基于无线通信的矿用本安型设备监测子站研制.pdf

第 4 3卷 第 1期 2 0 1 7年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ．2 O1 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 0 5 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 0 2 杜岩 ， 阚哲 ， 冯禹 ， 等． 基于无线通信的矿用本安型设备监测子站研制I- J - ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 5 - 8 ． 基于无线通信的矿用本安型设备监测子站研制 杜岩 ， 阚哲 ， 冯禹 ， 孙鹏飞 ， 孟国营 ， 朱三颖 ， 满孝臣 ， 李勇 1 ． 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 辽 宁石油化 工 大学 矿业 工程 学 院 ， 辽 宁 抚 顺 1 1 3 0 0 1 摘要 针对传统煤矿机 电设备运行状 态监测存在 实时性差、 布线复杂等问题， 根据煤安认证的技术要求， 研 制 了一种基 于无 线通信 的矿 用本安 型设 备监 测子 站 。介 绍 了该监 测子 站 的结构组 成 、 硬 件 电路 本安 设计 、 外 壳 防护设计 及软件 实现 。该 监测 子站 可 实现 对煤 矿 井下矿 用设备 多路振 动 和 温度 信 号的 实时采 集与无 线 传 输 ， 为矿 用设备故 障诊 断和 预测提供 数 据 支持 。 关键 词 无线 通信 ； 设备 监 测 ；本安设 计 ； 振 动信 号 ；温度信 号 中图分类 号 TD 6 5 5 ／ 7 6 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 3 0 0 9 3 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 0 9 3 2 ． 0 0 3 ． h t ml De v e l op me nt o f mi ne us e d i nt r i n s i c a l l y s a f e e q u i pme n t mo n i t o r i n g s ub s t a t i o n ba s e d o n wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n DU Ya n ， KA N Zhe 一， FENG Yu ， SUN Pe ng f e i ， M ENG Gu oy i n g ， ZH U S a ny i n g ， M AN Xi a o c he n ，LI Yo ng 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ；2 ． S c h o o l o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y ，F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f po o r r e a l t i m e pe r f o r m a nc e a nd c omp l e x wi r i n g e xi s t e d i n t r a d i t i on a l op e r a t i ng c o nd i t i on mo ni t or i n g of c oa l mi ne me c h a ni c a l a nd e l e c t r i c a l e qu i p m e nt ， a mi ne us e d i nt r i ns i c a l l y s a f e e qu i p m e nt m o ni t o r i ng s u bs t a t i o n b a s e d on wi r e l e s s c omm u ni c a t i on wa s d e v e l o pe d i n a c c or d a n c e wi t h r e q u i r e me n t s o f c o a l mi ne s a f e t y c e r t i f i c a t i o n． S t r uc t ur e ， i n t r i ns i c a l l y s a f e ha r d wa r e c i r c u i t d e s i g n， s he l l pr o t e c t i o n d e s i g n a nd s of t wa r e i m p l e me n t a t i on o f t h e mo ni t o r i n g s ub s t a t i o n