嵌入式煤机设备状态监测装置设计*

2021-10-16李臻贾洪钢

煤矿机电 2021年4期

李臻，贾洪钢

(北京天地龙跃科技有限公司，北京 100043)

0 引言

煤机设备向安全、高效、智能化、无人化方向发展[1]，设备运行状态监测感知和健康评估是设备可靠运行的重要保障。煤机状态监测在保证设备稳定运行中起到了重要作用[2-3]，基于PLC的防爆型监测装置可靠性高但防爆型监测装置存在体积大、安装不便等问题[4]，嵌入式系统以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统[5-6], 嵌入式系统的应用十分广泛，涉及工业生产、日常生活、工业控制、航空航天等多个领域。

为了实现煤机设备状态监测与健康评估，本文提出了一种基于嵌入式架构的煤机设备状态监测装置设计方案，通过嵌入式软硬件系统设计，实现煤机设备状态监测与健康评估。

1 装置结构和特点

嵌入式煤机设备状态监测装置结构如图1所示，该装置采用嵌入式技术、多参数信号调理和采集技术、大功率矿用本安电源技术，减少装置体积，实现煤机设备运行参数监测和重要部件的故障报警。数据采集器将采集的传感器数据通过以太网或RS485通信方式发送给监测主机，监测主机对数据进行本地存储、运算处理并将系统的关键状态数据结果直观显示。

图1 嵌入式煤机设备状态监测装置结构

嵌入式煤机设备状态监测装置具有以下特点：

1) 采用浇封兼本安防爆型式，实现装置的体积最小化和防护最优化。装置摒弃笨重的隔爆外壳，装置整体小巧，紧凑、防水、防尘和抗震性能优良，满足了煤矿电气产品安装体积和防护等级的要求。

2) 多参数传感器信号调理和采集技术，实现数据采集的可靠性和准确性。煤机设备需采集的传感器信号通道多，信号类型种类多，监测装置数据采集器硬件上采用多阶抗混叠滤波器、高性能运放和电压基准进行精密调理、采用外置的高速、同步AD转换器进行数据采集。软件上采用数字滤波器对数据进行二次滤波处理，保证了数据采集的可靠性和准确性。

3) 嵌入式软硬件技术，实现煤机设备状态监测和分析。装置监测主机采用高性能、低功耗COTEX-A8内核处理器，搭配丰富的存储和通信接口资源的嵌入式硬件平台，软件移植LINUX操作系统、数据库、QT界面，便于实现功能升级或者扩展。

4) 大功率、高效率的矿用本安电源技术，实现监测装置的可靠供电。装置采集的传感器数量多、硬件平台性能高，整体功耗大，加之装置本身采用浇封工艺导致的电源热处理困难，对装置的本安电源提出了更高的要求。装置采用高频的电源转换器、超低内阻的开关器件、高性能的元件及其制作的高效率和高品质的换能器。本安隔离栅采用过压过流保护，在满足本质安全的要求下实现了电源的大功率输出。

2 装置的硬件设计

嵌入式煤机设备状态监测装置由数据采集器、监测主机组成。整个装置由AC 127 V供电，数据采集器具备14通道的传感器接口、2路继电器输出接口、CAN接口、RS485接口和以太网接口。数据采集器通过串行通信接口与电控箱、监测主机通信。监测主机采用COTEX-A8高速处理器，搭配1 G内存、64 G硬盘和10寸液晶显示器，并带有不低于2 h的后备电源，监测主机具有RS485、CAN、以太网接口。

2.1 数据采集器原理设计

数据采集器用于实现煤机设备电动机与减速器温度、压力、流量、油位、振动等运行参数采集与传输,其原理设计如图2所示。监测分站采用ARM(LPC1768)处理芯片，LPC1768主频120 MHz，512 KB片内Flash程序存储器、96 KB片内SRAM、4 KB片内EEPROM，并提供外部扩展接口，可便于与并口高速AD转换器连接，LPC1768可满足数据采集和处理的应用。监测分站具有8路PT100温度采集、6路4～20 mA电路信号采集、2路开关量信号采集、RS485通信接口、液晶显示等功能。监测分站原理设计包括长距离供电条件下的软启动设计、分站本安电源设计、传感器信号调理和采集电路设计。

图2 数据采集器原理设计

1) 传感器信号调理和采集电路设计。数据采集器的通道多，数据量大，信号调理部分采用的是在传感器供电环节进行低纹波处理，采集电路采用了硬件低通滤波和软件数字滤波相结合方法，为了提高信号的可靠性和数据的精度以及较高信噪比AD采样，采用AD转换芯片ADS1178，实现高精度数据采集。

