论文部分内容阅读
摘要：针对国内外的采煤机控制系统无法实现高频振动信号的采集、分析与处理。基于嵌入式系统，课题组研发多通道采煤机监测及分析装置，本文对多通道采煤机监测及分析装置的设计过程及工作原理进行阐述，并进行现场实施验证，结果表明，此装置实现了采煤机工作状态的在线监测和分析，且工作性能稳定、可靠、效果突出。
关键词：多通道；采煤机；高频振动信号；状态监测
中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0215-02
目前采煤机的状态监测是通过在其防爆腔内安装一个可编程逻辑控制器（PLC），通过该PLC对常规模拟量（电流、电压、温度、流量、压力、牵引速度、位置等）进行采集和简单的逻辑超限报警。由于PLC执行指令的速度限制以及在数据处理方面能力不强等原因，无法实现数据的更深层次的处理。目前国内外的采煤机控制系统无法实现高频振动信号的采集、分析与处理，[1-5]也没有针对采煤机进行在线监测和分析的仪器或装置。基于嵌入式系统，课题组研发多通道采煤机监测及分析装置，对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。本文对装置的设计过程及工作原理进行阐述，并进行现场实施应用，验证装置工作性能稳定，可靠、效果突出。
1 设计方案
基于嵌入式系统，课题组研发多通道采煤机监测及分析装置，如图1所示。
（1）U_1 核心模块：由Philips公司生产的ARM7处理器LPC2214组成，LPC2214 是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器，并带有256kB嵌入的高速Flash 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，通过片内PLL 可实现最大为60MHz 的CPU操作频率。LPC2214 具有144 脚封装、提供3组32位端口供外围设备使用，满足平行处理高速振动信号的A/D转换和以太网通讯的接口要求。ARM7TDMI-S是通用的32 位微处理器，端口电压3.3V，核心电压1.8V，具有高性能和低功耗的特性，容易满足煤矿本安要求。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。因此，使用该小型、廉价的处理器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应，该处理器执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。
（2）U_2 RS232串口通讯：为了实现和近距离的工控机或者其他设备通讯，提供了RS232串口通讯方式，可以利用工控机进行复杂的数据分析或者用于系统程序ISP下载和调试等。该模块采用Philips公司的高速串行通讯芯片SP3232E和MAX232。
（3）U_3 振动信号以及常规模拟量采集与分析模块：1）.该模块负责中高频振动信号的高速采集与频谱分析，可以用于采煤机工作状态的监测与分析。采用TI公司的ADS7805，模拟量转换频率最大100KHz，与CPU采用16位并口传输。2）.常规模拟量采集：负责包括电机电流、传动系统温度、压力等，用于分析所监测装置的运行状态。该模块采用AVR系列的Atmage16，具有8路AD转换，与CPU采用串口传输，满足常规模拟量的性能要求。
（4）U_4 以太网通讯模块：该模块主要负责将处理以后的数据发送到以太网，采煤机状态监测与分析装置通过该模块可以和网络上的其他设备组网使用。处理以后的多路模拟量和振动信号能够实现远距离传输，甚至可以通过第三方的无线传输模块进行无线传输。该模块采用台湾REALTEK SEMI-CONDUCTOR的Rtl8019以太网通讯控制芯片，与CPU之间采用并口传输，支持IEEE802.3，10Base5，10Base2，10BaseT，保证数据带宽和速率。
（5）U_5 电源模块：本仪器由安装在采煤机防爆腔内的本安型DC24V电源供电（采煤机本身带有的电源，采煤机传感器使用）。由于本装置的主板芯片主要采用5V电源，需进行电压变换。U_5电源模块采用美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路LM2575把DC24V转换为5V，LM2575内部集成了一个固定的振荡器，外围器件极少，效率高，所需散热面积少，不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制，为本系统提供可靠的电源。
（6）U_6 数据存储模块：用于存储系统参数和需要保存的数据。本模块采用Philips公司的铁电存储芯片FM24C256，该模块和CPU采用IIC通讯，存储容量256KB。
