煤礦多路工況音匯聚檢測(cè)裝置

馮新軍，徐永，馮曉哲，韓劍

（1.鄭州煤電股份有限公司告成煤礦，河南 鄭州 450015；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

煤礦多路工況音匯聚檢測(cè)裝置

馮新軍1，徐永1，馮曉哲2，韓劍1

（1.鄭州煤電股份有限公司告成煤礦，河南 鄭州 450015；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

提出一種多路工況音匯聚檢測(cè)裝置。通過多路拾音器、多路音頻放大器、多路低通濾波器、8:1多路模擬開關(guān)、單片機(jī)及以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)工況音的多路匯聚。匯聚后的數(shù)字工況音經(jīng)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)降孛娴目刂朴弥鳈C(jī)進(jìn)行播放。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了煤礦井下多路設(shè)備工況音的匯聚采集，避免了各路采集需要使用多套重復(fù)的工況音采集設(shè)備、占用多個(gè)交換機(jī)口的現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。此外，還可以有效降低網(wǎng)絡(luò)流量。

多路；工況音；匯聚；模擬開關(guān)；網(wǎng)絡(luò)流量

煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控信號(hào)、語音信號(hào)、視頻信號(hào)等均通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行傳輸。綜合自動(dòng)化中對(duì)于設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，常通過工業(yè)電視來監(jiān)測(cè)設(shè)備的工況，如皮帶的啟停、采煤機(jī)的啟停等。而對(duì)于某些設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，屬于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，外部看不到動(dòng)作，不能用工業(yè)電視來監(jiān)視這些設(shè)備是否已經(jīng)開啟與停機(jī)。近年來發(fā)展出了用拾音器來檢測(cè)這類設(shè)備開啟與停機(jī)時(shí)的設(shè)備工況音，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化的工況音傳送到地面，在地面用喇叭來播放工況音，用來輔助操作人員識(shí)別該水泵是否正常開啟與停機(jī)。目前，這種工況音信號(hào)檢測(cè)裝置采用了普通的語音頻檢測(cè)技術(shù)，基本都是單路的，每個(gè)檢測(cè)裝置占用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的 RJ45口，

并不能很好地適合煤礦井下設(shè)備相對(duì)集中的場(chǎng)合，如井下水泵房。本文提出一種多路工況音匯聚檢測(cè)裝置，能按地面工作主機(jī)的指令，選出指定的某一路設(shè)備進(jìn)行工況音采集。由于電力負(fù)荷穩(wěn)定的需要，煤礦井下設(shè)備集中的地方通常在某個(gè)時(shí)刻只能啟/停一臺(tái)設(shè)備，不存在多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟/停的情況，因此，匯聚單元只需要根據(jù)地面主機(jī)的指令選定啟/停工作的那一路信號(hào)進(jìn)行采集與傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用，避免使用多套重復(fù)的檢測(cè)裝置占用過多的交換機(jī)口。

1 工況音匯聚的原理

圖1 多路工況音匯聚電路原理圖

多路工況音匯聚裝置包括多路拾音器、多路音頻放大器、多路低通濾波器、8:1多路模擬開關(guān)、單片機(jī)和以太網(wǎng)接口。如圖1所示為8路工況音匯聚裝置。圖中拾音器采用通用商品化拾音器，音頻放大器為通用商品化音頻放大器，濾波器采用 uA741搭建，模擬開關(guān)采用 CD4051，單片機(jī)采用具有 A/D轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)接口的 PIC18F66J60，工業(yè)以太網(wǎng)為煤礦己有的井上和井下監(jiān)測(cè)控制用工業(yè)以太網(wǎng)，地面主機(jī)為普通計(jì)算機(jī)。

具體工作過程是，地面主機(jī)通過以太網(wǎng)傳送來某個(gè)通道的采集指令，單片機(jī)選定該通道，將控制通道的信號(hào)輸出給多路模擬開關(guān)的 A、B、C端口，指定的這路拾音器拾取該設(shè)備開/停的工況音信號(hào)，經(jīng)本路音頻放大器放大和低通濾波，其輸出信號(hào)匯聚到 8:1模擬開關(guān)，將此路模擬信號(hào)選出送到單片機(jī)進(jìn)行采集。通道選擇編碼如表1。

