煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台设计(1).pdf

工矿自动化工矿自动化 Indus t ryand MineAut o mat io n Vo l.46No .8 Aug.2020 第46卷第8期 2020年8月 文章编号1671 251X202008 0106 06DOI10. 13272/j. issn. 1671251x . 2020040005 煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台设计 周李兵12 1.中煤科工集团常州研究院有限公司％江苏常州213015 2.TiandiChangzho u Aut o mat io nCo .,Lt d.,Cha ngzho u213015,China Abstract Ex ist ing o perat io n maint enanc e mo de o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment is c o llec t ing dat ainundergro undanda nalyzingdat abygro undc o nt rolero rc lo udpla t fo rm,whic hhaspo o rreal-t ime perfo rmanc eandflex ibilit y, limit ed dat a c olec t io n amo unt , high c o st , et c .While predic t ive maint enanc e so lut io nsc hemein genera lindust ry o f edge c o mput er plus dat a c olec t io n c ardis no t applic able fo r o perat io n maint enanc e o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment bec ause o f diffic ult y o f mine-used int rinsic alysafedesign,po o rflex ibilit yo ffielda rra ngement ,t o o highc o st ,et c .Fo rt hea bo vepro blems , a c olec t ing and c o mput ing plat fo rm used fo r predic t ive maint enanc e o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment was designed, whic h was based o n main c o nt ro lling c hip o f STM32F4. The plat fo rm c an parallel c o llec t vibrat io n, t emperat ure, pressure and o t her dat a o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment wit h high sp11d and t ak1o ut fast Fo uri1r t ransfo rm and1nv1lo p1sp1c t rum analysis r1al-t im1ly, so as t o o bt ain healt h st at us o f t he elec t ro mec hanic al equipment . The mo nit o red dat a and diagno sis result s c an be displayedt hro ugh man-maShine int eraSt io n mo dule o n t he s po t ,and be t ransferred t o undergro und So nt rolero rSlo udplat fo rmt hro ughEt hernet fo rlarge-sSa leda t aa nalysis.Thet est result ssho wt hat t he plat fo rm has measuring erro rs o f less t han 4 fo r vibrat io n signals, and c an c o rrec t ly judge running st at us 收稿日期收稿日期2020-04-01;修回日期修回日期2020-0624；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目2019-TD-ZD007。 作者简介作者简介周李兵1984-，男，男，湖北黄梅人，高级工程师，硕士，现，现主要从事矿山自动化与信息化方面的研究工作,E-ma il15295023477 126.c o m 引用格式引用格式周李兵.煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台设计工矿自动化，2020,46“06-111. ZHOU Libing. Des ign o f c o llec t ing and c o mput ing plat fo rm used fo r predic t ive maint enanc e o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment [ J-. Indust ry and Mine Aut o mat io n,2020,467 106-111. 