煤矿多路工况音汇聚检测装置

2017-08-01冯新军徐永冯晓哲韩剑

中国设备工程 2017年14期

关键词：以太网水泵单片机

冯新军，徐永，冯晓哲，韩剑

（1.郑州煤电股份有限公司告成煤矿，河南郑州 450015；2.北京航空航天大学，北京 100191）

煤矿多路工况音汇聚检测装置

冯新军1，徐永1，冯晓哲2，韩剑1

（1.郑州煤电股份有限公司告成煤矿，河南郑州 450015；2.北京航空航天大学，北京 100191）

提出一种多路工况音汇聚检测装置。通过多路拾音器、多路音频放大器、多路低通滤波器、8:1多路模拟开关、单片机及以太网接口实现工况音的多路汇聚。汇聚后的数字工况音经以太网接口传输到地面的控制用主机进行播放。其优点是实现了煤矿井下多路设备工况音的汇聚采集，避免了各路采集需要使用多套重复的工况音采集设备、占用多个交换机口的现象，经济实用。此外，还可以有效降低网络流量。

多路；工况音；汇聚；模拟开关；网络流量

煤矿综合自动化系统采用工业以太网作为主干传输网络，各种监测监控信号、语音信号、视频信号等均通过工业以太网平台进行传输。综合自动化中对于设备的远程控制，常通过工业电视来监测设备的工况，如皮带的启停、采煤机的启停等。而对于某些设备，如风机、水泵等设备，属于内部旋转的设备，外部看不到动作，不能用工业电视来监视这些设备是否已经开启与停机。近年来发展出了用拾音器来检测这类设备开启与停机时的设备工况音，并通过网络将数字化的工况音传送到地面，在地面用喇叭来播放工况音，用来辅助操作人员识别该水泵是否正常开启与停机。目前，这种工况音信号检测装置采用了普通的语音频检测技术，基本都是单路的，每个检测装置占用一个网络交换机的 RJ45口，

并不能很好地适合煤矿井下设备相对集中的场合，如井下水泵房。本文提出一种多路工况音汇聚检测装置，能按地面工作主机的指令，选出指定的某一路设备进行工况音采集。由于电力负荷稳定的需要，煤矿井下设备集中的地方通常在某个时刻只能启/停一台设备，不存在多台设备同时启/停的情况，因此，汇聚单元只需要根据地面主机的指令选定启/停工作的那一路信号进行采集与传输。其优点是经济实用，避免使用多套重复的检测装置占用过多的交换机口。

1 工况音汇聚的原理

图1 多路工况音汇聚电路原理图

多路工况音汇聚装置包括多路拾音器、多路音频放大器、多路低通滤波器、8:1多路模拟开关、单片机和以太网接口。如图1所示为8路工况音汇聚装置。图中拾音器采用通用商品化拾音器，音频放大器为通用商品化音频放大器，滤波器采用 uA741搭建，模拟开关采用 CD4051，单片机采用具有 A/D转换及以太网接口的 PIC18F66J60，工业以太网为煤矿己有的井上和井下监测控制用工业以太网，地面主机为普通计算机。

具体工作过程是，地面主机通过以太网传送来某个通道的采集指令，单片机选定该通道，将控制通道的信号输出给多路模拟开关的 A、B、C端口，指定的这路拾音器拾取该设备开/停的工况音信号，经本路音频放大器放大和低通滤波，其输出信号汇聚到 8:1模拟开关，将此路模拟信号选出送到单片机进行采集。通道选择编码如表1。

表1

八选一模拟开关的N端为片选端，选中时，该模拟开关进入工作状态。选中的工况音信号在单片机中进行数字化，并转换成以太网数据格式，并经以太网接口传输到地面的控制用主机进行播放。各拾音器安装在被检测设备附近。该工况拾音装置中使用的可控低通滤波器由 uA741模拟集成电路组成，两级 RC电路组成滤波网络，截止频率 f0=1/2πRC，调节 R 可调节低通滤波器的截止频率，使其满足模拟工况音信号不高于 800Hz的要求。单片机采用 PIC18F66J60单片机，AD转换和以太网传输由具有以太网控制器的单片机 PIC18F66J60系列芯片为主构成，该单片机具有 64K闪存程序存储器，39脚 I/O 口，10Base-T以太网通信。支持 IEEE 802.3(TM) 兼容的以太网控制器，支持 10Base-T 端口，集成了 MAC接入层和10Base-T物理层，专用的 8KB发送 /接收数据包缓冲器 SRAM等，并且具有普通单片机的功能，具有11通道的 10位模数转换器模块（A/D）和自动采样功能，在实施中只用其中1个通道模数转换。数字化的工况音信号通过以太网口 TPOUT和 TPIN实时传送到工业太网中。根据 PIC18F66J60单片机采样频率计算公式，当晶体频率采用 Fad=25MHz时，采样频率最高可达 250kHz，完全能满足 2kHz以内的工况音信号动态采样的要求。工业以太网通过标准的 RJ45接口连接到 1:1的脉冲变压器 CT，再连接到 PIC单片机的 TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四个端口，实现以太网传输。

2 使用效果

超化煤矿已经建成了比较完善的综合自动化底层网络及中间层集成系统，矿井通风、排水、供电、运输、主副井提升等 10多个子系统均在综合自动化平台上进行传输与监控。过去对水泵房的工况音监测是采用多路工况音检测装置，占用多个交换机 RJ45口，设备重复率高，费用大。由于电力负荷稳定的需要，煤矿井下设备集中的地方通常在某个时刻只能启/停一台设备，不存在多台设备同时启/停的情况，因此，汇聚单元只需要根据地面主机的指令选定启/停工作的那一路信号进行采集与传输。本多路工况音汇聚装置在郑煤集团超化煤矿的井下泵房进行了试用。使用中，多路拾音器分别安装在被检测水泵设备附近，通过屏蔽的音频电缆将工况音信号引到本装置。工业以太网采用煤矿已有的井上和井下监测控制用工业以太网，主机为普通计算机。

在软件的控制下，本装置可以控制采集任一指定设备的工况音信号，通过工业以太网采集到的信息如图2所示，图2中 (a)图为原来多路的工况音独立使用通道传输时，地面从多个通道获取的波形。多个水泵的启动信号从多个通道而来。由于电力负荷稳定的需要，各台水泵须在不同时刻进行启动。(b)图是使用本装置后，多路水泵开启时的信号合成了一路，由于水泵启动时刻本来就必须有前后，因此，启动的波形也在不同的时间段。采用工况音汇聚装置后带来的另一方面的好处是有效降低了网络流量。由于超化煤矿综合自动化系统中通风、排水、供电、运输、主副井提升等 10多个子系统均在综合自动化平台上进行传输与监控，控制网络流量是一个很重要的工作。采用汇聚装置后，将图2(a)所示的多路流量信号汇聚成了图2(b)所示的一路流量信号，流量降低到原来的 1/3，如用在更多路的场合后，流量降低会更为明显。