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        多通道采煤機狀態(tài)監(jiān)測與分析裝置設(shè)計及應(yīng)用

        2016-10-18 23:21:16劉小滿黃其舟
        電腦知識與技術(shù) 2016年21期
        關(guān)鍵詞:采煤機

        劉小滿+黃其舟

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        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。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,本文對多通道采煤機監(jiān)測及分析裝置的設(shè)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。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,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(shè)計過程及工作原理進行闡述,并進行現(xiàn)場實施應(yīng)用,驗證裝置工作性能穩(wěn)定,可靠、效果突出。

        1 設(shè)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(shè)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(shè)計的。指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)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(yīng),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(shè)備通訊,提供了RS232串口通訊方式,可以利用工控機進行復(fù)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(luò)上的其他設(shè)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(dǎo)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(yù)設(shè)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(shè)備通用要求GB3836.1-2000以及本質(zhì)安全型要求GB3836.4-2000設(shè)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?,信息傳輸流暢、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(shè)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(yīng)用,驗證裝置工作性能穩(wěn)定,可靠、效果突出。

        參考文獻:

        [1] 張俊梅,范迅,趙雪松.采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,31(7):415-418.

        [2] 郭鐵橋 ,張磊 ,郭濤濤. 基于ARM的振動信號采集分析系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子質(zhì)量,2011(7):33-34.

        [3] 孫文,全惠敏,吳桂清.等.基于ARM和以太網(wǎng)接口的振動信號采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù),2015, 39(9):1963-1964.

        [4] 劉騰達.電牽引采煤機振動監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)[D].西安科技大學(xué),2014.

        [5] 王洪遠.電牽引采煤機狀態(tài)檢測與故障診斷的研究[D].黑龍江科技大學(xué),2013.

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