（7）U_7 传感器模块：军工级高性能振动信号传感器以及其他防爆型温度传感器、电压传感器、电流传感器等。传感器模块通过线缆连接到本仪器。
2工作原理
U_7中含有8路普通低频缓变信号A/D转换芯片，U_3中含有2路高频信号A/D转换芯片，U_7和U_3将模拟量信号转换成数字信号。U_7通过串行通讯将转换后的低频信号数据发送到U_2，然后再发送到U_1进行保存，经过初步过滤与处理后将数据发送到U_2串口与上位机通讯；而U_3通过16位高速并口向U_1传输数据，数据在U_1中进行序列保存，对2路高频信号循环进行频谱分析计算，同时与存储在U_6中的预设参数进行比较，进行报警门限判断和振动等级分类，将处理后的数据发送到U_2串口和上位机进行通讯，并可以通过U_4通过以太网传输到远程端工作站。
3现场试验
本装置根据爆炸性气体环境用电气设备通用要求GB3836.1-2000以及本质安全型要求GB3836.4-2000设计。为了验证多通道采煤机监测及分析装置的工作性能及可靠性，目前该采集装置已经安装于平煤股份十三矿的MG700/WD型电牵引采煤机中，试验过程中装置对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，通过以太网把采煤机工作状态传输到地面，信息传输流畅、实时高效。通过工业性试验，证明该装置工作性能稳定、可靠，效果突出，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。
4 结论
本安型多通道高频振动信号采集装置及系统的研发，是体现煤矿机电装备的重要信息。基于嵌入式系统，本文对多通道采煤机监测及分析装置的设计过程及工作原理进行阐述，对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。并进行现场实施应用，验证装置工作性能稳定，可靠、效果突出。
参考文献：
[1] 张俊梅，范迅，赵雪松.采煤机自动调高控制系统研究[J].中国矿业大学学报，2002，31（7）：415-418.
[2] 郭铁桥 ，张磊 ，郭涛涛. 基于ARM的振动信号采集分析系统设计[J]. 电子质量，2011（7）：33-34.
[3] 孙文，全惠敏，吴桂清.等.基于ARM和以太网接口的振动信号采集系统设计[J].电源技术，2015， 39（9）：1963-1964.
[4] 刘腾达.电牵引采煤机振动监测系统研发[D].西安科技大学，2014.
[5] 王洪远.电牵引采煤机状态检测与故障诊断的研究[D].黑龙江科技大学，2013.
关键词：多通道；采煤机；高频振动信号；状态监测
中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0215-02
目前采煤机的状态监测是通过在其防爆腔内安装一个可编程逻辑控制器（PLC），通过该PLC对常规模拟量（电流、电压、温度、流量、压力、牵引速度、位置等）进行采集和简单的逻辑超限报警。由于PLC执行指令的速度限制以及在数据处理方面能力不强等原因，无法实现数据的更深层次的处理。目前国内外的采煤机控制系统无法实现高频振动信号的采集、分析与处理，[1-5]也没有针对采煤机进行在线监测和分析的仪器或装置。基于嵌入式系统，课题组研发多通道采煤机监测及分析装置，对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。本文对装置的设计过程及工作原理进行阐述，并进行现场实施应用，验证装置工作性能稳定，可靠、效果突出。
1 设计方案
基于嵌入式系统，课题组研发多通道采煤机监测及分析装置，如图1所示。
（1）U_1 核心模块：由Philips公司生产的ARM7处理器LPC2214组成，LPC2214 是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器，并带有256kB嵌入的高速Flash 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，通过片内PLL 可实现最大为60MHz 的CPU操作频率。LPC2214 具有144 脚封装、提供3组32位端口供外围设备使用，满足平行处理高速振动信号的A/D转换和以太网通讯的接口要求。ARM7TDMI-S是通用的32 位微处理器，端口电压3.3V，核心电压1.8V，具有高性能和低功耗的特性，容易满足煤矿本安要求。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。因此，使用该小型、廉价的处理器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应，该处理器执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。
