基于PLC的碎煤机工况监控改造

南志文

(大同煤矿集团有限责任公司同家梁矿,山西大同)

0 引言

同煤集团塔山电厂一期输煤系统碎煤机运行期间由于机械磨损经常出现转子振动大、轴承温度高等故障,原有碎煤机监测系统采用单片机技术,抗干扰能力差,使用时间长,故障率高,已无法实施对碎煤机振动、温度情况实时监测,只能依靠设备维护人员现场采用温度检测仪、振动仪对设备进行测量,为了能够实时监测温度、振动数据,便于分析振动频谱,提供现场故障诊断资料,对碎煤机监测系统进行改造很有必要[1]。

1 碎煤机故障分析

环锤式碎煤机由于长时间连续运行,环锤及转子出现机械磨损后转子失去平衡,机械在运转中,其各构件由于磨损所产生的不平衡惯性力不仅将在运动副中引起附加的动压力,因而增大运动副中的摩擦和构件中的内应力,从而降低其机械效率和使用寿命,而且,由于这些惯性力一般都是周期性变化的,所以还必将引起机械及其基础产生强迫振动[2]。碎煤机转子工作在恶劣环境中,轴承由于转子的不平衡性容易损坏,其他驱动设备(如液力耦合器、电机等)也可能由于转子的不平衡性发生损坏,从而造成维修成本增大,如果不能及时发现振动原因,容易造成重大机电事故。

2 工作原理

碎煤机属于高速旋转机械,实时对碎煤机转子两端轴承进行监控十分重要。碎煤机实时监控系统的工作原理如下：监测系统采用两路温度传感器实时对转子两轴承进行测量并传输数据,振动传感器1、2、3、4分别测量两端轴承水平、垂直端数据,测得的数据经外围电路处理后传输到PLC 控制单元,PLC 对测得的数据进行计算后传输到上位机,上位机绘制温度、振动曲线图,PLC对超出正常值的数据标记并报警。

3 设计电路

表1 I/O分配表

图1 输入电路接线图

输煤系统有两台碎煤机,原有监测系统采用STC89C51 单片机,改造后系统采用西门子S7-200PLC,原有系统只能测量一台碎煤机温度、振动情况,为了提高监测系统的可靠性,节约系统运行成本,提高plc I/O 点数的利用率,设计了一台监测系统可以单独分时段监测碎煤机运行情况,也可以同时、分段采集两台碎煤机温度、振动数据。

Plc 模拟量输入模块工作原理是将模拟量通过模数处理器采样、保持、量化转换成可供plc 使用的数字量。本次改造处理过程为：模拟量是传感器接收的振动信号,采样就是记录固定的每一点处的振动值,因此采样时间选取对于记录的完整性起着关键作用。根据Shannon 采样定理,连续信号不丢失信息的采样频率为fs≥2fmax,式中fmax为原始信号最高频率成分。[3]转子转速600 r/min,转子转动频率为10Hz,周期为0.1 s,采样频率选择范围为20 Hz～50 Hz。

当监测系统监测A 碎煤机轴承运行温度振动值,双向选择开关由A 碎煤机启动信号控制切换到A 路,开始对碎煤机运行时轴承数据进行监测；同理对B 碎煤机监测,B 碎煤机启动信号控制双向选择开关切换到B路进行监测。

当同时分段监测两台碎煤机工作参数时,如图2输入电路采用二极管隔离输入法,双向选择开关由plc定时器控制,S7-200PLC定时器的分辨率有3个等级：1 ms、10 ms、100 ms,定时器计算公式:T=PT·S,式中T为实际定时时间,PT为预设值,S为分辨率等级。[4]结合plc定时器、计算量大小及采样定理要求采样频率选用50Hz,采样周期为0.02 s。即T=0.02 s,PT=10 ms,S=2,定时器使用T33。通过plc 程序设定双向开关转换时间间隔t,保证plc 可以在不同时段采集到碎煤机A、

B 的温度、振动数据,采样周期0.02s,由程序设定定时器设定值0.02 s,在运行工程中当碎煤机启动信号A、B同时触发定时器工作,定时器开始计数,当定时器的当前值达到0.02 s,发出中断请求,以便plc做出切换双向选择开关的指令,从而对另一路碎煤机进行采样,采样后分别对A、B两台碎煤机数据进行比较后,如果超出设定值,触发报警指令。此系统输入电路采用了二极管隔离的分组输入法,开关SA由定时器控制分别切换到A、B 两路输入数据。此电路二极管的作用是避免产生寄生电路,保证信号的正确输入。图中矩形表示温度传感器及其处理电路,圆形表示振动传感器及其处理电路。奇数图标表示A 碎煤机,偶数图标表示B碎煤机。

表2 实测A、B碎煤机水平振动不同测点测时列表

原有温度传感器采用热电偶偶温度传感器,热电偶传感器伸入到轴承内,直接对轴承温度进行测量,碎煤机工作在高噪声、高污染的环境中,容易造成传感器的损坏,传感器需要大量更换,更换工艺复杂,成本较高。此次改造采用非接触式的红外测温传感器,可以有效地降低噪声对传感器的损坏,维修工艺简单,成本较低,传感器可靠增强。

4 应用效果

图2 轴承正常工作监测曲线

图3 频谱监测曲线

通过时间监测曲线转换为频谱曲线,可以分析轴承及各驱动设备故障,除转子基频外,还存在着大量低倍频谐波成分,如2倍频,3倍频,6倍频,分析认为轴承存在磨损,拆开发现轴承外圈有磨损。

通过对碎煤机监测系统的改造,监测系统正常工作一年时间,多次有效的监测到转子及液力偶合器故障,避免转子及液力耦合器的严重损坏,节约检修成本2 万余元,间接成本10 万余元。更换非接触式的红外传感器,传感器损坏率大幅减低,由原来的每月4次降低到每月1次,节约了大量成本。

5 结束语

原有监测系统采用单片机作为控制单元,改进后的系统采用PLC 作为控制单元,监测系统包含有以下三种功能：

(1)监测转子轴承端温度、振动情况；

(2)对监测数据进行记录并绘制时间-振幅曲线,通过傅里叶变换转换为幅频曲线,为设备故障分析诊断提供依据；

(3)原有系统只控制一台碎煤机,通过采用二极管隔离的分组输入法改造后的系统可控制两台碎煤机,保证设备正常运行。