场合要求的同步采样功能。 2 3 关键器件选型 2 3 1 振动传感器选择 设备振动信号的测量要依靠传感器，目前在这一领域广泛使用的传感器有： ( 1 ) 涡流式位移传感器；工作原理为高频电流传到传感器的线圈后将产生高频磁力线， 此时如果有一个金属片接近该磁场，则该金属片的表面将产生电涡流，涡流强弱随金属片到 线圈的距离变化而变化，这同时会引起传感器线圈阻抗的变化，从而改变传感器的输出电压 ( 2 ) 磁电式速度传感器；当导体切割磁力线的时候。会产生一个于运动速度成正比的 电动势，磁电式速度传感器就是根据这个原理来工作的 ( 3 ) 压电式加速度传感器；当一个外力作用在石英晶体上时，就会产生一个和外界力 成正比的电荷，这就是。压电效应”当把振动力加到晶体上时，就可以得到于加速度成正 比的电压输出 大回转筒体上的振动信号由钢球、煤块与简体衬板间的撞击产生，具有振动剧烈，频带 较宽等特点：根据其冲击振动信号的特点，应选用压电式加速度传感器 本论文选用某公司的振动加速度传感器，其测量幅值i o o g ，+ _ 3 d b 的频率范围为o 4 1 5 k h z 传感器要求恒压恒流供电，供电电压范围1 8 - 2 8 d c ，电流范围2 , 1 0 m a 其各参 数满足要求。 2 3 2 接近开关选择 大回转简体上的振动强度在不同角度上的差别很大为了获取最理想的振动信号，需要 选择特定角度进行采样。因此，要求装置能够确定采样装置与传感器的初始相位，再设定恰 当的延时，就可以使得振动加速度传感器在最合适的角度采样以取得最好的采样效果；也就 是说，需要接近开关以确定初始相位。目前常用的接近开关有以下几种：高频振荡型，用 以检测各种金属体；电容型，用以检测各种导电或不导电的液体或固体：光电型，用以 检测所有不透光物质；超声波型，用以检测不透过超声波的物质；电磁感应型，用以检 测导磁或不导磁金属。 对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在装 置中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则： ( 1 ) 当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、 a 3 钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低 ( 2 ) 当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型 接近开关 ( 3 ) 金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型 接近开关 9 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开 关或霍尔式接近开关 基于以上原则，本论文选择三菱公司的a 1 妤6 5 4 2 8 浸反射光电开关作为振动监测装置的 接近开关 光电开关是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有 无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。漫反射光电开关是一种集发射 器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光 线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号光电开关工作需要6 v 一- 3 6 v 供电，其 作用距离较远，特征有： ( 1 ) 辨别不透明的物体； ( 2 ) 借助反射镜部件，形成高的有效距离范围； ( 3 ) 较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位； ( 4 ) 不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中 2 3 3 单片机选型 单片机是整个电路的核心，采样控制、数据暂存、数据通讯等都需要由单片机来协调 本项目要求单片机可在线编程，尽量地低功耗，具有较大的r a m ，最好自带高精度的a d 单片机的选择在整个装置中的设计中至关重要，传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的 电流，无法满足装置低功耗的要求 表2 - 1 主流单片机性能比较 可以看出，在低功耗、数据存储器容量与a d 位数等指标上，m s p 4 3 0 系列单片机具有 明显的优势。