洗煤厂关键设备故障诊断系统设计.pdf

中 国 矿 业 大 学 （ 北 京 ） 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中文题目 洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 英文题目Fault Diagnosis System for Key Equipments in Coal Washery 姓 名 李传生 学 号 0203050113 学 院 机电与信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 02 级 1 班 指导教师 薛光辉 职 称 讲师 完成日期 2006 年 6 月 12 日 科研背景横向科研课题“马脊梁洗煤厂振动筛及轴承故障诊断研究” 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学号 0203050113 学生姓名 李传生 任务下达日期 2006 年 1 月 12 日 完成日期 2006 年 6 月 6 日 题目洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 主要内容和要求 1、完成振动筛故障诊断系统的方案设计； 2、完成该振动筛故障诊断系统软件的功能和模块分析； 3、实现振动数据的记录、存储、显示和频谱分析模块设计； 4、实现该振动筛故障诊断系统的软件编程，要求界面美观，操作简便。 院长签字 指导教师签字 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导教师评语指导教师评语 论文符合毕业设计任务书和教学大纲的要求。 该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，参阅了大量的相 关资料，完成了振动筛故障诊断系统的总体方案设计，重点开发了振动筛 故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示和频谱分析功能， 最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期的功能。 设计采用的技术路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结 构合理。该同学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创 新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专 业的工程技术工作和理论研究。 同意以此论文安排毕业论文答辩。 成绩成绩 95 95 指导教师签名 指导教师签名 年 月 日 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导教师评语指导教师评语 该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，参阅了大量的相 关资料，完成了特定型号振动筛的测绘和故障诊断系统的总体方案设计， 重点开发了振动筛故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示 和频谱分析功能，最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期 的功能。 设计采用的技术路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结 构合理。该同学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创 新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专 业的工程技术工作和理论研究。 同意以此论文安排毕业论文答辩。 成绩 95 成绩 95 评阅教师签名 评阅教师签名 年 月 日 中国矿业大学（北京）2002 级本科生 中国矿业大学（北京）2002 级本科生 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 学院学院机电与信息工程学院 学生姓名学生姓名李传生 学号学号0203050113 专业专业测控技术与仪器 班级班级02 级 1 班 题目题目洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目专题题目香香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 说明书说明书 75 页页 图纸图纸 张张 其它材料其它材料 答答 辩辩 情情 况况 回回 答答 问问 题题 提提 出出 问问 题题 正 确 正 确 基 本基 本 正 确正 确 有 一 般 性 错 误 有 一 般 性 错 误 有 原 则 性 错 误 有 原 则 性 错 误 回 答回 答 不 清不 清 1.简述时域分析与频域分析的概念，为什么进行了时域 分析还要进行频域分析,简述幅频特性与相频特性软 件系统数据回放模块回放的是什么信号，为什么要回 放 2.论文中提到的“一次积分” 、 “二次积分”的物理意义。 3.软件系统中提供了许多滤波器，主要使用那种，为什 么 4.简述“香蕉直线振动筛”的含义。 √ √ √ √ 答辩成绩 96 答辩小组长 年 月 日 答辩成绩 96 答辩小组长 年 月 日 指导教师评价成绩指导教师评价成绩 95 指导教师签字指导教师签字 年年 月月 日日 评阅教师评价成绩评阅教师评价成绩 95 评阅教师签字评阅教师签字 年年 月月 日日 答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会评语及建议成绩 论文完成了洗煤厂关键设备故障诊断系统的软件设计与开发， 圆满完成了毕业设计规定的 任务。设计（论文）条理清楚，论述充分，文字通顺，符合技术用语要求，水平较高。答辩时 思路清晰，论点正确，回答问题有理论根据，基本概念清楚，对主要问题回答正确、深入。 建议成绩96。 答辩委员会主任答辩委员会主任 年年 月月 日日 学院领导小组综合评价成绩学院领导小组综合评价成绩 学院领导小组负责人学院领导小组负责人 年年 月月 日日 摘摘 要要 现代大型洗煤厂多为流水线作业，某一关键设备，如振动筛，出现故 障将直接导致整个生产线陷入瘫痪，给洗煤厂造成巨大的经济损失。但目 前对洗煤厂关键设备的状态监测和故障诊断研究还很少开展。因此，开展 洗煤厂关键设备的故障诊断研究符合生产现场的急需，具有重要的理论意 义和应用价值。 开发一个振动筛实验系统，是开展香蕉直线振动筛的状态监测和故障 诊断研究的前提和基础。该系统包括实验模型和检测系统两部分。其中， 检测系统又包括硬件系统和软件系统两部分。 本文利用虚拟仪器的开发平台－LabVIEW开发了该实验系统的软件系 统，主要包括五个模块数据采集、显示记录、数据回放、数据处理和数 据分析。数据处理模块主要实现数字滤波和加窗处理两大功能，可以选择 不同的滤波器和窗函数以适应不同的情况。数据分析模块能够实现信号的 时域分析、FFT 分析、功率谱分析等。 测试结果表明，该软件系统操作方便、可行。该系统是一个开放性的 系统，能够方便的添加分析功能，便于二次开发。 关键词香蕉直线振动筛；状态监测；故障诊断；虚拟仪器；LabVIEW ABSTRACT The production of most modern large scale coal washeries is streamlined coordination production, so failure of any key equipment, such as vibrating screen, in production line would lead directly to the production line paralysis, which would result in huge economic losses to the coal washery. However, the study on condition monitoring and fault diagnosis of the key equipment in coal washery rarely carried out yet. Therefore, it is important theoretical and practical value, and met the need of production site, to study fault diagnosis of the key equipments in coal washery. It is the premise and the basis to design an experimental system of vibrating screens for studying the fault diagnosis and status monitoring