智能化煤礦機電設備狀態監控系統研究

羅小剛

(四川科技職業學院，四川 眉山 620564)

煤礦機電設備是挖掘煤炭的重要機器，在我國的重工業中占據著重要的地位，保證煤礦機電設備的正常運行，需要設計一個狀態監控系統，以便準確記錄設備的溫度、速度、精度等指標。然而，在挖掘煤礦的地下，通常會存在信號弱、干擾強、難以準確傳遞數據信息等問題，智能化煤礦機電設備的狀態無法被準確、及時地傳遞到地面。因此，需要改進監控系統，強化其信號處理、數據傳輸的能力。一些學者也給出了自己的研究成果：文獻[1]設計了一種以全維度狀態監測為中心的穩態監控系統，通過監控裝置管理程序、狀態測量、遠程調控、狀態預警等功能，實現了對設備的全維度監控。該系統可以保證檢測過程中的負載平衡，但是對微小故障的數據處理以及傳遞能力較差。文獻[2]提出了一種面向SOA以及VPC的斷路器狀態檢測可視化系統，該系統可以將不同設備的狀態可視化，解決了在大數據背景下信息分布不均且傳輸困難等問題，作為一個決策支持系統，為狀態監控系統的監控設備提供了良好的背景，但是該系統只局限于軟件層面的信息收集、整理與分析，沒有提高硬件方面對噪聲的處理能力。文獻[3]提出了一種基于無線傳感網絡的設備震動狀態監測系統，通過復雜的布線設計，并利用WiFi技術將振動信號的峰值與烈度值傳遞到了中央處理器中。該系統可以有效地在不同的傳感器中傳遞數據，但是信號的穩定性較差，難以在噪聲的干擾中保持數據的穩定傳輸。

綜合以上文獻，本文設計了一種新的智能化煤礦機電設備狀態監控系統，對其硬件及軟件進行了相應的設計，并對其性能進行了測試。

1 系統總體設計

系統由存儲單元、數據采集單元、通信單元組成。整個系統工作流程：選取TF卡作為數據存儲卡接口，設計數據采集單元電路，將采集的數據保存在TF卡中后，將整理分析后的數據傳輸到主端中，利用射頻芯片接收裝置接收數據實現數據傳輸。通過機電設備監控對數據信息進行統計與分析，選取距離最小的線路，得到機電設備監控數據網絡節點的最佳連接路徑，以增強機電設備運行狀態的準確性。

2 硬件設計

2.1 數據存儲卡接口設計

在數據傳輸的過程中，主要的硬件系統共分為3部分，分別是存儲單元、數據采集單元、通信單元。存儲卡設計主要分為SD卡和TF卡2類[4]。在智能化煤礦機電設備的監控系統中，需要更小巧的存儲接口以及更快的數據傳遞速度。因此，本文的存儲卡接口設計選取TF卡。文中設計的TF卡接口電路如圖1所示。在圖1中，相比于SD卡，TF卡更加簡易，這導致其體積容量更小，便于在狹小的空間內使用。在低速的接口中具備更加廣闊的應用前景[5-6]。在圖1的電路中，需要采取120 Hz的主頻作為快速運轉的內置需求，在1 MB的Flash支持中，額外向外擴展，以保持相對應的接口完整。在兼容速度與內存時，可以通過SDIO接口表示以太網的嵌入式通信資源，從而滿足信息傳輸過程中對數據的存儲需求。

圖1 TF卡接口電路Fig.1 Interface circuit of TF card

2.2 數據采集單元電路設計

在采集數據的過程中，需要額外注意保證低通濾波的完整性，以加強對噪聲的過濾效果。本文設計的數據采集低通濾波電路如圖2所示。

圖2 數據采集電路Fig.2 Data acquisition circuit diagram

在圖2中，經過低通濾波裝置的電路會導致頻帶變窄，并降低隨機噪聲。

在調高了信噪比之后，對于該類情形，需要將干擾信號當作頻率的截止信號，并形成一個較大的衰減頻率[7-8]。在6個10 kΩ的電阻中，通過分壓電路可以將傳感器輸出的信號轉換成濾除噪聲模型，其中的截止頻率需要作為寬帶-40 dB的頻程，防止二極管導入電源電壓。在之后的模數轉換步驟中，需要采用ADS1282芯片，該芯片的性能較好，可以在-122 dB的諧波中達到0.65×10-6的失真度，若接口處與微控制器可以有一個信號產生振動，則圖2中的2個電容C1和C2會在ADS1282芯片內部設置差分低通濾波的頻率，并保證電阻值大于600 Ω[9-10]。此時的電阻與電容會直接減小電源頻率，保證數據采集的安全與完整。

