專(zhuān)利名稱(chēng)：低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置采用高性能的工業(yè)級(jí)ARM嵌入式處理器與系統(tǒng)，形成一個(gè)完整的采煤 機(jī)工況信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析與處理系統(tǒng)，該裝置基于爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備通用要求 GB3836. 1-2000以及本質(zhì)安全型要求GB3836. 4-2000設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于煤礦井下采煤機(jī)工 況信號(hào)的監(jiān)測(cè)及分析。
背景技術(shù)：
目前采煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是通過(guò)在其防爆腔內(nèi)安裝一個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)， 通過(guò)該P(yáng)LC對(duì)常規(guī)模擬量(電流、電壓、溫度、流量、壓力、牽引速度、位置等)進(jìn)行采集和 簡(jiǎn)單的邏輯超限報(bào)警，然后通過(guò)顯示屏顯示。由于PLC執(zhí)行指令的速度限制以及在數(shù)據(jù)處 理方面能力不強(qiáng)等原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更深層次的處理。更加重要的是目前國(guó)內(nèi)外的采 煤機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)信號(hào)的采集、分析與處理，也沒(méi)有針對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行在線監(jiān) 測(cè)和分析的儀器或裝置。目前，針對(duì)采煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)很不完善，國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)廠家主要 實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電流、電壓、溫度等常規(guī)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，對(duì)采煤機(jī)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)及分析尚沒(méi)有 看到相關(guān)應(yīng)用。即使在采煤機(jī)常規(guī)信號(hào)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，只是針對(duì)常規(guī)緩變信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和 簡(jiǎn)單的邏輯判斷，進(jìn)一步的分析與故障診斷都必須通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而它們之間的 通訊都是通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)傳輸量和速率受到嚴(yán)重限制。比如美國(guó)JOY公司和德國(guó) Eickhoff公司僅提供了采煤機(jī)的電流、電壓、溫度、壓力以及流量等常規(guī)傳感信息的采集及 顯示。經(jīng)過(guò)上網(wǎng)檢索(CNKI、IEEE等數(shù)據(jù)庫(kù))和煤機(jī)廠及煤礦調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有此種 “基于嵌入式系統(tǒng)的低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置”。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是提供一種低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置，提 高采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷水平，利用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行情況和工 作負(fù)載情況，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效自動(dòng)化開(kāi)采、遠(yuǎn)程操控與故障診斷提供可靠數(shù)據(jù)。技術(shù)方案本實(shí)用新型的低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置的整體結(jié)構(gòu)為微控制器模塊的接口端D0-D15分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊的D0-D15端，微控制 器模塊的接口端A1-A5分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊的A1-A5端，微控制器模塊的接口端 noE、New、Ncs、RST、INT分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊的noE、New、Ncs、RST、INT端；微控制器模塊的接口 SDA、SCL分別對(duì)應(yīng)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的SDA、SCL端；微控制器模塊的接口端TXDO、RXDO、TXD1、RXD1分別對(duì)應(yīng)接RS232串口通訊的 TXD0、RXD0、TXD1、RXD1 立溝，微控制器模塊的接口端AD_D0_AD_D15分別對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集 與分析模塊的AD_D0-AD_D15端，微控制器模塊的接口端AD_ConvertSignal、AD_nBUSY分別 對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊的AD_C0nvertSignal、AD_nBUSY端，振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊的接口端AVR_TXD、AVR_RXD分別對(duì)應(yīng)
