李臻，賈洪鋼

(北京天地龍躍科技有限公司， 北京 100043)

0 引言

煤機(jī)設(shè)備向安全、高效、智能化、無人化方向發(fā)展[1]，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測感知和健康評估是設(shè)備可靠運(yùn)行的重要保障。煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測在保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中起到了重要作用[2-3]，基于PLC的防爆型監(jiān)測裝置可靠性高但防爆型監(jiān)測裝置存在體積大、安裝不便等問題[4]，嵌入式系統(tǒng)以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[5-6], 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，涉及工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、工業(yè)控制、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與健康評估，本文提出了一種基于嵌入式架構(gòu)的煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案，通過嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與健康評估。

1 裝置結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

嵌入式煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置采用嵌入式技術(shù)、多參數(shù)信號調(diào)理和采集技術(shù)、大功率礦用本安電源技術(shù)，減少裝置體積，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測和重要部件的故障報(bào)警。數(shù)據(jù)采集器將采集的傳感器數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或RS485通信方式發(fā)送給監(jiān)測主機(jī)，監(jiān)測主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)、運(yùn)算處理并將系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果直觀顯示。

圖1 嵌入式煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

嵌入式煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置具有以下特點(diǎn)：

1) 采用澆封兼本安防爆型式，實(shí)現(xiàn)裝置的體積最小化和防護(hù)最優(yōu)化。裝置摒棄笨重的隔爆外殼，裝置整體小巧，緊湊、防水、防塵和抗震性能優(yōu)良，滿足了煤礦電氣產(chǎn)品安裝體積和防護(hù)等級的要求。

2) 多參數(shù)傳感器信號調(diào)理和采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。煤機(jī)設(shè)備需采集的傳感器信號通道多，信號類型種類多，監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集器硬件上采用多階抗混疊濾波器、高性能運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)進(jìn)行精密調(diào)理、采用外置的高速、同步AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。軟件上采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次濾波處理，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。

3) 嵌入式軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和分析。裝置監(jiān)測主機(jī)采用高性能、低功耗COTEX-A8內(nèi)核處理器，搭配豐富的存儲(chǔ)和通信接口資源的嵌入式硬件平臺(tái)，軟件移植LINUX操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、QT界面，便于實(shí)現(xiàn)功能升級或者擴(kuò)展。

4) 大功率、高效率的礦用本安電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測裝置的可靠供電。裝置采集的傳感器數(shù)量多、硬件平臺(tái)性能高，整體功耗大，加之裝置本身采用澆封工藝導(dǎo)致的電源熱處理困難，對裝置的本安電源提出了更高的要求。裝置采用高頻的電源轉(zhuǎn)換器、超低內(nèi)阻的開關(guān)器件、高性能的元件及其制作的高效率和高品質(zhì)的換能器。本安隔離柵采用過壓過流保護(hù)，在滿足本質(zhì)安全的要求下實(shí)現(xiàn)了電源的大功率輸出。

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置由數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)測主機(jī)組成。整個(gè)裝置由AC 127 V供電，數(shù)據(jù)采集器具備14通道的傳感器接口、2路繼電器輸出接口、CAN接口、RS485接口和以太網(wǎng)接口。數(shù)據(jù)采集器通過串行通信接口與電控箱、監(jiān)測主機(jī)通信。監(jiān)測主機(jī)采用COTEX-A8高速處理器，搭配1 G內(nèi)存、64 G硬盤和10寸液晶顯示器，并帶有不低于2 h的后備電源，監(jiān)測主機(jī)具有RS485、CAN、以太網(wǎng)接口。

2.1 數(shù)據(jù)采集器原理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器用于實(shí)現(xiàn)煤機(jī)設(shè)備電動(dòng)機(jī)與減速器溫度、壓力、流量、油位、振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)采集與傳輸,其原理設(shè)計(jì)如圖2所示。監(jiān)測分站采用ARM(LPC1768)處理芯片，LPC1768主頻120 MHz，512 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、96 KB片內(nèi)SRAM、4 KB片內(nèi)EEPROM，并提供外部擴(kuò)展接口，可便于與并口高速AD轉(zhuǎn)換器連接，LPC1768可滿足數(shù)據(jù)采集和處理的應(yīng)用。監(jiān)測分站具有8路PT100溫度采集、6路4～20 mA電路信號采集、2路開關(guān)量信號采集、RS485通信接口、液晶顯示等功能。監(jiān)測分站原理設(shè)計(jì)包括長距離供電條件下的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)、分站本安電源設(shè)計(jì)、傳感器信號調(diào)理和采集電路設(shè)計(jì)。

圖2 數(shù)據(jù)采集器原理設(shè)計(jì)

1) 傳感器信號調(diào)理和采集電路設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集器的通道多，數(shù)據(jù)量大，信號調(diào)理部分采用的是在傳感器供電環(huán)節(jié)進(jìn)行低紋波處理，采集電路采用了硬件低通濾波和軟件數(shù)字濾波相結(jié)合方法，為了提高信號的可靠性和數(shù)據(jù)的精度以及較高信噪比AD采樣，采用AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1178，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。

2) 本安電源設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集器可外接8路溫度傳感器、6路電流輸出型傳感器和2路開關(guān)量傳感器，傳感器均為本質(zhì)安全型傳感器，為了降低數(shù)據(jù)采集器滿載時(shí)的功耗，外接的傳感器統(tǒng)一使用采集器提供的12 V本安電源。12 V本安電源部分設(shè)計(jì)了高頻、高效率的穩(wěn)壓型開關(guān)電源和高效率的雙重過壓、過流保護(hù)的本安柵來滿足礦用本安電源要求。