表1

八選一模擬開關(guān)的N端為片選端，選中時(shí)，該模擬開關(guān)進(jìn)入工作狀態(tài)。選中的工況音信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，并經(jīng)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)降孛娴目刂朴弥鳈C(jī)進(jìn)行播放。各拾音器安裝在被檢測(cè)設(shè)備附近。該工況拾音裝置中使用的可控低通濾波器由 uA741模擬集成電路組成，兩級(jí) RC電路組成濾波 網(wǎng) 絡(luò)，截止頻率 f0=1/2πRC，調(diào)節(jié) R 可調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，使其滿足模擬工況音信號(hào)不高于 800Hz的要求。單片機(jī)采用 PIC18F66J60單片機(jī)，AD轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)傳輸由具有以太網(wǎng)控制器的單 片 機(jī) PIC18F66J60系 列 芯 片 為 主 構(gòu) 成， 該 單 片 機(jī)具有 64K閃存程序存儲(chǔ)器，39腳 I/O 口，10Base-T以太網(wǎng) 通信。 支 持 IEEE 802.3(TM) 兼容 的 以太網(wǎng)控制器，支持 10Base-T 端口，集成了 MAC接入層和10Base-T物理層，專用的 8KB發(fā)送 /接收數(shù)據(jù)包緩沖器 SRAM等，并且具有普通單片機(jī)的功能，具有11通道的 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊（A/D）和自動(dòng)采樣功能，在實(shí)施中只用其中1個(gè)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字化的工況音信號(hào)通過以太網(wǎng)口 TPOUT和 TPIN實(shí)時(shí)傳送到工業(yè)太網(wǎng)中。根據(jù) PIC18F66J60單片機(jī)采樣頻率計(jì)算公式，當(dāng)晶體頻率采用 Fad=25MHz時(shí)，采樣頻率最高可達(dá) 250kHz，完全能滿足 2kHz以內(nèi)的工況音信號(hào)動(dòng)態(tài)采樣的要求。工業(yè)以太網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)的 RJ45接口連接到 1:1的脈沖變壓器 CT，再連接到 PIC單片機(jī)的 TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸。

2 使用效果

超化煤礦已經(jīng)建成了比較完善的綜合自動(dòng)化底層網(wǎng)絡(luò)及中間層集成系統(tǒng)，礦井通風(fēng)、排水、供電、運(yùn)輸、主副井提升等 10多個(gè)子系統(tǒng)均在綜合自動(dòng)化平臺(tái)上進(jìn)行傳輸與監(jiān)控。過去對(duì)水泵房的工況音監(jiān)測(cè)是采用多路工況音檢測(cè)裝置，占用多個(gè)交換機(jī) RJ45口，設(shè)備重復(fù)率高，費(fèi)用大。由于電力負(fù)荷穩(wěn)定的需要，煤礦井下設(shè)備集中的地方通常在某個(gè)時(shí)刻只能啟/停一臺(tái)設(shè)備，不存在多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟/停的情況，因此，匯聚單元只需要根據(jù)地面主機(jī)的指令選定啟/停工作的那一路信號(hào)進(jìn)行采集與傳輸。本多路工況音匯聚裝置在鄭煤集團(tuán)超化煤礦的井下泵房進(jìn)行了試用。使用中，多路拾音器分別安裝在被檢測(cè)水泵設(shè)備附近，通過屏蔽的音頻電纜將工況音信號(hào)引到本裝置。工業(yè)以太網(wǎng)采用煤礦已有的井上和井下監(jiān)測(cè)控制用工業(yè)以太網(wǎng)，主機(jī)為普通計(jì)算機(jī)。

在軟件的控制下，本裝置可以控制采集任一指定設(shè)備的工況音信號(hào)，通過工業(yè)以太網(wǎng)采集到的信息如圖2所示，圖2中 (a)圖為原來多路的工況音獨(dú)立使用通道傳輸時(shí)，地面從多個(gè)通道獲取的波形。多個(gè)水泵的啟動(dòng)信號(hào)從多個(gè)通道而來。由于電力負(fù)荷穩(wěn)定的需要，各臺(tái)水泵須在不同時(shí)刻進(jìn)行啟動(dòng)。(b)圖是使用本裝置后，多路水泵開啟時(shí)的信號(hào)合成了一路，由于水泵啟動(dòng)時(shí)刻本來就必須有前后，因此，啟動(dòng)的波形也在不同的時(shí)間段。采用工況音匯聚裝置后帶來的另一方面的好處是有效降低了網(wǎng)絡(luò)流量。由于超化煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中通風(fēng)、排水、供電、運(yùn)輸、主副井提升等 10多個(gè)子系統(tǒng)均在綜合自動(dòng)化平臺(tái)上進(jìn)行傳輸與監(jiān)控，控制網(wǎng)絡(luò)流量是一個(gè)很重要的工作。采用匯聚裝置后，將圖2(a)所示的多路流量信號(hào)匯聚成了圖2(b)所示的一路流量信號(hào)，流量降低到原來的 1/3，如用在更多路的場(chǎng)合后，流量降低會(huì)更為明顯。

圖2 多路水泵啟動(dòng)過程的工況音波形圖

因此，在煤礦設(shè)備較為集中的場(chǎng)合，使用多路工況音匯聚檢測(cè)裝置，可避免大量相同檢測(cè)裝置的重復(fù)使用，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，安裝調(diào)試和維護(hù)方便。此外，還可以避免占用過多的交換機(jī)口，有效的控制網(wǎng)絡(luò)流量，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞。

[1]孫治恩 張?zhí)?許華棟等 .一種煤礦設(shè)備工況音拾音裝置制造方法 [P].2014國家專利 :CN203675305U.

[2]Microchip，PIC18F97J60 Family Data Sheet使用說明書 [M].2011 Microchip Technology Inc.

[3]樊思政 張凱 高旭 .一種多水泵環(huán)境下的拾音判別方法 [P].2014國家專利：2014101373451.

TS251.7

A

1671-0711（2017）07（下）-0096-02