煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)用采集計算平臺設(shè)計

周李兵

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

在以工業(yè)4.0為代表的下一代工業(yè)數(shù)字化與智能化升級浪潮引領(lǐng)下，機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理由傳統(tǒng)的定期維護(hù)保養(yǎng)+故障維修方式向基于數(shù)字化實時監(jiān)控與分析技術(shù)的預(yù)測性維護(hù)方向發(fā)展，以降低機(jī)電設(shè)備故障停機(jī)時間，減少因機(jī)電設(shè)備故障或非計劃性停機(jī)對工廠集約化、柔性化生產(chǎn)造成的損失[1-2]。在智能礦山建設(shè)過程中，目前常用的在井下采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、通過井下網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至地面工控機(jī)或云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的運(yùn)維模式因?qū)崟r性和靈活性差、采集數(shù)據(jù)量受限、成本高等問題，已無法滿足智能礦山機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)要求，需要進(jìn)行技術(shù)方法與手段的升級與更新?lián)Q代。

通用工業(yè)面向智能制造的預(yù)測性維護(hù)解決方案一般采用邊緣計算機(jī)+數(shù)據(jù)采集卡方式，并基于LabVIEW等軟件進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制輸出。該方案具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集及處理能力，但對于煤礦井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)維應(yīng)用場景，存在因功耗過大而不易實現(xiàn)礦用本質(zhì)安全(以下簡稱本安)型設(shè)計、體積過大而影響現(xiàn)場布置的靈活性、井下機(jī)電設(shè)備分布離散而導(dǎo)致方案成本過高等問題。針對該問題，筆者采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F4主控芯片，結(jié)合8通道16 bit并行高精度AD采樣芯片AD7606，設(shè)計了一種低功耗、本安型煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)用采集計算平臺，實現(xiàn)了4～20 mA、0～5 V、RS485總線、CAN總線等常見傳感器信號的采集與分析，并具有CAN總線通信、以太網(wǎng)通信、藍(lán)牙通信、人機(jī)交互等功能，滿足煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)實時計算、就地分析、靈活布置等需求。

1 采集計算平臺總體方案

煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)用采集計算平臺包括STM32F4主控芯片單元、4～20 mA模擬量采集單元、0～5 V模擬量采集單元、RS485總線型信號采集單元、CAN總線通信單元、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動單元、以太網(wǎng)通信單元、供電模塊、人機(jī)交互模塊等，如圖1所示。該平臺以振動監(jiān)測為主[3]，輔以溫度、液位、壓力、介電常數(shù)、電流、電壓、聲信號參數(shù)監(jiān)測，實現(xiàn)面向預(yù)測性維護(hù)需要的多源數(shù)據(jù)耦合分析。

圖1 煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)用采集計算平臺總體方案Fig.1 General scheme of collecting and computing platform used for predictive maintenance of coal mine electromechanical equipment

采集計算平臺設(shè)計有3路IIC總線接口，1路接入0～5 V模擬量采集單元，1路接入PT100/PT1000型溫度傳感器，1路備用；設(shè)計有2路CAN總線接口，用于接入現(xiàn)場CAN總線型傳感器；設(shè)計有2路RS485總線接口，一主一從，用于接入現(xiàn)場RS485制式傳感器或以RS485方式對外通信；設(shè)計有全速USB2.0接口、以太網(wǎng)接口、藍(lán)牙接口、NAND FLASH存儲擴(kuò)展模塊等。平臺中人機(jī)交互模塊具有用于傳感器參數(shù)、IP地址、系統(tǒng)參數(shù)等配置及硬件重啟等應(yīng)用的物理按鈕，支持紅外遙控及USB鍵盤/鼠標(biāo)方式輸入，并有液晶顯示屏顯示各參數(shù)監(jiān)測值及診斷結(jié)果?？紤]到采集計算平臺自身存在一定功耗、外接傳感器數(shù)量較多、煤礦井下對電氣設(shè)備的安全性要求高等因素，在供電模塊設(shè)計了軟啟動電路，并通過軟件實現(xiàn)分批次、延時啟動，以滿足本安型設(shè)計要求。