we r e i nt r o du c e d． The m o ni t or i n g s u bs t a t i o n c a n r e a l i z e m u l t i c ha n ne l v i b r a t i o n a n d t e mp e r a t u r e s i g na l a c q ui s i t i on a nd wi r e l e s s t r a ns m i s s i on of m i n e u s e d e q u i pme n t ， wh i c h p r o v i d e s d a t a s up p or t f o r f a ul t di a gn os i s a nd p r e di c t i o n o f m i n e u s e d e q ui pme n t ． Ke y wo r d s wi r e l e s s c omm u ni c a t i on；e qu i p m e nt mo ni t o r i n g；i nt r i ns i c a l l y s a f e d e s i g n；vi br a t i on s i gn a l ； t e mpe r a t u r e s i gn a l 0 引言 煤矿机电设 备可靠运行是煤矿安全生产的保 障 ， 对机电设备进行状态监测与故障诊断 ， 可以为设 备维修管理提供准确、 可靠的依据 ， 节约维修费用 ， 避 免重 大 事 故 发 生 ， 提 高 企 业 经 济 与 社 会 效 益 。 传统煤矿设备监测仍 以人工检测为主 ， 不能实现实 时连续监测 ， 且现有的煤矿井下监测系统对传感器 和设备信息的采集主要依靠硬接线 ， 存在布线复杂 、 工作量大、 线路维护困难等缺点 。因此 ， 本文根据 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 1 8 ； 修 回日期 2 0 1 6 一 i i 一 1 7 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 U1 3 6 1 1 2 7 。 作者简介 杜岩 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 博士研究生 ， 主要研究方向为矿用设备监测 、 故障诊断与维护 ， E ma i l d u y a n 0 4 2 1 8 8 1 6 3 ． c o rn。 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 煤安认 证 的技术 要求 [ 3 ] ， 研 制 了一 种基 于无 线 通信 的矿用本安型设备监测子站。该监测子站利用振动 传感器和温度传感器采集矿用设备工况数据 ， 通过 矿井 无线 局域 网将 数 据 发送 至 地 面 监 控 中 心 ， 实现 集 中在线 监测 。 1监测 子站 总体 结构 目前对煤矿机电设备进行监测时常用状态信息 主要 有振 动和 温度 ， 能很好 地反 映设 备运 行状 况 ， 因 此， 针对设备振动和温度信号的采集设计监测子站 ， 其 总体结 构如 图 1 所 示 。 定 向 天 线 淼 I I 液 晶 显 示 屏l I 指 示 灯 电 路 S T M3 2 数据处理主板 8 路 振动 信 号I- _ J 电 压 转换L 一8 路 温 度 信号 调理电路l l 电路 l l 调理电路 l I 囱 l I l I I I 图 1 基于无线通信 的矿用本安型设备监测子站 总体结构 采用 KWS P T1 0 0型 铂 电 阻温 度 传 感 器 采 集 设备温度信号 ， 该传感器的传感元件为 P T1 0 0铂热 电阻， 三线制输 出， 信号输 出线采用矿用阻燃线缆。 选 用 GB C 6 4 0矿用 本安 型振 动传感 器采 集设 备振 动 信 号 。温 度 和振动 信号 分别 经温度 信 号调理 电路 和 振动信号调 理 电路 调理后 ， 输 出标 准 电压信 号至 S T M3 2数据处理主板 。S TM3 2 数据处理主板对信 号进行处理并采用 Wi F i 无线通信传输数据。选用 增益为 1 0 d B i 的 2 ． 4 GHz 定 向天线 ， 可有效提高监 测子站无线信号的传输距离 。天线信号传输馈线采 用具 有 阻燃性 和屏 蔽 性 的矿 用 阻燃 射 频 同轴 电缆 ， 保证信号传输的可靠性和安全性 。监测子站采用外 部 1 8 V 本安 电源 供 电 ， 并通 过 电压转 换 电路为 各 电 路 提供 合适 电压 。 2监测 子站硬 件 2 ． 1温 度信号 调理 电路 铂 电阻 的 温度 特 性呈 非 线 性 ， 其未 校 正 的 最大 非线性度为 4 ～5 ， 是影响铂 电阻温度传感器测 量精度 的主要 原 因 ， 因 此采 用 基 于 XT R1 0 5 l 5 的温 度信号调理电路 测温范围为 0 2 0 0℃ ， 如 图 2 所 示 。