CC BY
25
Розглядаеться мшроконтролерна систе-ми дiагностування, яка реалiзуе створений метод контролю техтчного стану робо-чих оргатв вертикального валкового млина за його вiбрацiйними характеристиками. Наводяться результати розробки ii окре-мих функщональних блотв та алгоритму функцюнування програмного забезпечення
Ключовi слова: вiброакустичний сигнал, мшроконтролерна система, алгоритм
функцюнування
□-□
Рассматривается микроконтроллерная система диагностирования, реализующая созданный метод контроля технического состояния рабочих органов вертикальной валковой мельницы по ее вибрационным характеристикам. Приводятся результаты разработки ее отдельных функциональных блоков и алгоритма функционирования программного обеспечения.
Ключевые слова: виброакустический сигнал, микроконтроллерная система, алгоритм функционирования
□-□
The microcontroller system of diagnostics, witch implements the generated method of vertical roller mill working units technical state control based on one's vibration characteristics is considered. The results of the development of its individual functional blocks and algorithm of functioning software
Key words: vibroacoustic signal, microcontroller system, functioning algorithm
УДК 681.518.54
М1КРОКОНТРОЛЕРНА
СИСТЕМА Д1АГНОСТУВАННЯ ТЕХН1ЧНОГО СТАНУ РОБОЧИХ ОРГАН1В ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛКОВОГО МЛИНА
Л.М. Зам^ховський
Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри*
Р.Б. Скрипюк
Асистент*
*Кафедра комп'ютерних технолопй в системах управлшня та автоматики 1вано-Франмвський нацюнальний техшчний уыверситет
нафти i газу
вул. Карпатська, 15, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76019
Контактний тел. (03422) 4-80-00 E-mail: ktsu@nung.if.ua
В [1] були розглянуп теоретичш передумови i запропонований практичний алгоритм реалiзащi методу контролю величини зношування поверхонь ро-бочих оргашв вертикального валкового млина (далi по тексту -млина) - бiговоi дорiжки та помольних валюв на основi вимiрювання та аналiзу вiбрацiйних характеристик процесу розмелювання вугiлля. За результатами статистичного аналiзу було встановлено, що вугiлля, яке подаеться з дозатора в помольну чашу завжди мае сталий вщсотковий склад за розмiром фрагменпв, що зумовлено попередшм технологiчним циклом його обробки. Тому за питомою кiлькiстю вiброударiв, вимiряною пiд час розколювання фраг-менив значного розмiру, можна обчислити питому юльюсть фрагментiв, сигнали вiд яких не фжсуються давачами через мале стввщношення «сигнал/шум». При цьому можна визначити величину зношування поверхнi робочих оргашв млина.
Метою стати е техшчна реалiзацiя створеного методу вiбрацiйного контролю стану робочих оргашв млина.
Розробка апаратна частина мiкроконтролерноi системи дiагностування. Структурна схема системи
наведена на рис. 1. Система складаеться з трьох функ-цiонально завершених частин - модуля вiбродавача з тдсилювачем, лiнii звязку та мжроконтролерного модуля.
М1кроконтролерний модуль системи д1агностування
Смугопро АЦП.
пускний >
фшьтр
1нтерфейсний перетворювач TT.n/RS232C
Рис. 1. Структурна схема мкроконтролерноТ системи дiагностування
Визначимо вихщш данi для розробки системи дiагностування технiчного стану робочих оргашв млина - шформативну смугу вiброакустичного сигналу.
Процес руйнування вуплля в помольнш чашi мли-на супроводжуеться вiбрацiйним процесом, вимiрю-вальний дiапазон частот якого може бути розбитий на смуги, що залежать вщ розмiрiв вупльних фрагментiв (шматкiв вугiлля).
За результатами проведеного статистичного ана-лiзу розмiрiв шматкiв вугiлля в умовах ВАТ «1вано-Франювськцемент» вся вибiрка (36592 фрагменти) була розбита на дев'ять дiапазонiв (табл. 1) за результатами яко! побудували пстограму розподшу кiлькостi фрагментiв вугiлля вiд 1х розмiрiв, представлену на рис. 2.
