一種按需采集的煤礦設(shè)備工況音檢測的裝置

馮新軍++徐永++馮曉哲++邵振

摘 要：在煤礦綜合自動化系統(tǒng)中用數(shù)字化拾音器來檢測無外部動作的設(shè)備開/停時的設(shè)備工況音，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化的工況音傳送到地面，用喇叭來播放工況音，以輔助操作人員識別該設(shè)備是否正常開啟與停機(jī)?，F(xiàn)有的礦山設(shè)備工況音檢測裝置采用了普通的音頻檢測傳輸技術(shù)，不論是否需要，都進(jìn)行工況音信號采集與傳輸，造成不需要工況音時，網(wǎng)絡(luò)上也有數(shù)字化音頻傳輸，占用了大量的網(wǎng)絡(luò)流量。本文提出一種按需采集的煤礦工況音檢測裝置，只在需要時將遠(yuǎn)程設(shè)備啟/停工況音采集傳輸?shù)降孛?，平時并不傳輸工況音，這樣大量減少了網(wǎng)絡(luò)上不必要的流量。

關(guān)鍵詞：工況音；按需采集；流量

中圖分類號：TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0167-02

1 前言

煤礦綜合自動化系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，各種監(jiān)測監(jiān)控信號、語音信號、視頻信號等均通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺進(jìn)行傳輸。顯然，在這種信息綜合傳輸過程中，有效控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，提高網(wǎng)絡(luò)的實際使用效率是很重要的[1]。綜合自動化中對于設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，常通過工業(yè)電視來監(jiān)測設(shè)備的工況，如皮帶的啟停、采煤機(jī)的啟停等。但對于某些設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，由于他們屬于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，外部看不到動作，不能用工業(yè)電視來監(jiān)視這些設(shè)備是否已經(jīng)開啟與停機(jī)。為此，近年來發(fā)展出了用拾音器來檢測這類設(shè)備開啟與停機(jī)時的設(shè)備工況音，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化的工況音傳送到地面，在地面用喇叭來播放工況音，用來輔助操作人員識別該水泵是否正常開啟與停機(jī)[2]。顯然，工況音信號只是在設(shè)備開啟與停止時使用，平時一般不需要。然而，現(xiàn)有的礦山設(shè)備工況音檢測裝置采用了普通的語音頻檢測技術(shù)，不論是否需要，都進(jìn)行工況音信號采集與傳輸，造成不需要工況音時，網(wǎng)絡(luò)上也有數(shù)字化音頻傳輸，占用了大量的網(wǎng)絡(luò)流量。

本文實現(xiàn)了一種煤礦設(shè)備工況音按需采集裝置，能按地面工作主機(jī)的需要對設(shè)備開啟/停機(jī)時的工況音進(jìn)行有控制的采集、濾波、數(shù)字化，并通過煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛婵刂剖疫M(jìn)行播放，用來幫助操作人員了解井下設(shè)備的啟/停工作狀況。這種按需采集方式有效降低了網(wǎng)絡(luò)平臺上的傳輸流量。

2 按需采集工況音的原理

所謂按需采集就是說在地面主機(jī)有需要時才采集與傳輸被監(jiān)測監(jiān)控對象的信號，平時是不需要采集與傳輸信號的。過去的獨立自動化系統(tǒng)是沒有這樣的需求的。而在煤礦綜合自動化環(huán)境下，眾多系統(tǒng)共用同一個傳輸平臺的，如何有效的控制網(wǎng)絡(luò)中的傳輸流量，盡可能少地傳輸無用的信息就越來越重要。這就對網(wǎng)絡(luò)上的采集控制設(shè)備提出了新的要求。按需采集的設(shè)備工況音的技術(shù)方案的實現(xiàn)：煤礦設(shè)備工況音拾音裝置包括以太網(wǎng)接口、拾音器、音頻放大器、低通濾波器、控制單元、單片機(jī)等組成，如圖1所示。

工作過程是：首先由地面的主機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)出需要采集工況音的控制信號，通過單片機(jī)內(nèi)部相應(yīng)的采集控制寄存器（ADCON0）進(jìn)行按需控制采集，同時將控制信號施加到音頻放大器和低通濾波器，控制它們開始工作。拾音器拾取設(shè)備開/停的工況音信號送到音頻放大器進(jìn)行放大，再由濾波器進(jìn)行低通濾波處理，其輸出信號送到單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字化后的工況音信號在單片機(jī)中轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，并經(jīng)以太網(wǎng)接口由煤礦工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娴目刂朴弥鳈C(jī)，主機(jī)對接收到的工況音信號進(jìn)行播放。

