嵌入式煤機設備狀態監測裝置設計*

李臻，賈洪鋼

(北京天地龍躍科技有限公司， 北京 100043)

0 引言

煤機設備向安全、高效、智能化、無人化方向發展[1]，設備運行狀態監測感知和健康評估是設備可靠運行的重要保障。煤機狀態監測在保證設備穩定運行中起到了重要作用[2-3]，基于PLC的防爆型監測裝置可靠性高但防爆型監測裝置存在體積大、安裝不便等問題[4]，嵌入式系統以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統[5-6], 嵌入式系統的應用十分廣泛，涉及工業生產、日常生活、工業控制、航空航天等多個領域。

為了實現煤機設備狀態監測與健康評估，本文提出了一種基于嵌入式架構的煤機設備狀態監測裝置設計方案，通過嵌入式軟硬件系統設計，實現煤機設備狀態監測與健康評估。

1 裝置結構和特點

嵌入式煤機設備狀態監測裝置結構如圖1所示，該裝置采用嵌入式技術、多參數信號調理和采集技術、大功率礦用本安電源技術，減少裝置體積，實現煤機設備運行參數監測和重要部件的故障報警。數據采集器將采集的傳感器數據通過以太網或RS485通信方式發送給監測主機，監測主機對數據進行本地存儲、運算處理并將系統的關鍵狀態數據結果直觀顯示。

圖1 嵌入式煤機設備狀態監測裝置結構

嵌入式煤機設備狀態監測裝置具有以下特點：

1) 采用澆封兼本安防爆型式，實現裝置的體積最小化和防護最優化。裝置摒棄笨重的隔爆外殼，裝置整體小巧，緊湊、防水、防塵和抗震性能優良，滿足了煤礦電氣產品安裝體積和防護等級的要求。

2) 多參數傳感器信號調理和采集技術，實現數據采集的可靠性和準確性。煤機設備需采集的傳感器信號通道多，信號類型種類多，監測裝置數據采集器硬件上采用多階抗混疊濾波器、高性能運放和電壓基準進行精密調理、采用外置的高速、同步AD轉換器進行數據采集。軟件上采用數字濾波器對數據進行二次濾波處理，保證了數據采集的可靠性和準確性。

3) 嵌入式軟硬件技術，實現煤機設備狀態監測和分析。裝置監測主機采用高性能、低功耗COTEX-A8內核處理器，搭配豐富的存儲和通信接口資源的嵌入式硬件平臺，軟件移植LINUX操作系統、數據庫、QT界面，便于實現功能升級或者擴展。

4) 大功率、高效率的礦用本安電源技術，實現監測裝置的可靠供電。裝置采集的傳感器數量多、硬件平臺性能高，整體功耗大，加之裝置本身采用澆封工藝導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換器、超低內阻的開關器件、高性能的元件及其制作的高效率和高品質的換能器。本安隔離柵采用過壓過流保護，在滿足本質安全的要求下實現了電源的大功率輸出。

2 裝置的硬件設計

嵌入式煤機設備狀態監測裝置由數據采集器、監測主機組成。整個裝置由AC 127 V供電，數據采集器具備14通道的傳感器接口、2路繼電器輸出接口、CAN接口、RS485接口和以太網接口。數據采集器通過串行通信接口與電控箱、監測主機通信。監測主機采用COTEX-A8高速處理器，搭配1 G內存、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，監測主機具有RS485、CAN、以太網接口。

2.1 數據采集器原理設計

數據采集器用于實現煤機設備電動機與減速器溫度、壓力、流量、油位、振動等運行參數采集與傳輸,其原理設計如圖2所示。監測分站采用ARM(LPC1768)處理芯片，LPC1768主頻120 MHz，512 KB片內Flash程序存儲器、96 KB片內SRAM、4 KB片內EEPROM，并提供外部擴展接口，可便于與并口高速AD轉換器連接，LPC1768可滿足數據采集和處理的應用。監測分站具有8路PT100溫度采集、6路4～20 mA電路信號采集、2路開關量信號采集、RS485通信接口、液晶顯示等功能。監測分站原理設計包括長距離供電條件下的軟啟動設計、分站本安電源設計、傳感器信號調理和采集電路設計。

圖2 數據采集器原理設計

1) 傳感器信號調理和采集電路設計。數據采集器的通道多，數據量大，信號調理部分采用的是在傳感器供電環節進行低紋波處理，采集電路采用了硬件低通濾波和軟件數字濾波相結合方法，為了提高信號的可靠性和數據的精度以及較高信噪比AD采樣，采用AD轉換芯片ADS1178，實現高精度數據采集。

