礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

姜闊勝， 毛中元， 謝有浩，4， 卞士軍， 周遠(yuǎn)遠(yuǎn)， 郭帥， 胡坤

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001； 3.陜汽淮南專用汽車有限公司博士后工作站， 安徽 淮南 232001;4.滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 安徽 滁州 239000；5.平安開誠智能安全裝備有限責(zé)任公司， 安徽 淮南 232001)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，由于經(jīng)常運(yùn)行在高速重載工況下，帶式輸送機(jī)托輥容易發(fā)生故障[1-4]。當(dāng)前井下長距離帶式輸送機(jī)托輥故障監(jiān)測以人工巡檢和振動信號診斷為主，但該監(jiān)測方法無法保證高可靠性和實(shí)時性，因此需要使用通信方式傳輸帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測。目前煤礦中主要以電纜通信、無線通信、光纖通信和電力線載波通信進(jìn)行信息傳輸[5-6]。電纜通信需要鋪設(shè)專用的線路，成本過高；無線通信由于在井下存在干擾源多、多徑干擾嚴(yán)重等問題，其通信距離受到極大限制[7]；光纖通信傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大，但是光纖在井下熔接會產(chǎn)生火花，容易發(fā)生爆炸等安全事故[8]；電力線載波通信傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸速率較高，可將電能與高頻信號通過同一條電力線進(jìn)行傳輸而無需采用專用通信線路，具有成本低、維護(hù)工作量小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)[9]。因此，本文采用電力線載波通信實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。傳統(tǒng)的電力線載波通信是侵入式的，耦合器直接與電力線相連，需要斷電操作，而且對電力線本體進(jìn)行破壞，實(shí)際操作困難且需要定期更換電池，供電十分不便[10]。因此，本文以井下127 V照明電力線作為通信媒介，設(shè)計了一種基于自供電和非侵入式電力線載波通信的礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可為帶式輸送機(jī)托輥故障監(jiān)測提供一種低成本、安裝方便且可靠的方式。

1 系統(tǒng)原理

礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端和127 V照明電力線組成，如圖1所示。發(fā)送端安裝于帶式輸送機(jī)托輥處，接收端安裝于地面控制室，發(fā)送端與接收端通過井下鋪設(shè)的127 V照明電力線進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)通信。發(fā)送端主要由托輥運(yùn)行音頻信號采集、調(diào)制與功率放大、耦合3個子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)音頻信號在照明電力線中的耦合；接收端主要由音頻信號解耦、解調(diào)、還原與自動增益3個子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)照明電力線中音頻信號的還原；對發(fā)送端和接收端的音頻信號進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析和倒譜分析，從而判斷托輥故障。

圖1 礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。采用AX7035 FPGA作為核心控制器，根據(jù)其并行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時控制音頻采集模塊AN831與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊AN9767，實(shí)現(xiàn)對音頻信號的高速采集、還原與調(diào)制、解調(diào)；通過電感耦合器、功率放大模塊AP3001與自動增益模塊AD620完成音頻信號的耦合與解耦；利用自供電單元對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖2 礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 基于電感耦合器的非侵入式電力線載波通信

電感耦合器主要由2個半圓型的鐵氧體磁環(huán)、直徑為0.6 mm的漆包線、信號線和卡夾式外殼組成，如圖3所示。電感耦合器本質(zhì)為一種穿心式、電磁式互感器[11-12]，能夠在無需協(xié)調(diào)斷電且不破壞照明電力線絕緣結(jié)構(gòu)的情況下使用[13]，可夾持在照明電力線上，實(shí)現(xiàn)非接觸式安裝，操作方便。

圖3 電感耦合器

漆包線緊密地纏繞在鐵氧體磁環(huán)上形成初級線圈，次級線圈為127 V照明電力線。當(dāng)信號線輸入一個高頻的交變載波信號時，初級線圈上的交流電會在鐵氧體磁環(huán)附近產(chǎn)生一個環(huán)形磁場，并在電力線上產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)電動勢U。由于本文使用的鐵氧體磁環(huán)的磁導(dǎo)率為2 400 H/m(遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率)，所以產(chǎn)生的磁場基本上都在磁環(huán)內(nèi)，能夠有效地將信號耦合入照明電力線中，從而以照明電力線作為通信媒介進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞，實(shí)現(xiàn)非侵入式電力線載波通信。

(1)

(2)