3接傳感器模塊中的各傳感器，電源模塊輸出電壓供各模塊。本實(shí)用新型與已有采煤機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不同點(diǎn)為(1)已有成果只是實(shí)現(xiàn)了常規(guī)模擬量的采集和簡(jiǎn)單的邏輯判斷，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)采煤機(jī) 高頻振動(dòng)信號(hào)的采集和分析，而我們的系統(tǒng)能夠?qū)?路振動(dòng)信號(hào)和8路常規(guī)模擬信號(hào)進(jìn)行 在線采集與分析，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了在線頻譜分析。(2)DSP芯片出現(xiàn)以后，一般文獻(xiàn)當(dāng)中都是采用DSP芯片作為頻譜分析的芯片，DSP 確實(shí)具有很強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，但接口和系統(tǒng)移植不如ARM靈活和豐富，并且還未見(jiàn)到DSP 應(yīng)用到采煤機(jī)在線監(jiān)測(cè)的情況。采用ARM處理器，在指令執(zhí)行速度上并不比DSP芯片低，在 頻譜分析的軟件算法上采用整數(shù)運(yùn)算，并克服了浮點(diǎn)運(yùn)算的速度問(wèn)題。(3)已有成果都是通過(guò)RS485或RS232實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，通訊距離 和速率受到很大的限制。我們采用了基于TCP/IP的以太網(wǎng)通訊方式，解決了通訊的瓶頸問(wèn) 題。(4)針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目的不同，我們的系統(tǒng)可以與其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建以太網(wǎng)，組成一 個(gè)完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。(5)根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備通用要求GB3836. 1-2000以及本質(zhì)安全型要 求GB3836. 4-2000設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的工作電壓都在5V以下，整體電流不超過(guò)0. 8A，核心ARM 芯片的端口工作電壓只有3. 3V，核心電壓只有1. 8V，功耗低。(6)全部采用工業(yè)級(jí)的芯片，工作溫度-40°C 125°C ；采煤機(jī)的環(huán)境惡劣，電控腔 體內(nèi)的溫度有時(shí)高達(dá)80°C，單片機(jī)系統(tǒng)很容易造成工作不穩(wěn)定。(7)系統(tǒng)具有以太網(wǎng)通訊接口和RS232串口，既適合遠(yuǎn)程大量數(shù)據(jù)傳輸，還可以和 采煤機(jī)主控PLC聯(lián)機(jī)，方便與采煤機(jī)已有控制系統(tǒng)的集成。(8)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以往成果當(dāng)中一般式通過(guò)PLC、單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集，往往還需要和工控機(jī)通訊，這給系統(tǒng)帶來(lái)了復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、 可靠，有支持多任務(wù)運(yùn)行和通訊控制。有益效果 (1)本裝置能夠?qū)?路振動(dòng)信號(hào)和8路常規(guī)模擬信號(hào)進(jìn)行在線采集與分析，對(duì)振動(dòng) 信號(hào)實(shí)現(xiàn)了在線頻譜分析；(2)克服了采煤機(jī)目前只能進(jìn)行簡(jiǎn)單邏輯故障判斷的缺點(diǎn)，提高了采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān) 測(cè)、故障診斷與故障預(yù)警的能力。(3)本系統(tǒng)的工作電壓都在5V以下，整體電流不超過(guò)0.8A，核心ARM芯片的端口 工作電壓只有3. 3V，核心電壓只有1. 8V，功耗低。(4)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸，解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題，特別適合于像采煤機(jī)這樣的移動(dòng) 設(shè)備使用。(5)本系統(tǒng)不但適合采煤機(jī)使用，也可用于其它煤礦機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、負(fù)載情 況分析與故障診斷、預(yù)警，具有很強(qiáng)的適用性。

圖1基于嵌入式系統(tǒng)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置示意圖。[0027]以上圖中包括微控制器模塊U_1，RS232串口通訊模塊U_2，振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模 擬量采集與分析模塊U_3，以太網(wǎng)通訊模塊U_4，電源模塊[5，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊U_6，傳感器 U_7。
具體實(shí)施方式