of vibrating screen The experimental system is divided into two parts the experimental model and the testing system. The testing system includes hardware system and software system. In this paper， the software system of experimental system was developed in LabVIEW，which primarily included five modules, namely data acquisition module， display and record module ，data replay module ，data processing module and data analysis module. The author also discussed the digital filter and signal windows, and designed the related programme. The data analysis modules can accomplish signal processing of time domain analysis， FFT analysis and auto-power spectrum analysis. The testing results indicate that the software system works well, and operates easily. Keywordsbanana-shaped linear vibrate screen；fault diagnosis；status monitoring；virtual instrument；LabVIEW 目目 录录 一般设计部分一般设计部分 1 绪论绪论....................................................................................................................................1 1.1 课题概述......................................................................................................................1 1.2 香蕉直线振动筛概述..................................................................................................3 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理...................................................................3 1.2.2 香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况...........................................................5 1.3 课题研究的内容和意义..............................................................................................5 1.3.1 课题研究的内容.......................................................................................................6 1.3.2 研究意义...................................................................................................................6 1.4 毕业设计所作主要工作.............................................................................................. 6 专题设计部分专题设计部分 2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术....................................................................................................................8 2.1 虚拟仪器技术概述......................................................................................................8 2.1.1 虚拟仪器的概念.......................................................................................................8 2.1.2 虚拟仪器的工作原理...............................................................................................9 2.1.3 虚拟仪器系统的组成.............................................................................................10 2.2 图形化编程语言 LabVIEW 概述 ............................................................................. 11 2.2.1LabVIEW 的基本概念............................................................................................12 2.2.2LabVIEW 程序设计中的结构 ................................................................................14 2.2.3LabVIEW 的运算形式............................................................................................14 2.2.4LabVIEW 的开放性................................................................................................15 3 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论..............................................................17 3.1 数字信号处理技术概述............................................................................................17 3.2 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论........................................................17 3.2.1 信号的统计特征参量.............................................................................................17 3.2.2 信号的数字化.........................................................................................................19 3.2.3 离散时间信号分析.................................................................................................22 3.2.4 截断与加窗.............................................................................................................29 