在現(xiàn)場應(yīng)用時，采集計算平臺采集電動機(jī)、軸承、齒輪箱、管路、油液等機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)動部件的振動、溫度、壓力等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化，之后實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換、包絡(luò)譜分析等處理，根據(jù)處理結(jié)果分析各機(jī)電設(shè)備及部件的健康狀態(tài)，并本地輸出監(jiān)測與診斷結(jié)果。同時，平臺將數(shù)據(jù)存儲至NAND FLASH中，用于煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)算法自學(xué)習(xí)和優(yōu)化，并通過以太網(wǎng)傳輸至地面工控機(jī)或云平臺，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)分析。

2 采集計算平臺硬件設(shè)計

2.1 STM32F4主控芯片單元

STM32F4主控芯片單元是采集計算平臺的計算力中心，可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、時頻域轉(zhuǎn)換、頻譜分析、包絡(luò)譜分析及設(shè)備預(yù)測性維護(hù)計算、通信等計算與邏輯控制功能。

STM32F4主控芯片單元主要包括STM32F4主控芯片、工作狀態(tài)指示燈、硬件復(fù)位電路、濾波降噪電路等，如圖2所示?？紤]到現(xiàn)場應(yīng)用時單個采集計算平臺可外接最多67個傳感器，采集數(shù)據(jù)量大，采用最大容量為32 GB的NAND FLASH來緩存、存儲各類原始數(shù)據(jù)及預(yù)測性維護(hù)診斷數(shù)據(jù)。

圖2 STM32F4主控芯片單元電路Fig.2 Circuit of STM32F4 main controlling chip unit

2.2 4～20 mA模擬量采集單元

4～20 mA模擬量采集單元主要采集煤礦井下機(jī)電設(shè)備用振動速度傳感器、振動加速度傳感器輸出信號。采集信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后，由采集計算平臺進(jìn)行頻譜、包絡(luò)譜分析。該單元包括降噪處理、信號放大、AD轉(zhuǎn)換三部分[4]，如圖3所示。

圖3 4～20 mA模擬量采集單元電路Fig.3 Circuit of 4-20 mA analog quantity collection unit

降噪處理部分用于濾除采集信號中的背景噪聲和非線性信號，降低其對4～20 mA信號的干擾，以滿足信號采集精度要求[5]。信號放大部分選用AD86型運(yùn)算放大器，用于對AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行前置放大，以實現(xiàn)高增益、高共模抑制比。AD轉(zhuǎn)換部分基于AD7606芯片設(shè)計實現(xiàn)。

2.3 CAN總線通信單元

在煤礦主運(yùn)大巷、綜采工作面等生產(chǎn)場合，基于CAN總線的傳感器較為常見，因此采集計算平臺設(shè)計有CAN總線通信單元，就近接入帶式輸送機(jī)、工作面“三機(jī)”控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使其參與預(yù)測性維護(hù)計算決策。

CAN總線通信單元電路如圖4所示。選用TAJ1050收發(fā)器設(shè)計，其遵從ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速率達(dá)1 Mbit/s，具有極高的抗電磁干擾性，單路CAN總線可接入不少于110個節(jié)點。

圖4 CAN總線通信單元電路Fig.4 Circuit of CAN bus communication unit

2.4 USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動單元

為方便現(xiàn)場使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文件與操作功能交互，采集計算平臺設(shè)計了Mini USB接口，通過USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動單元(圖5)實現(xiàn)。該單元選用CH340G芯片設(shè)計，其內(nèi)置FIFO緩沖區(qū)，支持單工、半雙工和全雙工異步通信，完全兼容USB2.0總線標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為50 bit/s～2 Mbit/s。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動單元電路Fig.5 Circuit of USB-serial driving unit