系統(tǒng)組成(1)微控制器模塊U_1 由？11111 8公司生產(chǎn)的4冊(cè)7處理器^^2214組成，^^2214 是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有256kB 嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠 在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。LPC2214具 有144腳封裝、提供3組32位端口供外圍設(shè)備使用，滿(mǎn)足平行處理高速振動(dòng)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn) 換和以太網(wǎng)通訊的接口要求。ARM7TDMI-S是通用的32位微處理器，端口電壓3. 3V，核心電 壓1. 8V，具有高性能和低功耗的特性，容易滿(mǎn)足煤礦本安要求。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集 計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。 因此，使用該小型、廉價(jià)的處理器就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)，該處理器 執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出。由于使用 了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。(2)RS232串口通訊模塊U_2 為了實(shí)現(xiàn)和近距離的工控機(jī)或者其它設(shè)備通訊，提 供了 RS232串口通訊方式，可以利用工控機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析或者用于系統(tǒng)程序ISP下 載和調(diào)試等。該模塊采用Philips公司的高速串行通訊芯片SP3232E和MAX232。(3)振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊U_3 1).該模塊負(fù)責(zé)中高頻振動(dòng) 信號(hào)的高速采集與頻譜分析，可以用于采煤機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與分析。采用TI公司的 ADS7805，模擬量轉(zhuǎn)換頻率最大lOOKHz，與CPU采用16位并口傳輸。2).常規(guī)模擬量采集 負(fù)責(zé)包括電機(jī)電流、傳動(dòng)系統(tǒng)溫度、壓力等，用于分析所監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。該模塊采用 AVR系列的Atmagel6，具有8路AD轉(zhuǎn)換，與CPU采用串口傳輸，滿(mǎn)足常規(guī)模擬量的性能要求。(4)以太網(wǎng)通訊模塊U_4 該模塊主要負(fù)責(zé)將處理以后的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)，采煤 機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置通過(guò)該模塊可以和網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備組網(wǎng)使用。處理以后的多路 模擬量和振動(dòng)信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，甚至可以通過(guò)第三方的無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行無(wú)線傳 輸。該模塊采用臺(tái)灣REALTEK SEMI-CONDUCTOR的Rtl8019以太網(wǎng)通訊控制芯片，與CPU之 間采用并口傳輸，支持IEEE802. 3，10Base5,10Base2, lOBaseT，保證數(shù)據(jù)帶寬和速率。(5)電源模塊[5 本儀器由安裝在采煤機(jī)防爆腔內(nèi)的本安型DC24V電源供電(采 煤機(jī)本身帶有的電源，采煤機(jī)傳感器使用)。由于本裝置的主板芯片主要采用5V電源，需 進(jìn)行電壓變換。電源模塊[5采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路LM2575把 DC24V轉(zhuǎn)換為5V，LM2575內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，外圍器件極少，效率高，所需散熱 面積少，不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制，為本系統(tǒng)提供可靠的電源。(6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊U_6:用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)和需要保存的數(shù)據(jù)。本模塊采用 Philips公司的鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C256，該模塊和CPU采用IIC通訊。存儲(chǔ)容量256KB。(7)傳感器模塊U_7 軍工級(jí)高性能振動(dòng)信號(hào)傳感器以及其它防爆型溫度傳感器、 電壓傳感器、電流傳感器等。傳感器模塊通過(guò)線纜連接到本儀器。微控制器模塊U_1的接口端D0-D15分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊U_4的D0-D15端，微控制器模塊U_1的接口端A1-A5 分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊U_4的A1-A5端，微控制器模塊U_1的接口端noE、New, Ncs、 RST、INT分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊U_4的noE、New、Ncs、RST、INT端；微控制器模塊U_1的接口 SDA、SCL分別對(duì)應(yīng)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊U_6的SDA、SCL端；微控制器模塊U_1的接口端TXDO、RXDO、TXD1、RXD1分別對(duì)應(yīng)接RS232串口通訊 U_2 的 TXDO、RXDO、TXD1、RXD1 端，微控制器模塊U_1的接口端AD_D0_AD_D15分別對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量 采集與分析模塊U_3的AD_D0-AD_D15端，微控制器模塊U_1的接口端AD_ConvertSignal、 AD_nBUSY分別對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊U_3的AD_ConvertSignal、 AD_nBUSY 端，振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊U_3的接口端AVR_TXD、AVR_RXD分別對(duì) 應(yīng)接傳感器模塊U_7中的各傳感器，電源模塊U_5輸出電壓供各模塊。