XT R1 O 5内置 线性 化 电 路 ， 通 过 外 接 电 阻 R 。 和 R 可对 传 感 器 量 程 范 围 内 的温 度 特 性 的非 线 性进行校正。为保证测温精度 ， 采用高精度、 低温漂 金属膜 电 阻， 其 中 2 5 0 Q 和 1 0 0 Q 电 阻精 度 为 0 ． 1 ， 其余 电阻精度为 1 。 图 2温 度 信 号 调 理 电路 2 ． 2振 动 信 号 调 理 电路 振动信号调理 电路为矿用本安型振动传感器提 供激励 ， 并对传 感器输 出信号 进行 隔直、 滤波 、 放 大[ 6 ] ， 如图 3 所示 。传感器激励源为振动传感器提 供 1 6 ～2 1 V 直流 激 励 电压 和 4 ～2 0 mA 恒 定 激 励 电流。传感器输出信号包含设备振动信号经传感器 转 换后 的 电信号 和激 励 源 电路 中的直 流 分 量 ， 为 消 除直流分量和测量频率范围 1 ～5 k Hz 外 的低频 成 分对 有用 信 号 的干 扰 ， 通过 电容 C 和 电 阻 R 构 成 的截止频率约为 1 Hz的无源高通滤波器实现 隔 直与滤除低频 噪声 。此外采用 U 及其 外 围电阻、 电 容 构成 的放 大 电路对 信 号进 行 放大 ， 采 用 低 频增 传 感 器 激 励 源 。 ； 滤 波 器 放 大电 路 二 阶 有 源 低 通 滤 波 器 1 8V l l 1 I I I 一 7 T f l n n C7 1 l 2 o 一 量 图 3 振 动信 号调理电路 2 0 1 7年 第 1期 杜 岩等 基 于无 线通信 的矿 用本 安型设 备监 测子 站研制 7 益为 1 、 截止频率约为 5 k Hz的二 阶有源低通滤波 器来滤除高频噪声并压缩频带， 从而提高信噪比， 避 免频 谱混 叠 。 2 ． 3 S TM 3 2数 据 处 理 主 板 S T M3 2数据处理主板对调理后 的温度、 振动信 号进行模数转换处理 ， 并通过 Wi F i 实 现数 据无线 传输 ， 其硬件结构如图 4所示。采用具有 8输入通 道 的 AD7 6 0 6 进 行 模 数 转 换 。 核 心 处 理 器 S TM3 2 F l O 3 Z E T 6采 用 F S MC 接 口与 AD7 6 0 6连 接 ， 实现多通道数据采集l_ 7 ] 。选用低功耗、 高速率 串 口／ Wi F i 无 线 网络 模块 E MW 3 1 6 2实现 Wi F i 无 线 通信功能， 该模块集成了 T C P ／ I P协议栈和 Wi F i 驱 动 ， 通 过 UAR T 接 口 与 S T M3 2 F 1 0 3 Z E T6交 互 数 据 。 图 4 S TM 3 2数据 处 理 主板 硬 件 结 构 2 ． 4 电压 转 换 电路 根 据煤 矿 井 下 环境 要 求 ， 选 用 K DW2 6矿用 浇 封 兼 本 安 型 稳 压 电 源 供 电 ， 其 额 定 输 出 电 压 为 1 8 V， 额定输 出 电流为 0 ． 9 A， 可 满足监 测 子站 的设 计需求 。考虑到监测子站各电路供电要求 ， 利用 电 压转换 电路对 1 8 V本安 电源进行转换 。 振动信号调理电路中的运算放大器 OP 0 7所需 电压 为 5 V， 若 直 接 用 D C ／ DC 隔离 稳 压 电源 对 1 8 V本安 电源进行 降压 ， 其 内部等效电容过大 ， 不 符合本安要求r 8 ] 。因此 ， 先通过 DC ／ D C隔离稳 压 电源 uRB 2 4 0 5 YMD一 1 0 WR 3降压至5 V， 再选用 MAX1 6 8 1进行 电压 转 换， 实现 一5 V 电压供 给 。 5 V转 一 5 V 电路 如 图 5所 示。此 外， 通 过 AMs 1 1 1 7 3 ． 3将5 V 电压降至 3 ． 3 v 为其他 电路提供合适 电压 。 3监 测子站 防护 外壳及 接 口 根据本安设计要求 ， 监测子站外壳应结实可靠 ， 具有防尘、 防水、 防爆、 防腐蚀性能嘲 ， 达到I P 5 4 防护 U6 5V Cl 5 L LF 图 5 5 V 转 一5 V 电路 等级 ， 同时所有输入输 出接 口必须防水且不暴露在 煤矿井下环境 中。因此 ， 采用 3 0 4不锈钢设计防护 外 壳 ， 其 外形 结 构如 图 6所 示 。外 壳 壳体 上 共 设计 有 1 8个输入输出接 口， 除 1个采用防水射频连接器 外 ， 其余均采用与壳体焊接成一体的防爆 电气设备 电缆 引入装 置 。液 晶屏和指 示灯 视窗 均采用 有机玻 璃和橡胶垫压紧密封 ， 防水键盘安装在外壳上盖。 图 6防护外壳外形结构 4监测子 站软 件 在 Ke i l u Vi s i o n 4编译 环 境 下 采用 C语 言 对 监 测子 站软 件 程 序 进行 模 块 化 设 计 ， 包 括 主 程 序 、 初始 化子程 序 、 温度 数据采 集 子程序 、 温度 信息显 示 子程序、 温度数据传输 子程序、 振动数据采 集子程 序、 振动数据传输子程序、 按键处理子程序和请求帧 处理 子程 序 。 