式中：M為初級線圈和次級線圈的互感；i1為載波信號電流；t為時間；K為耦合系數(shù)；L1和L2分別為初級線圈和次級線圈的自感。

載波信號頻率、載波信號電壓與電流、初級線圈匝數(shù)、鐵氧體磁環(huán)間隙、磁導(dǎo)率等會影響感應(yīng)電動勢。其中主要影響因素初級線圈匝數(shù)和載波信號頻率與感應(yīng)電動勢的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)初級線圈匝數(shù)為5、載波信號頻率為10 MHz時，耦合的感應(yīng)電動勢最大，為1.6 V。但1.6 V的感應(yīng)電動勢難以滿足通信距離要求。為提高通信距離，保證通信的實(shí)時性，對信號進(jìn)行功率放大與自動增益，將感應(yīng)電動勢放大到10 V以上，此時電力線載波通信的傳輸距離為1 km，傳輸速率可達(dá)4.8 kbit/s。通過多級電力線載波通信相互耦合續(xù)航實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

(a) 初級線圈匝數(shù)與感應(yīng)電動勢的關(guān)系(載波信號電壓為10 V;載波頻率為10 MHz;傳輸距離為200 m)

2.1.2 自供電單元

自供電單元工作原理如圖5所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理[14]，鐵芯與線圈繞組從照明電力線中獲取交流電，交流電通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電；由于導(dǎo)線可能會流經(jīng)巨大的短時故障電流，所以直流電需要經(jīng)過限流電路，保證電路安全；通過隔離穩(wěn)壓電路，將直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定5，12 V電壓輸出，實(shí)現(xiàn)對核心控制器、功率放大模塊與自動增益模塊的供電。

圖5 自供電單元工作原理

2.2 軟件設(shè)計

通過硬件描述語言Verilog實(shí)現(xiàn)FPGA程序，其寄存器傳輸級原理如圖6所示。程序運(yùn)行前，需要通過I2C總線方式對音頻采集模塊AN831進(jìn)行初始化與工作狀態(tài)的選定，再通過AUDIO(音頻程序)采集音頻數(shù)據(jù)din。由于AUDIO的時鐘sys_clk與MODEM(調(diào)制解調(diào)程序)的時鐘sys_clk不同，所以需要將音頻數(shù)據(jù)緩存入異步FIFO中，完成音頻數(shù)據(jù)的跨時鐘域轉(zhuǎn)換。同時，由于AUDIO與MODEM的音頻數(shù)據(jù)長度不同(AUDIO為64位，MODEM為8位)，所以需要將音頻數(shù)據(jù)寫入DDR3中，完成音頻數(shù)據(jù)的長度轉(zhuǎn)換。載波信號耦合入照明電力線中的最佳頻率為10 MHz，因此將音頻數(shù)據(jù)從DDR3中讀出后，通過MODEM將音頻數(shù)據(jù)調(diào)制成10 MHz的高頻信號，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊AN9767將該信號轉(zhuǎn)換成載波信號輸出。從音頻數(shù)字信號的采集到載波信號的輸出，每個字節(jié)的音頻數(shù)據(jù)傳輸時間不超過10 ns，實(shí)現(xiàn)音頻信號的高速傳輸，保證電力線載波通信的實(shí)時性。

圖6 FPGA程序寄存器傳輸級原理

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在正常的帶式輸送機(jī)托輥上分別加工出裂痕與磨損來模擬2種托輥故障。實(shí)驗(yàn)設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率為48 kHz，采樣時間為5 s。采集的托輥運(yùn)行音頻信號如圖7所示。

(a) 托輥正常

將采集的原始音頻信號和還原的音頻信號進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，得出兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.91，表明原始音頻信號和還原的音頻信號高度相關(guān)。確認(rèn)還原的音頻信號的準(zhǔn)確性后，進(jìn)行倒譜分析，結(jié)果如圖8所示。

從圖8(a)可看出，倒譜沒有明顯峰值，表明托輥運(yùn)行正常；從圖8(b)可看出，在0.181 s處有明顯峰值，表明音頻信號存在托輥磨損故障信息；從圖8(c)可看出，在0.344 s處有明顯峰值，表明音頻信號存在托輥裂痕故障信息。

(a) 托輥正常

4 結(jié)語

提出了一種基于自供電和非侵入式電力線載波通信的帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。采用FPGA作為核心控制器，同時控制音頻采集模塊與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，對托輥運(yùn)行時的音頻信號進(jìn)行高速采集、還原與調(diào)制、解調(diào)；利用電感耦合器完成信號在照明電力線中的耦合與解耦，不僅安裝方便，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的非侵入式電力線載波通信；通過自供電單元實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)中FPGA、功率放大模塊與自動增益模塊的供電，解決了供電不便的困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。