工作過(guò)程傳感器模塊U_7中含有8路普通低頻緩變信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換芯片，振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī) 模擬量采集與分析模塊U_3中含有2路高頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換芯片，傳感器模塊U_7和振動(dòng)信 號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊U_3將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。傳感器模塊U_7通 過(guò)串行通訊將轉(zhuǎn)換后的低頻信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到RS232串口通訊模塊U_2，然后再發(fā)送到微控 制器模塊U_1進(jìn)行保存，經(jīng)過(guò)初步過(guò)濾與處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到RS232串口通訊模塊U_2串 口與上位機(jī)通訊；而振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊U_3通過(guò)16位高速并口向微 控制器模塊U_1傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在微控制器模塊U_1中進(jìn)行序列保存，對(duì)2路高頻信號(hào)循環(huán) 進(jìn)行頻譜分析計(jì)算，同時(shí)與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊U_6中的預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行報(bào)警門(mén) 限判斷和振動(dòng)等級(jí)分類(lèi)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS232串口通訊模塊U_2串口和上位機(jī)進(jìn) 行通訊，并可以通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊U_4通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端工作站。
權(quán)利要求一種低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置，其特征在于微控制器模塊(U_1)的接口端D0 D15分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的D0 D15端，微控制器模塊(U_1)的接口端A1 A5分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的A1 A5端，微控制器模塊(U_1)的接口端noE、New、Ncs、RST、INT分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的noE、New、Ncs、RST、INT端；微控制器模塊(U_1)的接口SDA、SCL分別對(duì)應(yīng)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(U_6)的SDA、SCL端；微控制器模塊(U_1)的接口端TXD0、RXD0、TXD1、RXD1分別對(duì)應(yīng)接RS232串口通訊(U_2)的TXD0、RXD0、TXD1、RXD1端，微控制器模塊(U_1)的接口端AD_D0 AD_D15分別對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊(U_3)的AD_D0 AD_D15端，微控制器模塊(U_1)的接口端AD_ConvertSignal、AD_nBUSY分別對(duì)應(yīng)接振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊(U_3)的AD_ConvertSignal、AD_nBUSY端，振動(dòng)信號(hào)以及常規(guī)模擬量采集與分析模塊(U_3)的接口端AVR_TXD、AVR_RXD分別對(duì)應(yīng)接傳感器模塊(U_7)中的各傳感器，電源模塊(U_5)輸出電壓供各模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置，其特征在于微控制 器模塊(U_l)為ARM7處理器LPC2214 ；RS232串口通訊模塊(U_2)為高速串行通訊芯片 SP3232E和MAX232 ；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(U_6)采用鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C256，該模塊和CPU采用 IIC通訊，存儲(chǔ)容量256KB。
專(zhuān)利摘要低功耗采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析裝置，采用高性能的工業(yè)級(jí)ARM嵌入式處理器與系統(tǒng)，其中，微控制器模塊(U_1)的接口端D0-D15分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的D0-D15端，微控制器模塊(U_1)的接口端A1-A5分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的A1-A5端，微控制器模塊(U_1)的接口端noE、New、Ncs、RST、INT分別對(duì)應(yīng)接以太網(wǎng)通訊模塊(U_4)的noE、New、Ncs、RST、INT端；本實(shí)用新型提高采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷水平，利用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行情況和工作負(fù)載情況，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效自動(dòng)化開(kāi)采、遠(yuǎn)程操控與故障診斷提供可靠數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK201757851SQ20102016329
公開(kāi)日2011年3月9日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者劉繼東, 周曉謀, 姚新港, 徐志鵬, 王忠賓, 譚超, 閆海峰, 黃嘉興 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)