ADCON0：A/D控制寄存器的控制字如表1。

其中bit 0 ADON：為采集控制位，1為允許A/D轉(zhuǎn)換；0為不允許A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)接收到允許A/D轉(zhuǎn)換的指令后，通過單片機(jī)的RF0口，和控制單元同時將控制信號施加到音頻放大器和低通濾波器，控制它們開始工作，均為高電平允許工作。拾音器拾取設(shè)備開/停的工況音信號送到可控音頻放大器進(jìn)行放大，再由低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理，該工況拾音裝置中使用的可控低通濾波器由uA741模擬集成電路組成，兩級RC電路組成濾波網(wǎng)絡(luò)，截止頻率f0=1/2πRC，調(diào)節(jié)R和C可調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，使其滿足模擬工況音信號不高于800Hz的要求。

濾波后的音頻信號送到單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字化后的工況音信號在單片機(jī)中轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式。單片機(jī)采用PIC18F66J60單片機(jī)，AD轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)傳輸由具有以太網(wǎng)控制器的單片機(jī)PIC18F66J60系列芯片為主構(gòu)成，該單片機(jī)具有64K閃存程序存儲器，39腳I/O口，10Base-T以太網(wǎng)通信。支持IEEE 802.3（TM）兼容的以太網(wǎng)控制器，支持 10Base-T端口，集成了MAC接入層和10Base-T物理層，專用的8KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包緩沖器SRAM等，并且具有普通單片機(jī)的功能，具有11通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊（A/D）和自動采樣功能，在實施中只用其中1個通道模數(shù)轉(zhuǎn)換。

實際電路中模擬工況音信號送到PIC18F66J60單片機(jī)的模擬輸入端AN0進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，變成數(shù)字信號存在單片機(jī)內(nèi)存中。并通過以太網(wǎng)口TPOUT和TPIN實時傳送到工業(yè)太網(wǎng)中。根據(jù)PIC18F66J60單片機(jī)采樣頻率計算公式，當(dāng)晶體頻率采用Fad=25MHz時，采樣頻率最高可達(dá)250kHz，完全能滿足采樣頻率2kHz以內(nèi)的工況音信號動態(tài)采樣的要求。工業(yè)以太網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口連接到1：1的脈沖變壓器CT，再連接到PIC單片機(jī)的TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四個端口，實現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸。數(shù)據(jù)化的工況狀態(tài)音信號經(jīng)以太網(wǎng)接口由煤礦工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娴目刂朴弥鳈C(jī)，主機(jī)對接收到的工況音信號進(jìn)行播放。

3 使用效果

超化煤礦己經(jīng)建成了比較完善的綜合自動化底層網(wǎng)絡(luò)及中間層集成系統(tǒng)，礦井通風(fēng)、排水、供電、運輸、主副井提升等十多個子系統(tǒng)均在綜合自動化平臺上進(jìn)行傳輸與監(jiān)控。過去對水泵房的工況音監(jiān)測是直接采集與傳輸?shù)奖O(jiān)控室，由監(jiān)控室通過軟件來選擇是否播放某個設(shè)備的工況間。也就是說，不管監(jiān)控室是否需要播放工況音，數(shù)字化音頻都是傳輸過來的，這造成了大量數(shù)據(jù)流量的浪費，網(wǎng)絡(luò)效率不高。

本裝置在鄭煤集團(tuán)超化煤礦的井下泵房進(jìn)行了試用。使用中，拾音器安裝在被檢測水泵設(shè)備附近，工業(yè)以太網(wǎng)采用煤礦己有的井上和井下監(jiān)測控制用工業(yè)以太網(wǎng)，主機(jī)為普通計算機(jī)。在軟件的控制下，本裝置可以控制采集所需的時間段工況音信號。在主機(jī)控制下通過工業(yè)以太網(wǎng)采集到的信息如圖2所示，圖2中上圖為水泵正常運行時的工況音波形，可見是比較單調(diào)的振動音信號，一般操作工人不太關(guān)心這種信號。下圖是水泵開啟時的信號變化，有明顯的設(shè)備啟動過程中的振動音變化。這是操作工人比較關(guān)心的，用來監(jiān)測水泵啟動過程是否正常。

超化煤礦水泵控制過程從地面發(fā)出控制指令，到網(wǎng)絡(luò)上的檢測論證到水泵平穩(wěn)運行，大概在1分鐘左右，因此我們設(shè)定水泵啟動運行工況音監(jiān)測時間為1分15秒，然后自動停止該水泵工況音的采集與傳輸。如圖2的下圖所示。經(jīng)計算，使用按需采集的工況音裝置后，對一臺水泵而言，網(wǎng)絡(luò)流量下降到低于原來的1/1000，表明設(shè)備工況音按需采集確實大量降低了網(wǎng)絡(luò)上不必要的數(shù)據(jù)傳輸流量，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)語

本文提出一種按需采集的煤礦設(shè)備工況音檢測裝置，用于在煤礦綜合自動化環(huán)境下，對外部沒有明顯動作的礦山設(shè)備啟/停時刻的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化傳輸。本裝置實現(xiàn)了煤礦井下設(shè)備工況音的按需采集，避免因傳輸大量不必要的數(shù)據(jù)而增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。裝置經(jīng)實際使用，對提高網(wǎng)絡(luò)使用效率有顯著的作用。

參考文獻(xiàn)

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