2.5 以太網(wǎng)通信單元

以太網(wǎng)通信單元電路如圖6所示。采用DP83848C型10/100 Mbit/s自適應(yīng)單路物理層芯片設(shè)計，其I/O引腳電壓符合IEEE 802.3—2005要求，支持通過RMII(Reduced Media Independant Interface，精簡的介質(zhì)無關(guān)接口)訪問MAC(Media Access Control,介質(zhì)訪問控制)層，實現(xiàn)RJ45端口與MAC層之間的通信。

圖6 以太網(wǎng)通信單元電路Fig.6 Circuit of Ethernet communication unit

2.6 供電模塊

采集計算平臺應(yīng)用于煤礦井下，根據(jù)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第 4 部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》要求，單路供電電源典型值為DC 12 V，1 A?？紤]到煤礦井下長距離低壓直流供電方式較為常見，且單個采集計算平臺至多可接入67臺傳感器，因此，除采用低功耗、寬電壓方案外，供電模塊還設(shè)計了軟啟動電路和分時啟動工作方式，以降低采集計算平臺開機(jī)啟動階段的沖擊電流，避免產(chǎn)生浪涌電流[6]。

供電模塊電路如圖7所示。采用F240050-25型5腳DIP封裝本安電路專用軟啟動電源芯片，可實現(xiàn)DC9～24.5 V寬電壓輸入、DC5 V恒壓輸出?？紤]到STM32F4及其他芯片需要DC3.3 V電壓，選用AMS1117芯片設(shè)計了DC3.3 V輸出電路。

圖7 供電模塊電路Fig.7 Circuit of power supply module

點亮液晶顯示器并工作于最大計算能力情況下，采集計算平臺穩(wěn)定工作時功耗約為6.6 W(12 V，0.55 A)?？紤]到極限情況下電源負(fù)荷，設(shè)計了3路電源輸入：1路負(fù)責(zé)向采集計算平臺、8臺4～20 mA振動傳感器和至多4臺其他傳感器供電；另2路負(fù)責(zé)給至多55臺傳感器供電。此外，考慮到傳感器滿載工況下，即使有軟啟動電路協(xié)助，采集計算平臺正常啟動沖擊電流也會超過1 A，因此在軟件設(shè)計中采用分時啟動機(jī)制：上電啟動時，首先啟動STM32F4主控芯片及人機(jī)交互模塊，使能關(guān)閉模擬量采集單元及所有傳感器供電電源部分，延遲一定時間(如1 s)后再使能開啟模擬量采集單元及所有傳感器供電電源。通過該分時啟動機(jī)制，可有效避免產(chǎn)生沖擊電流，確保采集計算平臺穩(wěn)定、可靠工作。

3 采集計算平臺軟件設(shè)計

采集計算平臺軟件主要包括主程序、信號采集程序、通信程序等。本文主要介紹主程序、4～20 mA模擬量采集程序、以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計。

3.1 主程序

考慮到采集計算平臺對監(jiān)測與控制的實時性要求，采用FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，以便高效利用STM32F4片上資源。主程序流程如圖8所示。首先進(jìn)行硬件初始化，包括IO端口、通信端口、NAND FLASH、人機(jī)交互模塊、AD采樣芯片初始化；然后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和分析處理[7-9]，得出診斷結(jié)果后在人機(jī)交互模塊顯示；最后通過以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果傳輸至地面工控機(jī)或云平臺等上位機(jī)。

圖8 主程序流程Fig.8 Process of main program

3.2 4～20 mA模擬量采集程序

采集計算平臺采用AD7606并行采集8路4～20 mA模擬信號，最大采樣頻率達(dá)200 kHz且可配置。STM32F4通過SPI讀取AD7606采樣數(shù)據(jù)，并對采樣數(shù)據(jù)做限幅處理，以消除信號頂?shù)准夥甯蓴_[10-11]，之后對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻域分析。4～20 mA模擬量采集程序流程如圖9所示。

