王 琴， 王睿哲， 韓 鎮(zhèn)， 吳 江， 郭富祥

（中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院， 江蘇 徐州 221000）

引言

在煤礦產(chǎn)業(yè)的實(shí)際安全生產(chǎn)過程中，煤礦主通風(fēng)機(jī)承擔(dān)著重大作用，是保障井下作業(yè)人員生命安全的重要設(shè)施之一，由此我們設(shè)計(jì)了煤礦主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。

本系統(tǒng)通過采用精度高、體積小的高精度傳感器，可應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜，空間狹小的煤礦主通風(fēng)機(jī)，并能提升其振動(dòng)信號采集精度，以輔助于判斷機(jī)器是否正常，具有極為重要的實(shí)用價(jià)值。預(yù)警系統(tǒng)的軟件部分，設(shè)計(jì)采用LabVIEW 軟件程序作為開發(fā)平臺，它能明顯縮短開發(fā)周期，且具有豐富的外部接口，能與采集硬件實(shí)現(xiàn)無縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠采集，并具有良好的界面編輯功能，為系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面[1]。

1 煤礦主通風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號采集系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

煤礦主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)可分為信號的監(jiān)測和信號的分析兩大部分。信號的監(jiān)測主要由搭建的硬件平臺獲得，而信號的分析則通過編程實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合煤礦主通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)和工作環(huán)境以及信號采集的精度要求，本系統(tǒng)選用ADXL357 三軸加速度傳感器作為傳感器模塊的主要硬件設(shè)備。通過考察市場同類型系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及性能成本等綜合考慮，本系統(tǒng)選擇采用市場反饋良好，性能優(yōu)秀的C51單片機(jī)作為控制模塊主要硬件設(shè)備。軟件處理模塊采用國際主流公司美國國家儀器（NI）公司研發(fā)的Lab-VIEW 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及波形生成，如圖1 所示。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要由傳感器模塊和控制器模塊兩個(gè)模塊組成。傳感器模塊直接安裝在煤礦主通風(fēng)機(jī)上，確保其能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接收到振動(dòng)信號，并將信號及時(shí)傳回控制器模塊?？刂破髂K負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收傳感器模塊傳回的振動(dòng)信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將其傳輸至上位機(jī)中的軟件處理模塊。

2.1 傳感器模塊

ADXL537 三軸加速度傳感器內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3.3～5 V，引腳電平兼容3.3 V/5 V 的嵌入式系統(tǒng)，可以在礦井內(nèi)的復(fù)雜條件下進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。ASCII 模式輸出速率0.1～200 Hz，高速輸出模式輸出速率0.1～2 000 Hz，可以2 000 Hz 的速率高速輸出加速度信息。且其數(shù)據(jù)傳輸模式的多樣性，能夠?yàn)楣ぷ魅藛T在操作時(shí)提供更多的選擇，同時(shí)也能為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提供保障。在制作工藝上，本系統(tǒng)選用的產(chǎn)品使用雙層PCB 板工藝，使得芯片整體更薄更小，在礦井下狹小的工作空間里能更好地適應(yīng)工作環(huán)境。

ADXL357 三軸加速度傳感器可以很好地適應(yīng)煤礦主通風(fēng)機(jī)的復(fù)雜工作環(huán)境以達(dá)到目標(biāo)要求。煤礦主通風(fēng)機(jī)在工作過程中出現(xiàn)的故障類型主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動(dòng)、磨損故障、葉片故障等，為了確保能夠更精準(zhǔn)地采集振動(dòng)信號以判斷機(jī)器是否處于正常工作狀態(tài)，結(jié)合上述故障類型可能涉及到的故障部位，本系統(tǒng)將傳感器模塊安裝在煤礦主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸部分，并在傳感器外側(cè)增加一個(gè)防護(hù)罩，最大限度地保障傳感器在工作時(shí)不受外界其他振動(dòng)信號的干擾，確保振動(dòng)信號采集精度，如下頁圖2 所示。