2.3 數據傳輸單元射頻芯片接收裝置設計

通過上文所述的內容采集得到數據，并保存在TF卡中后，就可以將整理分析后的數據傳輸到主端中，此時需要通過一定的自組網絡完成PCI型的接口，以便增強節點的信息傳遞效果。該存儲卡規格為ZP-7765，且可以支持以太網自行配置最終的性能[11-12]。在遠距離的數據傳輸部分，每個節點都可以連通WiFi，形成一個高度集成的芯片，將無線網絡無線網卡的功能集合在同一款數據處理產品中，并構成了一個支持多種協議的收發器，便于接口與外界的通信。此時高標準的射頻芯片結構如圖3所示。數據傳輸的射頻芯片中主要包括3個通路，其中NT表示信號發射窗口，TM表示接收窗口，PR表示信號放大窗口。在噪聲的增益環節，需要設定傳輸增益25 dB，接收增益31 dB，在這個高度集成的模塊中，將便攜式的噪聲放大器與功率放大器連接在一起，形成一個集成式的噪聲負載控制儀[13-14]。經過數據采集、數據存儲以及數據傳輸通道的硬件設計，可以提高信息傳輸過程中的效率，減少噪聲的影響，提高信號接收強度。

圖3 射頻芯片接收裝置Fig.3 Rf chip receiver

3 系統軟件設計

3.1 計算機電設備監控數據節點位置

在機電設備運行的過程中，需要在硬件以外及時地掌握采集并存儲在TF芯片中的數據信息，同時對其進行統計與分析。在機電設備運行時會存在一些諸如最大值、最小值、平均值的數據，利用這些數據可以得到時間的滑動窗口，強化機電設備運行狀態的準確性[15]。假設時間窗口的大小約為15 s，每1 s有1個數據的統計指標。在允許標量相似度存在的前提下，可以得到二者之間距離的計算公式為：

d(a0，b0)=

(1)

式中，(a0，b0)分別為二者之間距離的橫縱坐標；d(a0，b0)為特征屬性的歐式距離；(a1，b1)、(a2，b2)、(an，bn)分別為在x維度的特征屬性標量中2個對象的歐氏距離[16-17]。

此時的余弦距離在二維空間中可以表示為：

(2)

式中，α為兩個對象的夾角，且cosα的距離范圍為[-1，1]，二者距離越近，α的角度越小，cosα越靠近1。計算余弦角之后，就可以計算2個對象的信任函數和似真函數。

(3)

(4)

式中，p(a)為信任函數值；k(b)為似真函數值；h(a)為對象a的信任度；f(b)為對象b的信任度。

通過這2個函數，基本可以采集得到2個近鄰對象的數據信息，然后得到節點的具體位置坐標。

3.2 連接數據節點最佳路徑

如要將存儲器內的數據在軟件層面傳輸到其他設備中，還需要在節點中設定傳輸路徑，其基本流程如圖4所示。在區分源節點的過程中，需要通過公式區分計算各樣本節點，此時需要計算網絡的吞吐率，公式為：

圖4 節點數據傳輸路徑Fig.4 Node data transmission path

(5)

式中，η為網絡節點的平均吞吐量；x為傳感器設備的總數量；v為數據在各節點中的傳輸速度[18]。

在具體的分組過程中，還需要計算傳輸結束后信號強度的均值，公式為：

(6)

式中，λ為n組節點的數據傳輸均值；xi為第i組數據的信號傳輸強度；n為節點的數量。

通過以上公式，可以選取距離最小的線路，并得到機電設備監控數據網絡節點的最佳連接路徑。

4 應用實例

選取我國某地中型煤礦作為研究對象，在礦區中設置若干傳感器，作為網絡連接的通信裝置。搭建監控系統主控模塊，連接數據采集裝置、轉速傳感系統、煤礦挖掘設備、開關電源等裝置作為智能化煤礦機電設備運行的核心裝置，分別測試3種干擾模式下狀態監控系統的抗噪性能。