2020 8 周李兵煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台设计 ・1 07・ and fault s o f different c o mpo nent s in t he elec t ro mec hanic al equipment , whic h meet s requirement s o f real t ime c alc ulat io n, analysis o n t he spo t and flex ible arrangement in c o al mine field. Key words smart mine; c o al mine elec t ro mec hanic al equipment; predic t ive maint enanc e; edge c o mput ingbvibrat io nsignalanalysisbfault diagno sis 0引言 在以工业4. 0为代表的下一代工业数字化与智 能化升级浪潮引领下，机电设备维护管理由传统的 定期维护保养故障维修方式向基于数字化实时监 控与分析技术的预测性维护方向发展，以降低机电 设备故障停机时间，减少因机电设备故障或非计划 性停机对工厂集约化、柔性化生产造成的损失卩2-。 在智能矿山建设过程中，目前常用的在井下采集机 电设备运行状态数据、通过井下网络将数据传输至 地面工控机或云平台进行数据分析的运维模式因实 时性和灵活性差、采集数据量受限、成本高等问题, 已无法满足智能矿山机电设备预测性维护要求，需 要进行技术方法与手段的升级与更新换代。 通用工业面向智能制造的预测性维护解决方案 一般采用边缘计算机数据采集卡方式，并基于 LabVIEW等软件进行二次开发实现数据处理与控 制输出。该方案具有较强的数据采集及处理能力， 但对于煤矿井下机电设备运维应用场景，存在因功 耗过大而不易实现矿用本质安全（以下简称本安）型 设计、体积过大而影响现场布置的灵活性、井下机电 设备分布离散而导致方案成本过高等问题。针对该 问题，笔者采用基于ARM Co rt ex-M4内核的 STM32F4主控芯片，结合8通道16 b it并行高精度 AD采样芯片AD7606,设计了一种低功耗、本安型 矿机电设备 护 采 计 平 ， 4〜20 mA、0〜5 V、RS485总线、CAN总线等常见 传感器信号的采集与分析,并具有CAN总线通信、 以太网通信、蓝牙通信、人机交互等功能，满足煤矿 机电设备 护 计 、 分析、 布 等需求。 1采集计算平台总体方案 煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台包括 STM32F4主控芯片单元、4〜20 mA模拟量采集单 元、。〜5 V模拟量采集单元、RS485总线型信号采 集单元、CAN总线通信单元、USB转串口驱动单 元、以太网通信单元、供电模块、人机交互模块等，如 图1所示。该平台以振动监测为主⑶，辅以温度、液 位、压力、介电常数、电流、电压、声信号参数监测，实 现面向预测性维护需要的多源数据耦合分析。 图1煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台总体方案 Fig.1 Generalsc hemeo fc olec t ingandc o mput ing plat fo rm used fo r predic t ive maint enanc e o f c o al mine elec t ro mec hanic al equipment 采集计算平台设计有3路IIC总线接口，1路 接入0〜5 V模拟量采集单元，1路接入PT100/ PT1000型温度传感器，1路备用；设计有2路CAN 总线接口，用于接入现场CAN总线型传感器；设计 有2路RS485总线接口，一主一从，用于接入现场 RS485制式传感器或以RS485方式对外通信；设计 USB2.0 接 、 以 太 接 、 牙 接 、 NAND FLASH存储扩展模块等。平台中人机交互 模块具有用于传感器参数、IP地址、系统参数等配 置及硬件重启等应用的物理按钮，支持红外遥控及 USB键盘/鼠标方式输入，并有液晶显示屏显示各 参数监测值及诊断结果。考虑到采集计算平台自身 存在一定功耗、外接传感器数量较多、煤矿井下对电 气设备的安全性要求高等因素，在供电模块设计了 软启动电路，并通过软件实现分批次、延时启动，以 满足本安型设计要求。 在现场应用时，采集计算平台采集电动机、轴 承、齿轮箱、管路、油液等机电设备转动部件的振动、 温度、压力等数据并进行数字化，之后实时对数据进 行快速傅里叶变换、包络谱分析等处理，根据处理结 果分析各机电设备及部件的健康状态，并本地输出 监测与诊断结果。同时，平台将数据存储至NAND FLASH 中， 矿机电设备 护 学习和优化，并通过以太网传输至地面工控机或云 平台，用于大规模数据分析。 2采集计算平台硬件设计 2. 1 STM32F4主控芯片单元 STM32F4主控芯片单元是采集计算平台的计 算力中心，可实现传感器数据采集、时频域转换、频 谱分析、包络谱分析及设备预测性维护计算、通信等 计算与逻辑控制功能。 ・108・ 工矿自动化 46 STM32F4主控芯片单元主要包括STM32F4 主控芯片、工作状态指示灯、硬件复位电路、滤波降 噪电路等，如图2所示。考虑到现场应用时单个采 集计算平台可外接最多67个传感器，采集数据量 大，采用最大容量为32 GB的NAND FLASH来缓 存、存储各类原始数据及预测性维护诊断数据。 