圖9 4～20 mA模擬量采集程序流程Fig.9 Process of 4-20 mA analog quantity collection program

3.3 以太網(wǎng)通信程序

以太網(wǎng)通信程序流程如圖10所示。上電后首先進(jìn)行初始化，隨后檢測地面工控機(jī)或云平臺等上位機(jī)配置指令，并根據(jù)指令發(fā)送診斷數(shù)據(jù)或原始數(shù)據(jù)等[12-13]。上位機(jī)接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后回傳應(yīng)答數(shù)據(jù)和配置、控制指令等。

4 采集計算平臺測試

采集計算平臺設(shè)計、試制、調(diào)試完畢后，進(jìn)行功能性測試，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集功能測試和數(shù)據(jù)分析與預(yù)測性維護(hù)評估能力測試。

4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集功能測試

在傳感器數(shù)據(jù)采集功能測試中，對于CAN，RS485，IIC等總線型及0～5 V模擬量信號的采集，采用函數(shù)信號發(fā)生器、仿真器、測試工裝等進(jìn)行功能性測試。重點測試4～20 mA模擬量信號采集功能。采用DC12000-120水冷型電動振動試驗臺產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動信號[14]，設(shè)置振動頻率為20，240，460，900，1 500 Hz。采用KGS18振動加速度傳感器、GSD20振動速度傳感器測量振動信號，采集計算平臺采集傳感器峰峰值，每種頻率下采集3組數(shù)據(jù)，分別與振動試驗臺數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1(振動加速度為5.1g，g為重力加速度)?？煽闯霾杉嬎闫脚_測量誤差小于4%。

圖10 以太網(wǎng)通信程序流程Fig.10 Process of Ethernet communication program

表1 振動信號測量結(jié)果Table 1 Measurement results of vibration signals

4.2 數(shù)據(jù)分析與預(yù)測性維護(hù)評估能力測試

采用DDS2010型動力傳動故障診斷綜合試驗臺模擬不同工況下機(jī)電設(shè)備軸承、齒輪、電動機(jī)正常和非正常工作狀態(tài)，由KGS18振動加速度傳感器、GSD20振動速度傳感器、GWP150B溫度傳感器、GPD60(A)壓力變送器等測量機(jī)電設(shè)備不同部件各參數(shù)并接入采集計算平臺，由平臺進(jìn)行快速傅里葉變換、包絡(luò)譜分析等預(yù)測性維護(hù)分析計算。以模擬三級平行齒輪箱ER-16K型軸承外圈磨損故障為例，采集計算平臺輸出結(jié)果如圖11所示。轉(zhuǎn)速為960 r/min、配備9個滾珠的ER-16K型軸承發(fā)生外圈磨損故障時，故障特征頻率為3.723 Hz。采集計算平臺計算得到的故障特征頻率為3.765 Hz，與實際值之間的誤差為1.13%。經(jīng)多次測試可知，采集計算平臺接入各類傳感器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，工作可靠，響應(yīng)及時，能夠準(zhǔn)確判斷典型機(jī)電設(shè)備部件運(yùn)行狀態(tài)及故障，滿足現(xiàn)場使用要求。

圖11 ER-16K型軸承外圈磨損故障頻譜分析結(jié)果Fig.11 Frequency spectrum analysis result of outer lane abrading fault of ER-16K type bearing

5 結(jié)語

煤礦機(jī)電設(shè)備預(yù)測性維護(hù)用采集計算平臺充分利用了主控芯片STM32F4的片上資源，特別是浮點計算能力和豐富的I/O接口，結(jié)合FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，在滿足現(xiàn)場靈活布置、就地計算及分析決策要求的同時，降低了成本，是現(xiàn)有煤礦機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測或故障診斷云平臺化部署、遠(yuǎn)程分析方式的有益補(bǔ)充。隨著智能制造特別是智能礦山建設(shè)工作的推進(jìn)，邊緣計算、就地控制的模式將成為智能礦山運(yùn)維體系的重要方式，且適用于風(fēng)電機(jī)組、水電機(jī)組、智慧工廠等智能制造相關(guān)特種工業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析計算場景。