2.2 監(jiān)測主機(jī)原理設(shè)計(jì)

監(jiān)測主站采用ARM CortexTM-A8內(nèi)核，主頻1.2 G，搭配DDR3內(nèi)存，容量為1 G，EMMC嵌入式電子硬盤容量為32 G。監(jiān)測主站硬件設(shè)計(jì)包括RS485通信接口電路、CAN總線接口電路、以太網(wǎng)通信接口電路1路USBHost接口電路、液晶顯示屏電路等電路設(shè)計(jì)。

1) RS485通信接口電路。該電路采用RSM3485ECHT作為RS485485隔離收發(fā)器模塊，此模塊自帶120 K上下拉電阻和ESD保護(hù)功能，并帶有總線短路和斷路失效功能，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。

2) CAN總線接口電路。該電路采用CTM8251A作為CAN隔離收發(fā)器模塊，芯片采用全灌封工藝，內(nèi)部集成CANbus所必須的收發(fā)電路，完全電氣隔離，隔離電壓2 500 V。

3) 以太網(wǎng)通信接口電路。該電路用做以太網(wǎng)設(shè)備通信，用于大數(shù)據(jù)量的通信。采用性能好的工業(yè)級PHY芯片與隔離變壓器芯片，有線傳輸。

4) USBHost接口電路。該電路用于設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和導(dǎo)出功能。方便用戶對數(shù)據(jù)做二次分析與處理。電路使用USB專用ESD保護(hù)芯片，可以很好的用于設(shè)備頻繁熱插拔的情況。

5) 顯示屏設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)選用軍工級與低功耗的10.1寸TFT液晶作為顯示器，分辨率為1 024×600，顯卡采用低功耗FPGA作為核心部件，配合軟啟動(dòng)電路，優(yōu)化了供電方案，減少主站上電的沖擊電流，降低了監(jiān)測主站功耗。電路上采取背光邏輯控制和液晶背光控制分別控制的處理方法，使單路電源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流減小，易于控制，安全性好。針對工作面環(huán)境惡劣，現(xiàn)場粉塵多，振動(dòng)大的工況，本安顯示屏采用澆封兼本安設(shè)計(jì)，具備防水、防塵、防靜電、抗振動(dòng)、防腐蝕的優(yōu)勢，滿足環(huán)境惡劣工況下的運(yùn)行條件。

3 裝置的嵌入式軟件架構(gòu)

煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)以Linux 為操作系統(tǒng)，以SQLite 為數(shù)據(jù)庫管理核心。應(yīng)用界面以QT-Embeded 4.8.0 為工具進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與上傳在應(yīng)用程序啟動(dòng)之后，在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器通過以太網(wǎng)或RS485通信方式傳輸給監(jiān)測主站，監(jiān)測主站對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并交與本地存儲(chǔ)控制模塊，由本地存儲(chǔ)控制模塊控制數(shù)據(jù)庫引擎(SQLite 或 Berkeley DB)，將數(shù)據(jù)存入本地的數(shù)據(jù)庫中。

軟件邏輯架構(gòu)如圖3所示：軟件平臺(tái)操作系統(tǒng)采用Linux-2.6.35；數(shù)據(jù)庫平臺(tái)SQLite 3.7.16 或Berkeley DB 5.3.21；應(yīng)用程序采用QT-Embeded 4.8.0工具開發(fā)。

圖3 裝置軟件邏輯架構(gòu)

裝置軟件功能由顯示主界面、參數(shù)顯示、電子說明書、電子圖冊、數(shù)據(jù)拷貝、系統(tǒng)設(shè)置等功能組成，應(yīng)用程序整體操作流程如圖4所示。

圖4 應(yīng)用程序整體操作流程

4 嵌入式狀態(tài)監(jiān)測裝置在掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用

為了保證掘進(jìn)機(jī)井下巷道掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能及時(shí)掌握截割機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等部位關(guān)鍵參數(shù)變化以及截割頭位置、掘進(jìn)機(jī)載荷與截割牽引力與行走牽引力等受力情況，保障掘進(jìn)機(jī)安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，存儲(chǔ)大量現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)為掘進(jìn)機(jī)設(shè)備廠家的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提高動(dòng)態(tài)性能提供數(shù)據(jù)支持。

將嵌入式煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警，裝置采集掘進(jìn)機(jī)工作電壓和電流、液壓系統(tǒng)壓力、溫度、液位、流量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和壓力等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。同時(shí)，通過采集油缸位移，實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示截割頭位置，方便操作員進(jìn)行截割作業(yè)；通過監(jiān)測鏟板與后支撐位置，實(shí)現(xiàn)鏟板與截割頭干涉故障報(bào)警；通過掘進(jìn)機(jī)電流變化，監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)載荷情況；通過截割牽引力與行走牽引力實(shí)時(shí)計(jì)算顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)受力情況與預(yù)警。通過對掘進(jìn)機(jī)截割頭主軸、傳動(dòng)齒輪箱的振動(dòng)監(jiān)測分析，進(jìn)行故障診斷，掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測界面如圖5所示。通過在某煤礦EBZ260W型掘進(jìn)機(jī)中的長期可靠應(yīng)用，證明本文提出的嵌入式狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方法滿足煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測要求。

圖5 嵌入式狀態(tài)監(jiān)測裝置在掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用

5 結(jié)論

本文提出了基于嵌入式架構(gòu)的煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)方案，采用多參數(shù)傳感器信號調(diào)理和采集技術(shù)、高效率的礦用本安電源技術(shù)、澆封兼本安防爆型式、嵌入式軟硬件等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)設(shè)備的多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測，為煤機(jī)設(shè)備故障診斷與維修管理提供數(shù)據(jù)支撐。