作面“三机”控制系统数据，使其参与预测性维护计 算决策。 CAN总线通信单元电路如图4所示。选用 TAJ1050收发器设计，其遵从ISO 11898标准，最 大传输速率达1 Mbit /s，具有极高的抗电磁干扰性, 单路CAN总线可接入不少于110个节点。 3.3 V 3.3 V 工作状态指示灯 NRST BOOTO PB2 PH0 PH1 VBATvs s PDR ONvs s VDETvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDDvs s VDD VSSA VDD VDD PB3 VDD PB4 VDDA PAI 3 VREFPAU PAI 5 BYPASS REG n 2.2 n 2.2 U U 二二二二二 STM32F4 一二 1 1 尹 图4 CAN总线通信单元电路 Fig.4 Circ uit o f CAN bus c o mmunic at io n unit 2. 4 USB转串口驱动单元 为方便现场使用，实现数据、文件与操作功能交 互，采集计算平台设计了 Mini USB接口，通过USB 转串口驱动单元（图5）实现。该单元选用CH340G 芯片设计，其内置FIFO缓冲区，支持单工、半双工 和全双工异步通信，完全兼容USB2. 0总线标准，通 信速率为50 b it /s〜2 Mbit/s。 AD7606AD7606 SPI P I AD86AD转换 图5 USB转串口驱动单元电路 Fig.5 Circ uit o fUSB-s erialdrivingunit 2.5 通信单元 以太网通信单元电路如图6所示。采用 DP83848C型10/100 Mb it /s自适应单路物理层芯 片设计，其I/O引脚电压符合IEEE 802. 32005 要求，支持通过 RMII（Reduc ed Media Independant Int erfac e，精简的介质无关接口）访问MAC （ Media Ac c ess Co nt ro l，介质访问控制）层，实现RJ45端口 与MAC层之间的通信。 图6 以太 通信单元电 Fig.6 Circ uit o fEt hernet c o mmunic at io nunit 2. 6 供电模块 采集计算平台应用于煤矿井下，根据GB 3836. 42010（（爆炸性环境第4部分由本质安全型“i” 保护的设备要求，单路供电电源典型值为DC 滤波降噪电路 图2 STM32F4主控芯片单元电路 Fig. 2 Circ uit o f STM32F4 main c o nt ro lling c hip unit 2. 2 4〜20 mA模拟量采集单元 4〜20 mA模拟量采集单元主要采集煤矿井下 机电设备用振动速度传感器、振动加速度传感器输 出信号。采集信号经AD转换处理后，由采集计算 平台进行频谱、包络谱分析。该单元包括降噪处理、 信号放大、AD转换三部分⑷，如图3所示。 4〜20 mA模拟量 _____ AD86 4〜20 mA模拟量 降噪处理信号放大 图3 4〜20 mA模拟量采集单元电路 Fig. 3 Circ uit o f 4-20 mA analo g quant it y c o llec t io n unit 降噪处理部分用于滤除采集信号中的背景噪声 和非线性信号，降低其对4〜20 mA信号的干扰，以 满足信号采集精度要求「5-。信号放大部分选用 AD86型运算放大器，用于对AD转换电路进行前 置放大，以实现高增益、高共模抑制比。AD转换部 分基于AD7606芯片设计实现。 2. 3 CAN总线通信单元 在煤矿主运大巷、综采工作面等生产场合，基于 CAN总线的传感器较为常见，因此采集计算平台设 计有CAN总线通信单元，就近接入带式输送机、工 2020 8 周李兵煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台设计・109・ 12 V A。考虑到煤矿井下长距离低压直流供电 方式较为常见，且单个采集计算平台至多可接入 67台传感器，因此，除采用低功耗、宽电压方案外, 供电模块还设计了软启动电路和分时启动工作方 式，以降低采集计算平台开机启动阶段的冲击电流, 避免产生浪涌电流「6-。 供电模块电路如图7所示。采用F240050-25 型5脚DIP封装本安电路专用软启动电源芯片，可 实现DC9〜24. 5 V宽电压输入、DC5 V恒压输出。 考虑到STM32F4及其他芯片需要DC3. 3 V电压， 选用AMS1117芯片设计了 DC3. 3 V输出电路。 图7供电模块电路 Fig.7 Circ uit o f po wer supply mo dule 点亮液晶显示器并工作于最大计算能力情况 下，采集计算平台稳定工作时功耗约为6. 6 W 12 V,0.55 A。考虑到极限情况下电源负荷，设 计了 3路电源输入1路负责向采集计算平台、8台 4〜20 mA振动传感器和至多4台其他传感器供 电；另2路负责给至多55台传感器供电。此外，考 虑到传感器满载工况下，即使有软启动电路协助，采 集计算平台正常启动冲击电流也会超过1 A,因此 在软件设计中采用分时启动机制上电启动时，首先 启动STM32F4主控芯片及人机交互模块，使能关 闭模拟量采集单元及所有传感器供电电源部分，延 迟一定时间如1 s 后再使能开启模拟量采集单元 及所有传感器供电电源。通过该分时启动机制，可 有效避免产生冲击电流，确保采集计算平台稳定、可 靠工作。 3采集计算平台软件设计集计算平台软件设计 采集计算平台软件主要包括主程序、信号采集 程序、通信程序等。本文主要介绍主程序、4〜 20 mA模拟量采集程序、以太网通信程序的设计。 3. 1 主程序 考虑到采集计算平台对监测与控制的实时性要 求，采用FreeRTOS实时操作系统，以便高效利用 STM32F4片上资源。