而且m s p 4 3 0 被业界认为是未来单片机发展的趋势，前景广阔，为本文所选用。 该系列单片机为1 6 位超低功耗单片机，且内部集成了a d 转换器，特别为智能式仪表、 电池供电便携设备而设计。它具有独特的超低功耗设计，具有5 种低功耗模式；尤其对于电 池供电的装置而言，m s p 4 3 0 系列单片机的低功耗工作模式的有点更加明显，见图2 _ 4 。在 各种低功耗模式与活动模式之间可快速由指令进行切换，这就给低功耗仪表设计带来了很大 的方便i 叫 1 0 第2 章振动检测装置总体设计 图2 - 4m s p 4 3 0 低功耗工作模式 m s p 4 3 0 系列单片机包括x ) 【 ) 【3 x x , x4 x x 几个子系列，m s p 4 3 0 的每一个系列还分 为r o m ( c 型) 、o r p ( r 型) 、凹r o m ( e 型) 、f l a s hm e m o r y ( f 型) 4 种型号其中，m s p 4 3 0 f 1 6 u 单片机为工业级，运行环境温度为一4 0 + 8 5 其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位； 具有捕获功能的定时器t m a e r - - a 可以测量机组频率信号：定时器t n n e r - b 可以产生p w m 信号驱动数字阀l 串行通信口u a r t o 支持p c 协议，可以扩展e e p r o m 数据存储器；串 行通信1 2 1u a r t i 可以实现多机通信：1 2 位2 0 0 k b l , s 的a d 转换器：6 x 8 条i o1 2 1 线，而且 l o 口线具有中断能力应用，可以用于开关量的输入输出此外，其在线编程与调试功能， 大大方便了软件的编写 2 3 4 无线传输模块选型 数据采集器与数据通讯器间要通过无线方式来交换数据。由于大回转简体体积较大且在 不断运转之中，无线传输需要较长的距离；同时，由于单片机自带的r a m 容量有限，采集 来的数据需要及时发送，无线传输需要较快的速率；无线传输还需满足装置的低功耗要求， 并且尽量的简便、经济。现在市场上的短距离无线传输方案主要有两种选择：蓝牙方案和 n r f 方案州 表2 - 2 短距离无线通讯方式比较 由上表可以看出，在通讯速率、功率等指标上，蓝牙方案与n r f 方案基本相同；在安 全性、收发方式与多机通讯等指标上，蓝牙方案优于n r f 方案；而在硬件设计、接口方式、 1 1 东南大学硕士学位论文 编程、通讯距离与开发成本上看，n r f 方案优于蓝牙方案。从本装置的特点出发，选择n r f 方案 本论文选择由迅通开发的，基于n o r d i c 公司n r f 2 4 0 1 芯片的i t r 4 0 0 0 无线嵌入模块来 完成数据采集器与数据通讯器间的双向通讯。i t r 4 0 0 0 使用2 4 g h z 全球开放l s m 频段，免 许可证使用：最高工作速率1 m b l 晒，抗干扰能力强；内置1 2 5 频道，满足多点通信及跳频需 要；内置硬件c r c 纠检错和点对多点通信地址控制：低功耗1 9 - 3 6 v 工作，内置2 4 g h z 天线，体积小巧；模块可软件设地址，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，见表 2 3 表2 3i t r 4 0 0 0 基本参数表 参数数值 工作频率 稳频方式 镇频方式 最大发射功率 最高通讯速率 接收灵敏度 工作电压 发射电淀( 峰值) 接收电流( 峰值) 掉电模式功耗 2 3 5 装置的电源选择 大回转筒体振动监浏装置由电池供电，为了保持一定的持续工作时间，对低功耗的要求 很严格。 尺寸和成本的限制基本决定了电池的节数，这对于电源设计是一个潜在的制约因为电 池节数限制了电源的工作电压范围，直接影响电源管理电路的成本和复杂程度。设计时需要 考虑尺寸、重量、成本、上电时序、工作效率( 电池工作时间) 等很多的因素，不同产品对以 上指标的要求会有不同的侧重点，所以只能根据产品的不同需求选取不同的电源管理芯片， 设计不同的电源管理模块 常用的电源转换电路主要有：开关式d e - d e 转换器、线性稳压器、电荷泵等等它们的 主要特点如下： ( 1 ) 开关式d c - i ) c 转换器：利用调宽或调频脉冲开关导通或关闭，通过调节储能元 件一一电感的充放电时间，达到调节输出电压的目的。