监测子站软件主程序流程如图 7所示。上电后 首 先 进 行 初 始 化 ，初 始 化 子 程 序 主 要 完 成 S TM3 2 F 1 O 3 Z E T6 、 外 部总 线 、 各 外设 模 块 的引 脚 和 时钟 初始化 ， 以及 配 置 定 时器 和 中断 。初 始 化 完 成 后采集设备温度数据并在液晶屏上显示。然后判断 是否 有键按 下 ， 若有 则进入 按键 处理子 程序 ， 根据 不 同的按键标志位来执行不同的操作。之后判断是否 接收到监测主站发送的数据请求帧 ， 若有则进人请 求帧处理子程序。 请求帧处理子程序流程如图 8所示。首先对主 站发送的数据请求帧进行解析与校验 ， 再根据数据 请求帧携带 的指令完成相应任务 如温度、 振动数据 的采集与传输 ， 并返 回相应的应答帧给主站 。 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 图 7 监测子站软件 主程 序流程 图 8 请求 帧处理子程序流程 5监测 子站 测试 为验证基于无线通信 的矿用本安型设备监测子 站 的可行 性 ， 在 实 验 室 环 境下 进 行 了测 试 。利 用 实 验 室 无 线 局 域 网 模 拟 矿 井 无 线 局 域 网 ， 采 用 L a b VI E W 在 P C上开发调试软件模拟监测主站 。 温度测试 时采用 电阻箱 代替铂 电阻温度传感 器 ， 并按 P T1 0 0铂 热 电阻 的分 度表来 设 置不 同 温度 对应的阻值 ， 读取并记录液晶屏显示的温度信息 ， 结 果 见表 1 。可看 出温度 测量 误差 不超 过 士1℃ ， 满足 设计 要求 。 振动测 试时采用 HK9 6 0 1振动传感器 校验 台 提供输出频率为 8 0 Hz 、 有效值为 1 g g为重力加 速度 、 误差为3 的标准加速度振动信号 。设置 监测子站采样 频率 为 2 0 4 8 Hz ， 1次采 样点 数为 5 1 2 。监测子站收到振动数据请求帧后 ， 通过振动传 感 器采集振动信号 ， 并通过无线局域网发送至主站 表 l 温度测试结果 显示 ， 振动信号波形如图 9所示 。经计算得加速度 有效值为 1 ． 0 8 g， 频率为 7 8 ． 9 Hz ， 满足设计要求 。 2 l 趔 馨 一 1 2 时间／ s 图 9 振动信号波形 6 结语 基于无线通信的矿用本安型设备监测子站可实 现对煤矿井下设备温度、 振动信号的采集及数据无 线传 输等 功能 。该 监 测 子站 具 有 很 好 的通 用性 ， 适 用于多种矿用设备监测场合 ， 为矿用设备故障诊断 和 预测提 供数 据支 持 。 参考文献 [1 ] 范旭峰 ， 李臻 ， 李晋 ， 等． 矿用 便携式 振动 监测 分析仪 设计及应用 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 增 刊 1 11 3 1 1 6． [2 ] 孙继平． 煤矿 物联 网特 点与关键技术 研究 [ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 6 7 - 1 7 1 ． [3 ] G B 3 8 3 6 ． 1 2 O 1 O爆炸性 环境 第 1部分 设 备 通用 要求[ s ] ． [ 4] GB 3 8 3 6 ． 4 2 o 1 o爆炸性环境 第 4部分 由本质安全 型“ i ” 保护 的设备 [ s ] ． [ 5] 李 学斌 ， 路林 吉 ， 周 磊． 基 于 X T R1 0 5和 C 8 0 5 1 F 0 2 0 的温湿度测 量系统 [ J ] ． 自动 化与仪 表 ， 2 0 0 6 ， 2 1 6 2O 一 23 ． [ 6] 吉 晓冬 ， 薛光辉 ， 杨健健 ， 等 ． 矿用 振动 加速度 传感 器 信号 调 理 装 置研 制 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 5 1 0 6 1 08 ． [ 7] 陶海军 ， 张一鸣 ， 曾志辉． 基于 A D7 6 0 6的多通道 数据 采集 系 统 设 计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 2 1 1 O 一 11 3 ． [ 8] 周亚夫， 许辰雨． 矿用本安电源保护电路的优化设计 E J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 7 0 7 2 ． [ 9] 张刚． 本安 电气系统防爆检验模式及其对煤矿 安全 的 影响E J 2 ． 电气防爆， 2 0 1 2 4 5 - 1 0 ． [- l O l 严 春 ， 张吉哲 ， 孔德 刚． 浅谈嵌入式程序设计在 矿用产 品中的应用[ j ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 3 1 1 5 1 1 8 ．