（2）U_2 RS232串口通讯：为了实现和近距离的工控机或者其他设备通讯，提供了RS232串口通讯方式，可以利用工控机进行复杂的数据分析或者用于系统程序ISP下载和调试等。该模块采用Philips公司的高速串行通讯芯片SP3232E和MAX232。
（3）U_3 振动信号以及常规模拟量采集与分析模块：1）.该模块负责中高频振动信号的高速采集与频谱分析，可以用于采煤机工作状态的监测与分析。采用TI公司的ADS7805，模拟量转换频率最大100KHz，与CPU采用16位并口传输。2）.常规模拟量采集：负责包括电机电流、传动系统温度、压力等，用于分析所监测装置的运行状态。该模块采用AVR系列的Atmage16，具有8路AD转换，与CPU采用串口传输，满足常规模拟量的性能要求。
（4）U_4 以太网通讯模块：该模块主要负责将处理以后的数据发送到以太网，采煤机状态监测与分析装置通过该模块可以和网络上的其他设备组网使用。处理以后的多路模拟量和振动信号能够实现远距离传输，甚至可以通过第三方的无线传输模块进行无线传输。该模块采用台湾REALTEK SEMI-CONDUCTOR的Rtl8019以太网通讯控制芯片，与CPU之间采用并口传输，支持IEEE802.3，10Base5，10Base2，10BaseT，保证数据带宽和速率。
（5）U_5 电源模块：本仪器由安装在采煤机防爆腔内的本安型DC24V电源供电（采煤机本身带有的电源，采煤机传感器使用）。由于本装置的主板芯片主要采用5V电源，需进行电压变换。U_5电源模块采用美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路LM2575把DC24V转换为5V，LM2575内部集成了一个固定的振荡器，外围器件极少，效率高，所需散热面积少，不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制，为本系统提供可靠的电源。
（6）U_6 数据存储模块：用于存储系统参数和需要保存的数据。本模块采用Philips公司的铁电存储芯片FM24C256，该模块和CPU采用IIC通讯，存储容量256KB。
（7）U_7 传感器模块：军工级高性能振动信号传感器以及其他防爆型温度传感器、电压传感器、电流传感器等。传感器模块通过线缆连接到本仪器。
2工作原理
U_7中含有8路普通低频缓变信号A/D转换芯片，U_3中含有2路高频信号A/D转换芯片，U_7和U_3将模拟量信号转换成数字信号。U_7通过串行通讯将转换后的低频信号数据发送到U_2，然后再发送到U_1进行保存，经过初步过滤与处理后将数据发送到U_2串口与上位机通讯；而U_3通过16位高速并口向U_1传输数据，数据在U_1中进行序列保存，对2路高频信号循环进行频谱分析计算，同时与存储在U_6中的预设参数进行比较，进行报警门限判断和振动等级分类，将处理后的数据发送到U_2串口和上位机进行通讯，并可以通过U_4通过以太网传输到远程端工作站。
3现场试验
本装置根据爆炸性气体环境用电气设备通用要求GB3836.1-2000以及本质安全型要求GB3836.4-2000设计。为了验证多通道采煤机监测及分析装置的工作性能及可靠性，目前该采集装置已经安装于平煤股份十三矿的MG700/WD型电牵引采煤机中，试验过程中装置对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，通过以太网把采煤机工作状态传输到地面，信息传输流畅、实时高效。通过工业性试验，证明该装置工作性能稳定、可靠，效果突出，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。
4 结论
本安型多通道高频振动信号采集装置及系统的研发，是体现煤矿机电装备的重要信息。基于嵌入式系统，本文对多通道采煤机监测及分析装置的设计过程及工作原理进行阐述，对采煤机中高频振动信号进行高速采集与频谱分析，实现采煤机工作状态的有效监测和分析。并进行现场实施应用，验证装置工作性能稳定，可靠、效果突出。
参考文献：
[1] 张俊梅，范迅，赵雪松.采煤机自动调高控制系统研究[J].中国矿业大学学报，2002，31（7）：415-418.
[2] 郭铁桥 ，张磊 ，郭涛涛. 基于ARM的振动信号采集分析系统设计[J]. 电子质量，2011（7）：33-34.
[3] 孙文，全惠敏，吴桂清.等.基于ARM和以太网接口的振动信号采集系统设计[J].电源技术，2015， 39（9）：1963-1964.
[4] 刘腾达.电牵引采煤机振动监测系统研发[D].西安科技大学，2014.
[5] 王洪远.电牵引采煤机状态检测与故障诊断的研究[D].黑龙江科技大学，2013.