系統界面如圖5所示。

圖5 系統界面Fig.5 System interface

4.1 數據準備

在智能化煤礦機電設備中，可以通過數據采集模塊來確定整個狀態監控系統的數據傳遞效果，在此過程中，可以將手持式測速儀作為轉速的測量儀器，并將傳感器的信號連接在煤礦機電設備的輸出端口[19]。考慮到機電設備在運行的過程中會出現較強噪聲，需要采樣頻率較高的數據采集芯片，采樣頻率為1～10 MHz，分辨率為16 bit。在后臺數據的處理過程中，監控系統、上位機客戶端等多個工程節點都會相互通信連接，形成一個數據共享的SQL Server數據庫。在這個數據庫中，可以使用不同傳感器將信息上傳至同一組數據庫中，從一個數據庫中下載信息數據至不同的傳感器，并將這些數據綜合處理分析，計算系統對噪聲的處理能力。

4.2 數據傳輸干擾測試

分別測試無噪聲干擾、單干擾源、雙干擾源3種情況下，智能化煤礦機電設備的數據傳輸能力，使用4臺可以傳輸數據的設備作為本次實驗的核心裝置，其擺放如圖6所示。

圖6 數據傳輸干擾示意Fig.6 Schematic diagram of interference in data transmission

圖6中，每幅圖像中共有4個設備，其中A1—A3分別為3臺傳感器，作為3個檢測節點，A4為數據協調器，各設備之間距離分布均勻，為矩形結構，在圖像的正中心是噪聲干擾的裝置[20]。將所有路由器中的干擾通道全部關閉，通過測試RSSI值直觀地衡量一個網絡環境的通信鏈路數據抗干擾能力，計算公式為：

(7)

式中，RSSIt為接收信號的瞬時強度；Ii為i時刻傳感器的瞬時電流；Qi為i時刻傳感器的瞬時電流。

由于1 s內可以得到8 192個RSSIt，則RSSI的平均值計算公式為：

(8)

式中，RSSIp為1 s內8 192個RSSI的平均值。通過觀察信號的好壞，衡量網絡信號傳遞過程中數據的傳輸能力。

開啟圖6中所有裝置，使用A4的協調器向各傳感器中傳輸數據包，以各裝置之間的矩形邊長距離為變量，分別測試3個傳感器的RSSIp值，得到的數據結果如圖7所示。從圖7可知，選擇12、16、20三種信道傳輸數據，且隨著傳感器直線距離由1 m增加至10 m，信號接收強度在不斷減弱。在無噪聲干擾時，傳感器在12信道中的信號接收強度由-49.6 dBm降低至-58.6 dBm，16信道中的信號接收強度由-41.2 dBm降低至-53.5 dBm，20信道的信號接收強度則是由-58.1 dBm變為-72.6 dBm。在單干擾源中，3種信道在1～10 m處的信號接收強度變化情況分別為-46.7～-52.3 dBm、-41.9～-52.6 dBm、-52.8～-68.3 dBm。在雙干擾源中，隨著傳感器間距離的增加，信號接收能力變化較大，在3種信道中分別為-40.3～-63.8 dBm、-32.9～-60.1 dBm、-46.2～-72.0 dBm。

圖7 信號接收能力測試Fig.7 Signal reception capability test

綜合以上數據可知，干擾源越多，對數據傳輸的影響就越大，且隨著傳感器間距離的增加，數據傳輸的難度也會隨之變大。在智能化煤礦機電設備的數據傳輸過程中，使用16信道的數據傳輸效果最好。

5 結語

在智能化煤礦機電設備的狀態監控系統設計中，通過硬件與軟件綜合構建了一個可以加強信號接收能力的系統。在硬件設計中，從存儲、采集、傳輸三方面出發，在軟件設計中，分別計算節點位置并連接最短節點路徑。通過實驗驗證了該方法在16信道中的傳輸效果最好，本文設計的系統具備較好的前景。