3.2.5 数字滤波器.............................................................................................................31 4 香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案......................................................................34 4.1 香蕉直线振动筛故障检测原理综述........................................................................34 4.2 振动筛实验系统的设计............................................................................................35 4.2.1 振动筛实验系统检测对象的设计.........................................................................35 4.2.2 振动试验系统检测系统的设计.............................................................................36 5 振动筛实验系统软件设计振动筛实验系统软件设计..............................................................................................38 5.1 软件系统的总体结构................................................................................................38 5.2 各软件模块的设计与实现........................................................................................40 5.2.1 数据采集模块的设计.............................................................................................40 5.2.2 显示记录模块的设计.............................................................................................46 5.2.3 数据回放模块的设计.............................................................................................49 5.2.4 数据处理模块的设计.............................................................................................50 5.2.5 数据分析模块设计.................................................................................................52 5.3 软件使用说明............................................................................................................60 5.3.1 操作说明.................................................................................................................62 5.3.2 操作中应注意的问题.............................................................................................66 5.4 软件系统的测试........................................................................................................67 结结 论论..............................................................................................................................72 参考文献参考文献..............................................................................................................................73 致致 谢谢..............................................................................................................................75 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 1 - 1 绪论 1.1 课题概述 地下或露天矿场开采出来的煤炭或矿石，在未处理之前常常是以各种 大小不同的颗粒混在一起的形式存在，甚至混有许多水分、粘土或其他有 用、无用的介质。为了合理使用和满足产品质量要求，筛分机械广泛应用 于选矿厂、选煤厂、洗煤厂以及其他工业部门。筛分机械是一种广泛用于 将松散物料分为两种或多种粒度级别的设备。常用的筛分机械包括惯性振 动筛（简称振动筛） 、共振筛和固定筛。其中，振动筛因其处理能力大，筛 分效率高得到了更为广泛应用。洗煤厂作为煤炭产品加工的主要场所，承 担原煤的筛分，洗选，分级，分类存放等工作，筛分工作是其生产过程中 的第一道工序。振动筛使用情况的好坏对洗煤厂的生产至关重要，作为关 键设备一旦出现故障，将可能导致整个生产线的瘫痪，造成巨大的经济损 失。因此，振动筛早期故障检测、预警及诊断是事关洗煤厂经济效益的一 个重要问题。 本课题主要针对山西大同马脊梁洗煤厂的生产设备香蕉直线振动筛来 展开。马脊梁洗煤厂是中煤进出口总公司与大同煤矿集团公司共同组建的 大同中煤出口基地建设有限公司下属洗煤厂，年洗煤量达 360 万吨，采用 流水线作业。其主要洗选设备约 30 台（套） ，全部从国外引进。2004 年， 洗煤厂关键设备 Honert 公司生产的 BRU-1-420/610 型香蕉振动筛大梁出现 断裂，振动筛侧帮固定大梁螺栓处出现裂纹，致使振动筛无法正常工作， 导致整个洗煤厂的生产都陷于瘫痪。由于振动筛为国外进口，因此出现问 题后，更换新的大梁需要从国外订货。而订货周期长，这严重影响了洗煤 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 厂的日常生产，造成巨大的经济损失。如果能够在香蕉振动筛大梁断裂前 检测到出现的裂纹，那么就可以变事后维修为状态维修，采取有效的措施 减轻大梁的进一步破坏并在大梁断裂前进行订货，这样在大梁完全破坏前 做出预警，就可以减少因振动筛破坏以及更换造成的停产时间，降低经济 损失。 （a）正面 （b）侧面 图 1.1 正常工作的振动筛 图 1.2 大梁上的裂纹 - 2 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 （b） 大梁工字钢中部的修补情 （a）在大梁上下沿加补钢板 图 1.2 修补过的振动筛 图 1.4 止裂孔图 1.5 修补过的侧帮 图 1.1 是正常工作的香蕉振动筛。图 1.2 所示是损坏的振动筛。它的工 字钢大梁已经断裂，洗煤厂通过钢板将断裂的大梁重新加固勉强维持生产。 图 1.3a大梁上下沿加补钢板对断裂的大梁进行加固的情况，图 1.3b梁工 字钢中部的修补情况。图 1.4 和图 1.5 是振动筛的侧帮出现裂纹后洗煤厂的 两种加固措施。图 1.4 是通过在侧帮上打止裂孔来阻止裂纹的继续扩展。图 1.5 是通过加补钢板来固定已经出现裂纹的侧帮。 1.2 香蕉直线振动筛概述 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理香蕉直线振动筛的结构及其工作原理 - 3 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 1香蕉直线振动筛的结构 如图 1.6 所示，香蕉直线振动筛主要由筛箱、激振器和隔振装置（图中 未画出）组成。 