煤機設備狀態監測系統設計與實現

張靜

（新疆維吾爾自治區哈密市檢驗檢測中心，新疆哈密，839099）

0 引言

自第二次工業革命以來，煤炭在世界能源消費中占有相當大的比例[1]。鑒于我國發展現狀，煤炭在我國一次能源生產中比例高達70%。通過技術更迭，實現煤炭的高效、安全、智能開采和清潔利用，是我國煤炭工業高效持久發展的重要方向[2]。多年以來，因煤機設備年久失修等因素導致的煤炭安全事故頻發。如果在設備故障發生前實現提前預判，將有效減少事故發生概率。目前，煤機故障多由于磨損、老化、疲勞、沖擊等引起，外在表現為設備振動和溫度參數突變[3]。針對上述問題，本文設計一種具有多參量傳感供能的煤機設備狀態監測系統，可實現對設備加速度、溫度參量的實施測量，旨在為提高煤機設備狀態監測效率、提高煤炭生產效率、降低煤礦安全事故發生率提供了新的解決方案。

1 系統整體設計

依據模塊化設計思路，監測系統按照功能實現的不同來分成不同部分，各個部分相互配合完成煤機設備溫度、加速度參數的測量任務。監測系統總體設計框圖如圖1 所示，由于鋰電池具有小巧便攜、易更換特點，因此模塊整體采用鋰電池供電。主控芯片（ESP32）實時獲取溫度傳感器和加速度傳感器采集重型煤機設備關鍵部位溫度和振動信息，然后分析采集到的數據并將數據發送至上位機接收器，最后上位機實時顯示通過接收器接收到的溫度和加速度參數信息。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

系統主要由信號采集模塊（溫度與加速度傳感器）、主控模塊（ESP32 芯片）及數據接收模塊組成。上述模塊相互協同，可完成對煤機設備溫度、振動信息的測量與傳輸。

■2.1 信號采集模塊

信號采集模塊利用溫度傳感器和加速度傳感器實現對煤機裝備溫度和振動信息的實時采集。本文選用DS18B20數字溫度傳感器和ADXL345 三軸加速度傳感器實現上述功能。DS18B20 數字溫度傳感器作為成熟器件，具有體積小、抗干擾能力強、采集精度高和電路設計簡單等特性，且工作電壓低至3V，可有效降低監測系統整體功耗。圖2(a)為溫度傳感器模塊電路原理圖。ADXL345 三軸加速度傳感器可有效采集機械設備各個方向加速度變化量，其分辨率高達3.9 mg/LSB，且具有超低功耗特性（連續工作時功耗僅為0.429 mW），同樣也可有效降低監測系統整體功耗。圖2(b)為三軸加速度傳感器模塊電路原理圖。

圖2

■2.2 主控模塊

主控芯片的作用是控制傳感模塊進行信息采集并將采集到的數據打包發送至上位機，本文采用低功耗ESP32 芯片作為主控芯片。ESP32 芯片除具有邏輯控制功能外，還集成無線傳輸模塊，可有效減小PCB 電路板整體面積。圖3 為主控模塊電路原理圖。

圖3 ESP32 主控模塊電路原理圖

■2.3 數據接收模塊

數據接收模塊與上位機相連，負責接收主控模塊發送的數據信息并將數據傳輸至上位機。本文選用2.4 GHz 無線傳輸芯片NRF24L01作為無線接收芯片。該芯片工作電壓為3.3 V，在接收狀態工作時的電流僅有12.3 mA。圖4 為NRF 24L01 模塊電路原理圖。

圖4 NRF24L01 模塊電路原理圖

系統采用模塊化理念展開PCB 電路板布板工作，依據各個模塊功能，獨立進行PCB 電路設計。同時，應考慮煤機設備特點和系統整體尺寸，采用小型化設計，盡可能節約系統實物空間資源。設計完成的電路PCB 圖和電路板實物圖如圖5 所示。

圖5 PCB 電路板設計圖與實物圖

3 系統軟件設計

煤機設備狀態監測系統采用主控芯片管理其中各個模塊之間工作與通信，并對溫度、振動數據進行處理與判斷。數據傳輸部分只需主控芯片將數據發送至對應單元，便可實現數據的無線發送。傳感模塊軟件邏輯設計至關重要，若邏輯時序錯誤，將無法采集到有用數據。其次，為實現系統整體功耗的降低，需針對主控芯片設計智能喚醒算法。

■3.1 傳感模塊邏輯設計

溫度傳感芯片時序邏輯如圖6(a)所示，主控芯片向DS18B20 芯片寫入1 或0 時均需至少持續60 μs 且獨立至少有1μs 的恢復時間。DS18B20 芯片僅在讀時段才會向主控芯片傳輸數據，主控芯片在執行完讀取模式后，必須及時生成讀時段，這樣才能采集到所需數據并傳輸至主控芯片。圖6(b)為ADXL345 加速度傳感芯片時序邏輯圖，主控芯片控制串口使能端口在傳輸起點變成低電平，然后在傳輸終點變成高電平。SCLK 為主控芯片提供的時鐘，SDI 和SDO分別為串行數據輸入和輸出，時鐘下降沿時傳感芯片采集到的數據得到更新，在時鐘上升沿時進行采樣并發送至上位機。

圖6 傳感模塊時序邏輯圖

■3.2 智能喚醒算法邏輯設計

在實際工作中，監測系統若持續處于工作狀態，則會消耗大量鋰電池電量，進而降低系統續航。因此，當重型煤機設備處于非工作狀態時，監控模塊應當處于休眠狀態，從而提升監測效率。如圖7 所示，本文提出一種智能喚醒算法，當系統通電完成初始化后，傳感器將采集設備溫度、振動信息。主控芯片開始處理數據，假如獲取的參數超過設定值，則主控芯片將數據傳輸至上位機。接著，根據采集到的數據進一步判斷是否繼續發送數據，若超出閾值，則發送數據；若未超出閾值，則先發出15 組數據作為安全監測值，然后繼續進行判斷，假如仍然低于閾值，則系統進入休眠狀態，反之則進入工作模式。

圖7 智能喚醒算法邏輯框圖

■3.3 系統主體程序

根據上文所屬邏輯功能，本文設計的監測系統主要程序如下：

4 測試結果

本文利用高低溫箱和振動臺模擬煤機設備工作狀態，對設計的監測系統進行測試。測試結果如圖8 所示，經過多輪循環測試后，傳感器的監測到的溫度值和加速度值均與設定的標準值無較大偏差。

圖8 測試結果

5 結論

本文針對煤礦安全生產需求，面向我國煤機智能化健康發展戰略需求，以煤機狀態實時監測為目的，提出了具有多參量傳感功能的監測單元，實現了對設備機械振動、溫度變化的實施監測，結合上位機軟件，有望實現對煤機狀態實時監測與智能預警。