2.2 控制器模塊

本系統(tǒng)控制器模塊選擇51 系列單片機(jī)作為核心控制硬件。51 單片機(jī)的操作系統(tǒng)十分完善，從內(nèi)部的硬件到軟件都有一套全面的按位操作系統(tǒng)，處理對象不是字或字節(jié)而是位[2]。結(jié)合ADXL357 的引腳圖，將對應(yīng)引腳與單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，ADXL357三軸加速度傳感器連續(xù)檢測出煤礦主通風(fēng)機(jī)加速度位于X、Y、Z 三個(gè)正交軸上的投影，Gx，Gy，Gz分別為左右、上下和前后的軸向加速度，G 為合加速度[2]，如圖3 所示。

三個(gè)軸向的加速度數(shù)據(jù)由加速度傳感器節(jié)點(diǎn)通過精度為12 位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號通過串口傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，然后將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中的LabVIEW 中進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)分析和波形分析。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分的上位機(jī)軟件采用美國國家儀器（NI）公司所開發(fā)的LabVIEW 進(jìn)行[3]編寫，相較于其他傳統(tǒng)的文字化計(jì)算機(jī)語言，LabVIEW 采用一種基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，又被稱為G 語言[4]。因?yàn)槠渚哂屑捎布渴?、信號處理分析和連接、控制與仿真、數(shù)據(jù)管理與報(bào)表生成、開發(fā)工具和驗(yàn)證、應(yīng)用發(fā)布等功能，如圖4 所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

單片機(jī)通USB 轉(zhuǎn)串口模塊連接上電腦打開串口調(diào)試助手，安裝好串口USB-TTL 模塊對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)CH340 以后，在設(shè)備管理器中查詢到對應(yīng)的端口號，既可以使單片機(jī)將振動(dòng)信號數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)初始默認(rèn)模式為ACSSI 模式，在該模式下默認(rèn)出場波特率為9 600，數(shù)據(jù)固定長度為16 進(jìn)制數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的功能，即單片機(jī)實(shí)時(shí)傳回的震動(dòng)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行保存，以便于在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析中提供更多的參考值，同時(shí)可以為日后相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立提供寶貴的數(shù)據(jù)資料。

串口發(fā)送一次數(shù)據(jù)過程的可以分為三個(gè)步驟：打開串口→發(fā)送數(shù)據(jù)→關(guān)閉串口。通過編輯LabVIEW中的程序，使得振動(dòng)信號數(shù)據(jù)輸入后使用DataSocket技術(shù)、VI 服務(wù)器和Web 服務(wù)器技術(shù)等，簡化了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)通過LabVIEW 軟件提供的繪圖功能圖形編程后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖形界面清晰、直觀。通過該程序，可以實(shí)現(xiàn)將三個(gè)軸向上的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并輸出波形，實(shí)現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號采集，如圖5 所示。

3.2 故障診斷系統(tǒng)

通過LabVIEW 對通風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，本系統(tǒng)接著利用MATLAB 平臺，建立基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)機(jī)故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型，其輸入15 個(gè)常見故障的X、Y、Z 軸的加速度作為訓(xùn)練樣本（如表1），輸出向量以通風(fēng)機(jī)故障中常見的故障類型如轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動(dòng)、磨損故障、葉片故障作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。輸入樣本對應(yīng)的期望輸出為“1”時(shí)表示通風(fēng)機(jī)存在故障，當(dāng)輸出為“0”時(shí)表示無故障。

表1 故障數(shù)據(jù)樣本組成

建立的模型經(jīng)過5 000 次的訓(xùn)練，達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)模型中預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)精度要求，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線如圖6 所示。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的煤礦主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)檢測及故障診斷系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，與此同時(shí)當(dāng)通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)超限時(shí)，還可以及時(shí)地對故障信號做出分析，進(jìn)而判斷故障類型，實(shí)現(xiàn)保障煤礦主通風(fēng)機(jī)正常工作，保護(hù)煤礦工人安全的功能。