1 筛箱 筛箱是一个组合框架，主要由侧板、横梁、激振器安装梁、筛网托架、 筛板、大梁及后挡板组成，侧板与相应的梁之间依靠胡克螺栓连接。 2 激振器 采用块偏心的箱式激振器，主要由两根回转轴组成，每根回转轴上安 图1.6香蕉直线振动筛 装有两个偏心块并被安装在箱体侧板的两边，两个激振器之间通过联轴器 由一根横轴连接，激振器通过地脚螺栓连接在激振器安装梁上。 3 隔振装置 在振动筛的侧板上通过螺栓连接弹簧的安装座，弹簧被安装在安装座 与地面上的支撑装置之间，有一定的预压缩。 - 4 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 5 - 2香蕉直线振动筛的工作原理 香蕉直线振动筛是利用同步反向旋转的双不平衡块激振来实现筛箱振 动的。由电动机带动皮带轮始一根轴上的偏心块回转，通过两个等齿数的 齿轮相互啮合，使另一根轴的不平衡块也回转，不平衡块转动时所产生的 离心惯性力的分力在某一方向上总是相互叠加，形成了单一方向的合力， 这个力就是激振力，这个方向就是筛箱的振动方向，在与振动方向垂直的 方向，离心力的分离总是相互抵消的。激振器与筛面成 45倾角，故筛面上 的物料的抛射角为 45。物料在抛起时被松散，在与筛面撞击时水和小于筛 孔的颗粒透筛，从而实现脱水、脱泥、脱介和分级。 ［1］ 1.2.2 香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况 1 振动筛常见故障 1 筛体部分 侧帮钢板产生裂纹；筛板发生破坏性断裂；筛板下大梁断裂；弹簧断 裂；振动噪声大。 2 激振器部分 传动齿轮损坏；轴承润滑不良及损坏。 3 激振电机部分 电机支撑钢板断裂；地脚螺栓断裂。 2 相关研究状况简介 根据目前所查阅的资料，洗煤厂设备特别是振动筛大梁和侧帮裂纹的 早期检测和诊断的研究目前在国内还开展得很少，还没有形成较为成熟的 手段 1.3 课题研究的内容和意义 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 6 - 1.3.1 课题研究的内容课题研究的内容 课题研究的内容主要包括 1总体设计 与课题组成员共同完成香蕉直线振动筛故障诊断系统的总 体方案的设计。 2软件设计利用 LabVIEW 的图形化编程环境和数据采集卡构建数据 采集和分析处理系统。研究的重点包括 1 利用 LabVIEW 提供的函数实现数据的采集、显示、记录、回放以 及分析处理，为故障的监测和诊断提供依据。 2 力求界面美观，操作简便，能够方便的进行二次开发。 1.3.2 研究意义研究意义 由于香蕉直线振动筛大梁的故障检测及诊断，目前在国内还没有形成 较为成熟的手段，该课题的研究具有重要的意义 1研究成果符合生产现场的急需。 2对其他洗煤厂同类设备的故障检测和诊断极具推广价值。 3对于其他洗选设备的故障检测和诊断及预警也具有广泛的借鉴意义。 1.4 毕业设计所做主要工作 毕业设计是对大学期间所学知识的全面总结和综合应用，是一个培养 分析问题和解决问题能力的过程，也为今后走向社会的实际应用铸就了一 个良好的开端。毕业设计期间，我主要做了以下几方面的工作 1学习图形化编程语言LabVIEW 的使用，掌握了其基本操作。 2查阅了与振动筛相关的资料， 对其结构、 工作原理及其重要的作用有 了一定的了解。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 7 - 3两次到马脊梁洗煤厂实地考察，对洗煤厂的生产工艺有了大体地了 解，并参加了香蕉直线振动筛实体的测绘工作。 4完成了振动筛实验系统软件部分的设计， 包括振动信号的采集、 显示、 记录、回放及分析处理等。 5编写了软件使用说明书。 6完成了软件系统的调试。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 8 - 2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 2.1 虚拟仪器技术概述 始自 20 世纪 40 年代末的计算机革命给当代社会的发展注入了活力， 计算机的迅速发展和普及带动了各行各业的进步，有力地促进了多年来发 展缓慢的仪器技术的飞跃，给仪器仪表领域带来了深刻的变化。20 世纪 70 年代初期将微处理器引入仪器设计中，出现了智能仪器。20 世纪 80 年代初 在个人机上发展了仪器。 20 世纪 80 年代后期将虚拟现实技术引入到仪器设 计中，最终发展成为虚拟仪器。 2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器是基于计算机的仪器。简单地说，虚拟仪器就是在通用计算 机上加上软件和或硬件， 使得使用者在操作这台计算机时就像是在操作他 自己设计的专用的电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信 号的输入输出，软件才是整个仪器系统得关键，任何一个用户都可以通过 改写软件的办法方便地改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。 虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的 固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。 用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多 样的用户需求。表 2.1 为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。 虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点 1强调“软件即仪器”的概念， 软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬 件充当的角色。 2打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 9 - 印和其它管理利用计算机来完成。 3便于工作和管理， 虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器 的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。 4仪器自定义， 科研和工程人员自己设计自己的仪器。 由于虚拟仪器的 开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。仪器的开发 周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。 5便于组成自动测试系统。 虚拟仪器充分利用计算机技术， 可以对测试 方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系 统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚 拟仪器的功能 ［2］。 表 2.1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器传统仪器 虚拟仪器虚拟仪器 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器的功能、规模均已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 封闭的系统， 与其它设备连接受限 制 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设 备连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 多为实验室拥有 个人可拥有一个实验室 2.1.2 虚拟仪器的工作原理虚拟仪器的工作原理 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 处理、结果表达三大功能模块，如图 2.1 所示。虚拟仪器以透明的方式把计 算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。 虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各 种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放 大倍数” 、 “通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量 或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操 作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。 PC-DAQ 采集卡 PXI 仪器 VXI 仪器 GPIB 仪器 串口仪器 信号处理 - 10 -