Таблиця 1
Залежшсть кiлькостi фрагментiв вугiлля вщ Тх дiаметрiв
Д1аметр фрагмеийв [мм] Усереднений д1аметр [мм] Юлькють фрагмента [шт ]
3-5 4 29737
5-10 7.5 4295
10-15 12.5 1498
15-20 17.5 643
20-25 22.5 229
25-30 27.5 153
30-35 32.5 24
35-45 40 5
45-55 50 8
бути вiдфiльтрованi за допомогою аналогового фiльтра. Використання аналогово! фiльтрацii вiброакустичного сигналу дозволяе уникнути застосування затратних при проектуваннi, цифрових сигнальних процесорiв. Необхiдна частота смуги пропускання смугопропускно-
го фiльтра визначаеться як: =
I +1 100 + 40
= 70 Гц.
Рис. 2. Залежшсть ктькосп фрагменлв вугiлля вiд Тх дiаметрiв
Представлена на рис. 2 пстограма може бути ана-лиично апроксимована експоненцiальною функцiею [2]:
2 2
Виходячи з можливосп фiзичноi реалiзацii [3], сформу-льованi наступш вимоги до аналогового фiльтра:
- Тип характеристики ф^ьтра : полшом Чебишева.
- Центральна частота ^ = 70 Гц.
- Коефвдент пiдсилення фiльтра К = 0 дБ.
- Ширина смуги пропускання Дf = 60 Гц.
- Порядок ф^ьтра п = 6.
- Максимальна нерiвномiрнiсть в смузi пропускан-ня 3дБ.
Реалiзацiя фiльтра з використанням ланок Сал-лена-Кi дозволяе мiнiмiзувати апаратнi витрати на проектування. Принципова схема ф^ьтра була синте-зована з використанням системи проектування елек-тронних схем МкгаСАР [4] (рис. 3).
Симулящя роботи схеми активного ф^ьтра за допомогою MicroCAP-а дозволила побудувати його АЧХ , яка повшстю вщповщала поставленим вимо-гам.
Пiдсилювач до вiброакустичного давача систе-ми дiагностування. Розроблення пiдсилювача було здiйснене на основi низькошумливого спецiалiзо-ваного шструментального пiдсилювача INA163 [5] (фiрми Burr-Brown/Texas Instriments, США). Коефь цiент шдсилення INA163 дискретно регулюеться за допомогою резисторiв, якi пiдключаються паралель-но до входiв (Res1,Res2) у вщповщноси до заданого двiйкового коду i визначають коефiцiент передачi пiдсилювача.
Наявнiсть дискретного регулювання дозволяе проводити вимiрювання вiбросигналу в абсолютних значеннях вiброприскорення (м/сек2). Пiдключення резисторiв, що визначають коефвдент передачi ш-струментального шдсилювача, здiйснюеться за допомогою герконових реле РЭС-55А. Шдключення реле реалiзоване з використанням мжросхеми-набору транзисторних ключiв типу ULN2003 [6] , яка забез-печуе пiдсилення управляючого сигналу за струмом та захист у«х електронних елеменив схеми вiд ЕРС самошдукцп, яка виникае при вимиканш електро-магнiта реле.
п (а) = а ■ е(ь-а) + с ■ е'
(а-х)
де коефiцiенти функцп: а = 1194000, Ь = -0,9852, с = 13060, а = -0,1733.
Розраховаш часто-ти для робочого вiбро-акустичного сигналу становлять вiд 40Гц до 100Гц. Iншi частоти мiстять шформацшш завади, тому повиннi
put
Я36
Рис. 3. Смугопропускний фтьтр. Схема електрична принципова
Вхщ шструментального пiдсилювача INA163 за-хищений вiд можливо1 перенапруги за допомогою дь одiв VD1-VD4, якi вмикаються в разi коли вхiдна напруга внаслщок зовнiшнiх паразитних наведень перевищуе значення ±15 в, - напруги живлення ш-струментального пiдсилювача. Змша коефiцieнта тд-силення здiйснюeться дискретно, цифровим шляхом, за допомогою реверсивного лiчильника КР1533ИЕ7 (аналог 74НС193), що дозволяе поступово зб^ьшу-вати i зменшувати пiдсилення схеми. Вiдображення поточного значення коефiцiента пiдсилення здiйсню-еться за допомогою дешифратора типу 54НС154 та 16 свiтлодiодiв.
