多通道采煤機狀態(tài)監(jiān)測與分析裝置設計及應用

劉小滿+黃其舟

摘要：針對國內(nèi)外的采煤機控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)高頻振動信號的采集、分析與處理?；谇度胧较到y(tǒng)，課題組研發(fā)多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置，本文對多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置的設計過程及工作原理進行闡述，并進行現(xiàn)場實施驗證，結(jié)果表明，此裝置實現(xiàn)了采煤機工作狀態(tài)的在線監(jiān)測和分析，且工作性能穩(wěn)定、可靠、效果突出。

關(guān)鍵詞：多通道；采煤機；高頻振動信號；狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TP393.02 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）21-0215-02

目前采煤機的狀態(tài)監(jiān)測是通過在其防爆腔內(nèi)安裝一個可編程邏輯控制器（PLC），通過該PLC對常規(guī)模擬量（電流、電壓、溫度、流量、壓力、牽引速度、位置等）進行采集和簡單的邏輯超限報警。由于PLC執(zhí)行指令的速度限制以及在數(shù)據(jù)處理方面能力不強等原因，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更深層次的處理。目前國內(nèi)外的采煤機控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)高頻振動信號的采集、分析與處理，[1-5]也沒有針對采煤機進行在線監(jiān)測和分析的儀器或裝置?；谇度胧较到y(tǒng)，課題組研發(fā)多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置，對采煤機中高頻振動信號進行高速采集與頻譜分析，實現(xiàn)采煤機工作狀態(tài)的有效監(jiān)測和分析。本文對裝置的設計過程及工作原理進行闡述，并進行現(xiàn)場實施應用，驗證裝置工作性能穩(wěn)定，可靠、效果突出。

1 設計方案

基于嵌入式系統(tǒng)，課題組研發(fā)多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置，如圖1所示。

（1）U_1 核心模塊：由Philips公司生產(chǎn)的ARM7處理器LPC2214組成，LPC2214 是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器，并帶有256kB嵌入的高速Flash 存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，通過片內(nèi)PLL 可實現(xiàn)最大為60MHz 的CPU操作頻率。LPC2214 具有144 腳封裝、提供3組32位端口供外圍設備使用，滿足平行處理高速振動信號的A/D轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)通訊的接口要求。ARM7TDMI-S是通用的32 位微處理器，端口電壓3.3V，核心電壓1.8V，具有高性能和低功耗的特性，容易滿足煤礦本安要求。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機（RISC）原理而設計的。指令集和相關(guān)的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多。因此，使用該小型、廉價的處理器就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應，該處理器執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼，并將第三條指令從存儲器中取出。由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。

（2）U_2 RS232串口通訊：為了實現(xiàn)和近距離的工控機或者其他設備通訊，提供了RS232串口通訊方式，可以利用工控機進行復雜的數(shù)據(jù)分析或者用于系統(tǒng)程序ISP下載和調(diào)試等。該模塊采用Philips公司的高速串行通訊芯片SP3232E和MAX232。

（3）U_3 振動信號以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊：1）.該模塊負責中高頻振動信號的高速采集與頻譜分析，可以用于采煤機工作狀態(tài)的監(jiān)測與分析。采用TI公司的ADS7805，模擬量轉(zhuǎn)換頻率最大100KHz，與CPU采用16位并口傳輸。2）.常規(guī)模擬量采集：負責包括電機電流、傳動系統(tǒng)溫度、壓力等，用于分析所監(jiān)測裝置的運行狀態(tài)。該模塊采用AVR系列的Atmage16，具有8路AD轉(zhuǎn)換，與CPU采用串口傳輸，滿足常規(guī)模擬量的性能要求。

（4）U_4 以太網(wǎng)通訊模塊：該模塊主要負責將處理以后的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)，采煤機狀態(tài)監(jiān)測與分析裝置通過該模塊可以和網(wǎng)絡上的其他設備組網(wǎng)使用。處理以后的多路模擬量和振動信號能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸，甚至可以通過第三方的無線傳輸模塊進行無線傳輸。該模塊采用臺灣REALTEK SEMI-CONDUCTOR的Rtl8019以太網(wǎng)通訊控制芯片，與CPU之間采用并口傳輸，支持IEEE802.3，10Base5，10Base2，10BaseT，保證數(shù)據(jù)帶寬和速率。

（5）U_5 電源模塊：本儀器由安裝在采煤機防爆腔內(nèi)的本安型DC24V電源供電（采煤機本身帶有的電源，采煤機傳感器使用）。由于本裝置的主板芯片主要采用5V電源，需進行電壓變換。U_5電源模塊采用美國國家半導體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路LM2575把DC24V轉(zhuǎn)換為5V，LM2575內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，外圍器件極少，效率高，所需散熱面積少，不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制，為本系統(tǒng)提供可靠的電源。

（6）U_6 數(shù)據(jù)存儲模塊：用于存儲系統(tǒng)參數(shù)和需要保存的數(shù)據(jù)。本模塊采用Philips公司的鐵電存儲芯片F(xiàn)M24C256，該模塊和CPU采用IIC通訊，存儲容量256KB。

（7）U_7 傳感器模塊：軍工級高性能振動信號傳感器以及其他防爆型溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等。傳感器模塊通過線纜連接到本儀器。

2工作原理

U_7中含有8路普通低頻緩變信號A/D轉(zhuǎn)換芯片，U_3中含有2路高頻信號A/D轉(zhuǎn)換芯片，U_7和U_3將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。U_7通過串行通訊將轉(zhuǎn)換后的低頻信號數(shù)據(jù)發(fā)送到U_2，然后再發(fā)送到U_1進行保存，經(jīng)過初步過濾與處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到U_2串口與上位機通訊；而U_3通過16位高速并口向U_1傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在U_1中進行序列保存，對2路高頻信號循環(huán)進行頻譜分析計算，同時與存儲在U_6中的預設參數(shù)進行比較，進行報警門限判斷和振動等級分類，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到U_2串口和上位機進行通訊，并可以通過U_4通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h程端工作站。

3現(xiàn)場試驗

本裝置根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備通用要求GB3836.1-2000以及本質(zhì)安全型要求GB3836.4-2000設計。為了驗證多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置的工作性能及可靠性，目前該采集裝置已經(jīng)安裝于平煤股份十三礦的MG700/WD型電牽引采煤機中，試驗過程中裝置對采煤機中高頻振動信號進行高速采集與頻譜分析，通過以太網(wǎng)把采煤機工作狀態(tài)傳輸?shù)降孛妫畔鬏斄鲿?、實時高效。通過工業(yè)性試驗，證明該裝置工作性能穩(wěn)定、可靠，效果突出，實現(xiàn)采煤機工作狀態(tài)的有效監(jiān)測和分析。

4 結(jié)論

本安型多通道高頻振動信號采集裝置及系統(tǒng)的研發(fā)，是體現(xiàn)煤礦機電裝備的重要信息。基于嵌入式系統(tǒng)，本文對多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置的設計過程及工作原理進行闡述，對采煤機中高頻振動信號進行高速采集與頻譜分析，實現(xiàn)采煤機工作狀態(tài)的有效監(jiān)測和分析。并進行現(xiàn)場實施應用，驗證裝置工作性能穩(wěn)定，可靠、效果突出。

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