2) 本安電源設計。數據采集器可外接8路溫度傳感器、6路電流輸出型傳感器和2路開關量傳感器，傳感器均為本質安全型傳感器，為了降低數據采集器滿載時的功耗，外接的傳感器統一使用采集器提供的12 V本安電源。12 V本安電源部分設計了高頻、高效率的穩壓型開關電源和高效率的雙重過壓、過流保護的本安柵來滿足礦用本安電源要求。

2.2 監測主機原理設計

監測主站采用ARM CortexTM-A8內核，主頻1.2 G，搭配DDR3內存，容量為1 G，EMMC嵌入式電子硬盤容量為32 G。監測主站硬件設計包括RS485通信接口電路、CAN總線接口電路、以太網通信接口電路1路USBHost接口電路、液晶顯示屏電路等電路設計。

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

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

3) 以太網通信接口電路。該電路用做以太網設備通信，用于大數據量的通信。采用性能好的工業級PHY芯片與隔離變壓器芯片，有線傳輸。

4) USBHost接口電路。該電路用于設備數據存儲和導出功能。方便用戶對數據做二次分析與處理。電路使用USB專用ESD保護芯片，可以很好的用于設備頻繁熱插拔的情況。

5) 顯示屏設計。該設計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，配合軟啟動電路，優化了供電方案，減少主站上電的沖擊電流，降低了監測主站功耗。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，使單路電源驅動的負載電流減小，易于控制，安全性好。針對工作面環境惡劣，現場粉塵多，振動大的工況，本安顯示屏采用澆封兼本安設計，具備防水、防塵、防靜電、抗振動、防腐蝕的優勢，滿足環境惡劣工況下的運行條件。

3 裝置的嵌入式軟件架構

煤機設備狀態監測裝置的軟件設計以Linux 為操作系統，以SQLite 為數據庫管理核心。應用界面以QT-Embeded 4.8.0 為工具進行開發。數據的采集、存儲與上傳在應用程序啟動之后，在后臺自動運行。設備運行狀態數據由數據采集器通過以太網或RS485通信方式傳輸給監測主站，監測主站對數據進行解析，并交與本地存儲控制模塊，由本地存儲控制模塊控制數據庫引擎(SQLite 或 Berkeley DB)，將數據存入本地的數據庫中。

軟件邏輯架構如圖3所示：軟件平臺操作系統采用Linux-2.6.35；數據庫平臺SQLite 3.7.16 或Berkeley DB 5.3.21；應用程序采用QT-Embeded 4.8.0工具開發。

圖3 裝置軟件邏輯架構

裝置軟件功能由顯示主界面、參數顯示、電子說明書、電子圖冊、數據拷貝、系統設置等功能組成，應用程序整體操作流程如圖4所示。

圖4 應用程序整體操作流程

4 嵌入式狀態監測裝置在掘進機的應用

為了保證掘進機井下巷道掘進過程中，掘進機司機能及時掌握截割機構、行走機構、運輸結構、冷卻系統等部位關鍵參數變化以及截割頭位置、掘進機載荷與截割牽引力與行走牽引力等受力情況，保障掘進機安全可靠運行。同時，存儲大量現場運行數據為掘進機設備廠家的結構改進和提高動態性能提供數據支持。

將嵌入式煤機設備狀態監測裝置應用于掘進機運行狀態監測與故障預警，裝置采集掘進機工作電壓和電流、液壓系統壓力、溫度、液位、流量、執行機構的位移和壓力等運行狀態參數。同時，通過采集油缸位移，實時計算與顯示截割頭位置，方便操作員進行截割作業；通過監測鏟板與后支撐位置，實現鏟板與截割頭干涉故障報警；通過掘進機電流變化，監測掘進機載荷情況；通過截割牽引力與行走牽引力實時計算顯示，實時監測掘進機受力情況與預警。通過對掘進機截割頭主軸、傳動齒輪箱的振動監測分析，進行故障診斷，掘進機狀態監測界面如圖5所示。通過在某煤礦EBZ260W型掘進機中的長期可靠應用，證明本文提出的嵌入式狀態監測裝置設計方法滿足煤機狀態監測要求。

圖5 嵌入式狀態監測裝置在掘進機的應用

5 結論

本文提出了基于嵌入式架構的煤機設備狀態監測設計方案，采用多參數傳感器信號調理和采集技術、高效率的礦用本安電源技術、澆封兼本安防爆型式、嵌入式軟硬件等技術手段，實現了煤機設備的多參數狀態監測，為煤機設備故障診斷與維修管理提供數據支撐。