Розроблений пiдсилювач може працювати з ви-хiдними роздiлювальними конденсаторами, яю вщ-фiльтровують постiйну складову сигналу, або без них - при цьому автоматичне регулювання постшного змь щення вихiдного сигналу вiдбуваеться за допомогою штегратора, виконаного на операцшному пiдсилювачi ОРА134 та конденсаторiв.
Живлення схеми двополярне ±15 в, стабШзоване, виконане на трансформаторi ТПП-110 та двох лшш-них стабiлiзаторах типу LM317[7], LM337[8]. Основне живлення використовуеться для роботи аналогових пiдсилювачiв - мжросхем INA163 та ОРА134 [9] та електромагнтв управляючих реле РЭС-55А. Додаткова напруга живлення +5в використо-вуеться для роботи цифрових ТТЛ мжросхем (74НС193 та 54НС154) та свiтлодiодiв шди-кацп (^2-^17). Напруга +5в мае окремий лшшний стабШза-тор - мiкросхему КРЕН5А( аналог LM7805) [10]. Окреме коло тдвищено! напруги живлення виконане на додатковому транс-форматорi ТПП-110, транзисторi VT1, та лшшному стабiлiзаторi напруги - мiкросхемi LM317L. Таке коло дозволяе отримувати окрему фiксовану напругу в дiа-пазонi вiд +24 до +45в. для живлення вiброакустичного пере-творювача, в разi, якщо вш цього потребуе. ЯС-кола включенi в первинну обмотку трансформа-торiв живлення призначенi для зменшення негативного впливу можливих перехщних процесiв на лiнii живлення.
Мжроконтролерна система дiагностування з врахуванням розроблених функщоналих блокiв працюе наступним чином: електричний сигнал вщ вiбродавача тдсилюеть-ся в окремому модулi пiдсилювача вiброелектричних коливань, який фiзично мiститься в безпосереднiй близькост вiд вiбродавача.
Пiдсилений сигнал через лшж зв'язку довжиною 10м надходить на вхщ смугопропускного фiльтра (СПФ) мжроконтролерного модуля системи . Така схема дозволяе зменшити вплив наведених сторон-шх електромагнiтних завад на корисний сигнал.
СПФ вид^яе з загального вiброелектричного сигналу iнформацiйну смугу, яка i аналiзуеться за допомогою мжроконтролера ATmega8515 [11], що працюе на тактовш частотi 11,0592МГц, яка дозволяе узгоджу-вати швидюсть передачi даних на Bcix стандартних частотах СОМ-порта. Для перетворення до цифрового вигляду використовуеться 12-розрядне АЦП LTC1860 [12].
Мжросхема АЦП застосовуеться для побудови ви-сокошвидюсних систем збору даних, портативних ви-мiрювальних iнструментiв, що можуть живитись ввд автономних хiмiчних джерел живлення, тощо.
Програма мiкроконтролера за розробленим алгоритмом дiагностування пiдраховуе питому юльюсть частинок, якi створюють значш вiброколивання та ощ-нюе стутнь зношування поверхонь робочих органiв млина. Мжроконтролер пiд'еднуеться до зовнiшнього промислового контролера управлшня млином типу Simatic S7-400 фiрми Siemens, за допомогою штерфейса RS-232C [13].
Програмне забезпечення мжроконтролерно! системи дiагностування
Алгоритм функщонування програмного забезпечення системи дiагностування вугiльного млина наведений на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема програмного забезпечення мкроконтролерноТ системи
дiагностування
Робота алгоритму дiагностування побудована на використаннi системних таймерiв мжроконтроле-ра AtMega8515 [14], яю задають часовi iнтервали, на основi яких здiйснюеться аналiз даних з АЦП, де визначаеться юльюсть фрагменив усередненого радiусу 22,5мм, та обчислюеться загальний поточна величина зношування поверхонь робочих оргашв млина. Обмш даними iз зовнiшнiми управляючи-ми пристроями здшснюеться за допомогою RS232C,
який у виглядi послщовного iнтерфейсу реалiзо-ваний в мiкроконтролерi з використанням системи переривань. Тому Bei операцп по вводу даних, не-обхщних для обчислень та виводу результаив роз-рахункiв, здiйснюються в пiдпрограмi обробки переривань послiдовного штерфейсу мiкроконтролера AtMega8515.