随着集成度的不断提高、很多d c d c 转化器的外围电路仅仅需要电感和电容。d c - d c 转换器最大的特点是输出电压多样化， 可以单组输出，也可以多组输出；输出可以升压、降压，也可以反相。其转换效率高，但存 在电磁噪声，静态电流和输出电压的纹波较大，电路较复杂等缺点 ( 2 ) 线性稳压器：线性稳压器的突出优点是具有低降落电压，静态电流较小，输出电 压纹波很小，能以较小的输出电容应付负载变化，它的外围器件简单，通常只有一两个旁 路电容，但是其效率与输入电压有关，往往不能够最大限度的利用电池效能因此当装置的 输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可以达到较好的效率为装置提供 一一眦一从 第2 章振动检测装置总体设计 较长的电池寿命 ( 3 ) 电荷泵：基本的电荷泵电路最大优点是不存在电磁噪声、外接元器件简单、一般 只需几个电容，体积较小、成本低，能够提供百分之九十五的效率；但是存在开关噪声、带 载能力差，一般负载电流为1 0 m a - 1 0 0 m a 所以，在传统的设计中电荷泵结构很少与电池 直接相连而是用于产生装置的辅电源，为小电路模块或某一器件供电1 4 5 - 托i 装置用3 节n i - h 电池供电，输入电压+ 2 8 v + 3 6 v ，输出需要+ 3 3 v , + 2 4 v ，输入输出 电压的关系是升，降压、同相d c - d c 转换器的效率较高，带载能力较强，我们选择d c - d c 升压芯片m 【6 6 9 与d 似恒压芯片m a x l 7 0 5 作为装置的电源。 2 4 装置的硬件结构 硬件系统分为2 个部分：用于信号采集的数据采集器与用于与计算机通讯的数据通讯 器。由于数据采集器与数据通讯器有许多相类似的功能，从设计的经济性考虑，将2 个部分 的硬件设计成一样的，只是单片机的软件编程不同。 电路系统采用模块化设计，分为单片机模块、传感器供电模块、信号调理模块、串口电 平转换模块、有效值测量模块、系统电源模块与无线通信模块7 个部分，电路系统框图见图 2 - 5 图2 - 5 电路系统框图 ( 1 ) 单片机模块是整个硬件电路的核心，选用m s p 4 3 0 n 6 n 单片机，包含a d 、r a m 、 l 朐口与串行通讯接口；对数据采集器而言，可通过软件编程来实现系统的采样控制、模数 转换与数据暂存等功能；对数据通讯器而言，可通过软件编程来实现无线数据与串口数据间 的转换； ( 2 ) 传感器供电模块，为振动加速度传感器提供2 4 v 、3 m a 恒压恒流电源，为光电开 关提供2 4 v 恒压供电： ， ( 3 ) 信号调理模块，对传感器的输出信号进行抗混滤波与信号放大等处理； ( 4 ) 串口电平转换模块，进行t 】几电平与r s 2 3 2 电平间的转换，实现数据通讯器与 计算机之间的串行通讯： ( 5 ) 有效值测量模块，测量振动信号的有效值，为数据分析提供重要参数； ( 6 ) 系统电源模块，负责整个数字电路与模拟电路的供电，为各芯片提供+ 3 3 v 恒定 工作电压； ( 7 ) 无线通信模块，选用p t r 4 0 0 0 无线嵌入模块实现数据采集器与数据通讯器间较长 1 3 东南大学硕士学位论文 距离、较高速率的无线数据传输。 2 5 装置的软件结构 数据采集器与数据通讯器实现的功能既有相同的部分，又有不同的部分，这就需要对两 者的单片机分别编写程序 2 5 1 数据采集器软件流程 数据采集器的软件包含系统初始化模块、模数转化模块、d m a 模块、采样触发模块、 无线通讯模块与数据校验模块6 个部分，其软件流程见图2 - 6 圈2 - 6 数据采集器软件漉程图 ( 1 ) 系统初始化模块：根据m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机的特点，上电后确定系统的时钟，同 时对单片机的内部资源与i 船口进行必要的初始化； ( 2 ) 模数转化模块：利用单片机自带的a d ，选择合适的采样触发方式，编写灵活的 模数转化程序；对片内的定时器编程，选择合适的工作模式，通过中断的形式，实现准确、 灵活的采样触发； ( 3 ) d m a