主程序流程如图8所示。首 先进行硬件初始化，包括IO端口、通信端口、 NAND FLASH、人机交互模块、AD采样芯片初始 化;然后进行传感器数据采集和分析处理「7切，得出 诊断结果后在人机交互模块显示；最后通过以太网 将采集数据及诊断结果传输至地面工控机或云平台 等上位机。 图8 主程序流程 Fig. 8 Pro c ess o f main pro gram 3. 2 4〜20 mA模拟量采集程序 采集计算平台采用AD7606并行采集8路4〜 20 mA模拟信号，最大采样频率达200 kHz且可配 置。STM32F4通过SPI读取AD7606采样数据，并 对采样数据做限幅处理，以消除信号顶底尖峰干 扰「10「11-,之后对处理后的数据进行时频域分析。 4〜20 mA模拟量采集程序流程如图9所示。 图9 4〜20 mA模拟量采集程序流程 Fig. 9 Pro c ess o f 4-20 mA analo g quant it y c o llec t io n pro gram 3. 3 以太网通信程序 以太网通信程序流程如图10所示。上电后首 先进行初始化，随后检测地面工控机或云平台等上 位机配置指令，并根据指令发送诊断数据或原始数 据等[12-13] o上位机接收到相关数据后回传应答数 据和配置、控制指令等。 4采集计算平台测试集计算平台测试 采集计算平台设计、试制、调试完毕后，进行功 能性测试，主要包括传感器数据采集功能测试和数 据分析与预测性维护评估能力测试。 4. 1 传感器数据采集功能测试 在传感器数据采集功能测试中，对于CAN, RS485,IIC等总线型及0〜5 V模拟量信号的采集， ・110・ 工矿自动化 46 以太网驱 动初始化 发送响应值 发送诊断数据 图10以太网通信程序流程 Fig. 10 Pro c ess o f Et hernet c o mmunic at io n pro gram 采 信号发生器、仿真器、测试工装等进行功能 -重点测试4〜20 mA 信号采集功 能。采用DC12000-120水冷型电动振动试验台产 生标准振动信号,14- 设置振动频率为20,240,460, 900,1 500 Hz。采用KGS18振动加速度传感器、 GSD20振动 感 动信号，采集计算平 台采集传感 ，每种 采集3组数据，分 别与振动试验台数据进行对比，结果见表1振动加 速度为5. 1gg为重力加速度。可看出采集计算 平 4 - 台模拟不同工况下机电设备轴承、齿轮、电动机正常 和非正常工作状态，由KGS18振动加速度传感器、 GSD20振动速度传感器、GWP150B温度传感器、 GPD60A压力变送器等测量机电设备不同部件各 参数并接入采集计算平台，由平台进行帙 变换、包络谱分析等 护分析计算。以模拟 三级平行齿轮箱ER-16K型轴承外圈磨损故障为 例，采集计算平台输出结果如图11所示。 为 960 r/min、配备9个滚珠的ER-16K型轴承发生外 圈磨损故障时，故障特征频率为3.723 Hz。采集计 算平台计算得到的故障特征频率为3. 765 Hz,与实 际值之间的误差为1.13。经多次测试可知，采集 计算平台接入各类传感器满负荷运转时，工作 , 响应及时，能够准确判断典型机电设备部件运行状 态及故障，满足现场使用要求。 X3.765 y51.1 X24.94 721.3 X96.35 丫24 103.9 y23.0 图11 X50 75.1 X67.47 Y-AA XA95.9 y8 8 X203・4 丄1严亠 50100 150 频率/Hz 200250 ER-16K型轴承外圈磨损故障频谱分析结果 6 5 Ig 3 嗥2 1 0 表1振动信号测量结果 Table1 Measurement result so fvibrat io nsignals 频率/ Hz 振动信号 测量值/mm 动信号 /mm 测量 误差/ 9. 84 10.02 -1.80 209. 85 10.03 -1.75 9 8510.03 -1.75 9. 94 10.07 -1.30 240 10 0010.10 -1.00 9. 99 10.10 -1.05 10 1510.18 -0.25 46010. 17 10.19 -0.15 10 1910.20 -0.05 11.45 11.093.25 90011. 38 10.973.70 11.25 10.903.25 12.2111.773.78 1 500 12.2511.783.99 12.2211.803.57 4. 2 数据分析与预测性维护评估能力测试 采用DDS2010型动力传动故障诊断综合试验 Fig. 11 Frequenc y spec t rum analysis result o f o ut er lane abrading fault o f ER-16K t ype bearing 5结语结语 煤矿机电设备预测性维护用采集计算平台充分 利用了主控芯片STM32F4的片上资源，特别是浮 点计算能力和丰富的I/O接口，结合FreeRTOS实 时操作系统,在满足现场灵活布置、就地计算及分析 决策要求的同时，降低了成本，是现有煤矿机电设备 工作状态监测或故障诊断云平台化部署、远程分析 方式的有益补充。随着智能制造特别是智能矿山建 设工作的推进，边缘计算、就地控制的模式将成为智 能矿山运维体系的重要方式，且适用于风电机组、水 电机组、智慧工厂等智能制造相关特种工业数据采 集与分析计算场景。 参考文献References 1 -欧阳劲松，刘丹，杜晓辉.制造的数字化网络化智能化 的思考与建议 J 中国仪器仪表,018428-36. 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