При розробленнi програмного забезпечення ви-користанi стандартнi О^блютеки, та спецiалiзова-нi AVR-бiблiотеки, що входять до складу CodeVision [15,16]:
Перевiрка роботи програмного забезпечення системи здшснена в системi ISIS Proteus.
Висновки
Розроблена структурна схема мiкроконтролерноï системи дiагностування, яка дозволяе реалiзувати створений метод контролю техшчного стану робочих
оргашв млина за його вiбрацiйними характеристиками, та проведена розробка ü окремих функщональних блокiв:
- пiдсилювача вiброакустичного сигналу на основi низькошумливого спецiалiзованого шструментально-го пiдсилювача INA163, коефiцieнт тдсилення якого дискретно регулюеться, що дозволяе проводити вимь рювання вiбросигналу в абсолютних значеннях вiбро-прискорення (м/сек2);
- аналогового фiльтра, на основi визначено! ш-формативно! частота вiброакустичного сигналу та сформульованих вимог, реалiзацiя якого проведена з використанням ланок Саллена-Ki, що дозволило мшь мiзувати апаратнi витрати на проектування.
Розроблено алгоритм функщонування програмного забезпечення мжроконтролерно'! системи дiагно-стування, робота якого побудована на використанш системних таймерiв мiкроконтролера AtMega8515 та здшснена перевiрка роботи програмного забезпечення системи здшснена в системi ISIS Proteus.
Лиература
1. Зам1ховський Л.М. Метод контролю техшчного стану вертикального валкового млина AG MPS 180 BK за його в1брацшними
характеристиками [Текст] /Зам1ховський Л.М., Скрипюк Р.Б., Ровшський В.А.// Нафтогазова енергетика. - 2010.-1(12).-С.138-142 Е.Р.
2. Д.Джонсон, Др.Джонсон, Г.Мур.. Справочник по активным фильтрам:/ пер.с англ.М.- Энергоатомиздат, 1983.-128с., с ил.
3. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. М.: Горячая линия-Телеком, 2007.-
464с.ил. ISBN 978-5- 93517-339-5.
4. 8-bit AVR Microcontroller with 8K bytes In-System Programmable Flash Atmega8515,Atmega8515L.//www.atmel.com/dyn/resou-
rces/prod_documents/doc2512.pdf.
5. INA163. Low-Noise, Low-Distortion instrumentation amplifier. //focus.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp.
6. ULN2003. High-voltage, high-current, darlington transistor arrays. // focus.ti.com/lit/ds/symlink/uln2003a.pdf
7. LM317. 3-Terminal 1.5A Positive Adjustable Regulator. // www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM317.pdf.
8. LM337. 3-Terminal 1.5A Negative Adjustable Regulator. // www.fairchildsemi.com/ds/LM%2FLM337.pdf.
9. OPA134, OPA2134, OPA4134. High Performance audio operational amplifiers. // focus.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?...
opa134&fileType=pdf.
10. LM341/LM78MXX Series 3-Terminal Positive Voltage Regulators. // www.national.com/ds/LM/LM341.pdf.
11. 8-bit AVR Microcontroller with 8K bytes In-System Programmable Flash Atmega8515,Atmega8515L./ www.atmel.com/dyn/resou-rces/prod_documents/doc2512.pdf.
12. LTC1860/LTC1861 uPower,12bit, 250ksps 1-and 2-Channel ADCs in MSOP// cds.linear.com/docs/Datasheet/18601fa.pdf.
13. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. -М.: Радио и связь, 2004. -168 с.:ил. ISBN 5-256-01715-2.
14. Мортон Дж. Микроконтроллеры AVR. Вводной курс./пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2006.-272с.: ил. ISBN 5-94120-096 Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров/.
15. Сост. Ю.А. Шпак - К.:«МК-Пресс», 2006.- 400с.,ил. ISBN 966-8806-16-6.
16. Лебедев М.Б. ^deVisionAVR. Пособие для начинающих.-М.: Додэка-XXI, 2008.- 592 c.: ил. ISBN 978-5-94120-192-1.
