礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　摘要：以人工巡檢和振動(dòng)信號(hào)診斷為主的帶式輸送機(jī)托輥故障監(jiān)測(cè)無(wú)法保證高可靠性和實(shí)時(shí)性，因此采用電力線(xiàn)載波通信方式傳輸帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行數(shù)據(jù);傳統(tǒng)的電力線(xiàn)載波通信是侵入式的，且需要定期更換電池。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于自供電和非侵入式電力線(xiàn)載波通信的礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端和127V照明電力線(xiàn)組成。發(fā)送端安裝于帶式輸送機(jī)托輥處，采用FPGA作為核心控制器，對(duì)托輥運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的音頻信號(hào)進(jìn)行采集并調(diào)制成高頻信號(hào)，通過(guò)電感耦合器將高頻信號(hào)耦合入照明電力線(xiàn)中，實(shí)現(xiàn)非侵入式電力線(xiàn)載波通信;接收端安裝于地面控制室，實(shí)現(xiàn)照明電力線(xiàn)中信號(hào)的解耦、解調(diào)、還原;對(duì)采集的原始音頻信號(hào)和還原的音頻信號(hào)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，確認(rèn)還原的音頻信號(hào)的準(zhǔn)確性后進(jìn)行倒譜分析，從而判斷托輥故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確診斷帶式輸送機(jī)托輥故障。

　　關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī);托輥狀態(tài)監(jiān)測(cè);非侵入式電力線(xiàn)載波通信;電感耦合器;自供電

　　引言

　　帶式輸送機(jī)是煤炭井下運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，由于經(jīng)常運(yùn)行在高速重載工況下，帶式輸送機(jī)托輥容易發(fā)生故障[14]。當(dāng)前井下長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)托輥故障監(jiān)測(cè)以人工巡檢和振動(dòng)信號(hào)診斷為主，但該監(jiān)測(cè)方法無(wú)法保證高可靠性和實(shí)時(shí)性，因此需要使用通信方式傳輸帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　目前煤礦中主要以電纜通信、無(wú)線(xiàn)通信、光纖通信和電力線(xiàn)載波通信進(jìn)行信息傳輸。電纜通信需要鋪設(shè)專(zhuān)用的線(xiàn)路，成本過(guò)高;無(wú)線(xiàn)通信由于在井下存在干擾源多、多徑干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，其通信距離受到極大限制[7];光纖通信傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大，但是光纖在井下熔接會(huì)產(chǎn)生火花，容易發(fā)生爆炸等安全事故;電力線(xiàn)載波通信傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸速率較高，可將電能與高頻信號(hào)通過(guò)同一條電力線(xiàn)進(jìn)行傳輸而無(wú)需采用專(zhuān)用通信線(xiàn)路，具有成本低、維護(hù)工作量小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。

　　因此，本文采用電力線(xiàn)載波通信實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。傳統(tǒng)的電力線(xiàn)載波通信是侵入式的，耦合器直接與電力線(xiàn)相連，需要斷電操作，而且對(duì)電力線(xiàn)本體進(jìn)行破壞，實(shí)際操作困難且需要定期更換電池，供電十分不便10。因此，本文以井下127V照明電力線(xiàn)作為通信媒介，設(shè)計(jì)了一種基于自供電和非侵入式電力線(xiàn)載波通信的礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可為帶式輸送機(jī)托輥故障監(jiān)測(cè)提供一種低成本、安裝方便且可靠的方式。

　　1系統(tǒng)原理

　　礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端和127V照明電力線(xiàn)組成。發(fā)送端安裝于帶式輸送機(jī)托輥處，接收端安裝于地面控制室，發(fā)送端與接收端通過(guò)井下已鋪設(shè)的127V照明電力線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。發(fā)送端主要由托輥運(yùn)行音頻信號(hào)采集、調(diào)制與功率放大、耦合個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)在照明電力線(xiàn)中的耦合;接收端主要由音頻信號(hào)解耦、解調(diào)、還原與自動(dòng)增益?zhèn)�子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)照明電力線(xiàn)中音頻信號(hào)的還原;對(duì)發(fā)送端和接收端的音頻信號(hào)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析和倒譜分析，從而判斷托輥故障。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1硬件設(shè)計(jì)

　　礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成如圖所示。采用AX7035FPGA作為核心控制器，根據(jù)其并行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)控制音頻采集模塊AN831與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊AN9767，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的高速采集、還原與調(diào)制、解調(diào);通過(guò)電感耦合器、功率放大模塊AP3001與自動(dòng)增益模塊AD620完成音頻信號(hào)的耦合與解耦;利用自供電單元對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

　　2.1.1基于電感耦合器的非侵入式電力線(xiàn)載波通信

　　電感耦合器主要由個(gè)半圓型的鐵氧體磁環(huán)、直徑為0.6mm的漆包線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和卡夾式外殼組成。電感耦合器本質(zhì)為一種穿心式、電磁式互感器[1112]，能夠在無(wú)需協(xié)調(diào)斷電且不破壞照明電力線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的情況下使用13]，可夾持在照明電力線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)非接觸式安裝，操作方便。

　　漆包線(xiàn)緊密地纏繞在鐵氧體磁環(huán)上形成初級(jí)線(xiàn)圈，次級(jí)線(xiàn)圈為127V照明電力線(xiàn)。當(dāng)信號(hào)線(xiàn)輸入一個(gè)高頻的交變載波信號(hào)時(shí)，初級(jí)線(xiàn)圈上的交流電會(huì)在鐵氧體磁環(huán)附近產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)，并在電力線(xiàn)上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

　　3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　在正常的帶式輸送機(jī)托輥上分別加工出裂痕與磨損來(lái)模擬種托輥故障。實(shí)驗(yàn)設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率為48kHz，采樣時(shí)間為5s。將采集的原始音頻信號(hào)和還原的音頻信號(hào)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，得出兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.91，表明原始音頻信號(hào)和還原的音頻信號(hào)高度相關(guān)。確認(rèn)還原的音頻信號(hào)的準(zhǔn)確性后，進(jìn)行倒譜分析。

　　煤炭論文投稿刊物：《煤炭學(xué)報(bào)》是中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)主辦的煤炭系統(tǒng)最高水平的綜合性學(xué)術(shù)刊物，現(xiàn)為雙月刊，112頁(yè)。主要刊載與煤炭科學(xué)技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和重大工程研究的理論成果，包括煤田地質(zhì)學(xué)、礦山巖體力學(xué)、采礦工程、煤礦安全、環(huán)境保護(hù)、煤礦機(jī)電一體化、煤的加工與利用、煤炭經(jīng)濟(jì)研究等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文。30多年來(lái)，為傳播煤炭科學(xué)技術(shù)起到了重要的作用。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　提出了一種基于自供電和非侵入式電力線(xiàn)載波通信的帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用FPGA作為核心控制器，同時(shí)控制音頻采集模塊與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)托輥運(yùn)行時(shí)的音頻信號(hào)進(jìn)行高速采集、還原與調(diào)制、解調(diào);利用電感耦合器完成信號(hào)在照明電力線(xiàn)中的耦合與解耦，不僅安裝方便，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的非侵入式電力線(xiàn)載波通信;通過(guò)自供電單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中FPGA、功率放大模塊與自動(dòng)增益模塊的供電，解決了供電不便的困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

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　　作者：姜闊勝，毛中元，謝有浩，卞士軍，周遠(yuǎn)遠(yuǎn)，郭帥，胡坤

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