2) 本安电源设计。数据采集器可外接8路温度传感器、6路电流输出型传感器和2路开关量传感器，传感器均为本质安全型传感器，为了降低数据采集器满载时的功耗，外接的传感器统一使用采集器提供的12 V本安电源。12 V本安电源部分设计了高频、高效率的稳压型开关电源和高效率的双重过压、过流保护的本安栅来满足矿用本安电源要求。

2.2 监测主机原理设计

监测主站采用ARM CortexTM-A8内核，主频1.2 G，搭配DDR3内存，容量为1 G，EMMC嵌入式电子硬盘容量为32 G。监测主站硬件设计包括RS485通信接口电路、CAN总线接口电路、以太网通信接口电路1路USBHost接口电路、液晶显示屏电路等电路设计。

1) RS485通信接口电路。该电路采用RSM3485ECHT作为RS485485隔离收发器模块，此模块自带120 K上下拉电阻和ESD保护功能，并带有总线短路和断路失效功能，稳定性好，抗干扰能力强。

2) CAN总线接口电路。该电路采用CTM8251A作为CAN隔离收发器模块，芯片采用全灌封工艺，内部集成CANbus所必须的收发电路，完全电气隔离，隔离电压2 500 V。

3) 以太网通信接口电路。该电路用做以太网设备通信，用于大数据量的通信。采用性能好的工业级PHY芯片与隔离变压器芯片，有线传输。

4) USBHost接口电路。该电路用于设备数据存储和导出功能。方便用户对数据做二次分析与处理。电路使用USB专用ESD保护芯片，可以很好的用于设备频繁热插拔的情况。

5) 显示屏设计。该设计选用军工级与低功耗的10.1寸TFT液晶作为显示器，分辨率为1 024×600，显卡采用低功耗FPGA作为核心部件，配合软启动电路，优化了供电方案，减少主站上电的冲击电流，降低了监测主站功耗。电路上采取背光逻辑控制和液晶背光控制分别控制的处理方法，使单路电源驱动的负载电流减小，易于控制，安全性好。针对工作面环境恶劣，现场粉尘多，振动大的工况，本安显示屏采用浇封兼本安设计，具备防水、防尘、防静电、抗振动、防腐蚀的优势，满足环境恶劣工况下的运行条件。

3 装置的嵌入式软件架构

煤机设备状态监测装置的软件设计以Linux 为操作系统，以SQLite 为数据库管理核心。应用界面以QT-Embeded 4.8.0 为工具进行开发。数据的采集、存储与上传在应用程序启动之后，在后台自动运行。设备运行状态数据由数据采集器通过以太网或RS485通信方式传输给监测主站，监测主站对数据进行解析，并交与本地存储控制模块，由本地存储控制模块控制数据库引擎(SQLite 或 Berkeley DB)，将数据存入本地的数据库中。

软件逻辑架构如图3所示：软件平台操作系统采用Linux-2.6.35；数据库平台SQLite 3.7.16 或Berkeley DB 5.3.21；应用程序采用QT-Embeded 4.8.0工具开发。

图3 装置软件逻辑架构

装置软件功能由显示主界面、参数显示、电子说明书、电子图册、数据拷贝、系统设置等功能组成，应用程序整体操作流程如图4所示。

图4 应用程序整体操作流程

4 嵌入式状态监测装置在掘进机的应用

为了保证掘进机井下巷道掘进过程中，掘进机司机能及时掌握截割机构、行走机构、运输结构、冷却系统等部位关键参数变化以及截割头位置、掘进机载荷与截割牵引力与行走牵引力等受力情况，保障掘进机安全可靠运行。同时，存储大量现场运行数据为掘进机设备厂家的结构改进和提高动态性能提供数据支持。

将嵌入式煤机设备状态监测装置应用于掘进机运行状态监测与故障预警，装置采集掘进机工作电压和电流、液压系统压力、温度、液位、流量、执行机构的位移和压力等运行状态参数。同时，通过采集油缸位移，实时计算与显示截割头位置，方便操作员进行截割作业；通过监测铲板与后支撑位置，实现铲板与截割头干涉故障报警；通过掘进机电流变化，监测掘进机载荷情况；通过截割牵引力与行走牵引力实时计算显示，实时监测掘进机受力情况与预警。通过对掘进机截割头主轴、传动齿轮箱的振动监测分析，进行故障诊断，掘进机状态监测界面如图5所示。通过在某煤矿EBZ260W型掘进机中的长期可靠应用，证明本文提出的嵌入式状态监测装置设计方法满足煤机状态监测要求。