礦用帶式輸送機托輥運行狀態監測系統

　　摘要：以人工巡檢和振動信號診斷為主的帶式輸送機托輥故障監測無法保證高可靠性和實時性，因此采用電力線載波通信方式傳輸帶式輸送機托輥運行數據;傳統的電力線載波通信是侵入式的，且需要定期更換電池。針對上述問題，提出了一種基于自供電和非侵入式電力線載波通信的礦用帶式輸送機托輥運行狀態監測系統。該系統由發送端、接收端和127V照明電力線組成。發送端安裝于帶式輸送機托輥處，采用FPGA作為核心控制器，對托輥運行時產生的音頻信號進行采集并調制成高頻信號，通過電感耦合器將高頻信號耦合入照明電力線中，實現非侵入式電力線載波通信;接收端安裝于地面控制室，實現照明電力線中信號的解耦、解調、還原;對采集的原始音頻信號和還原的音頻信號進行皮爾遜相關系數分析，確認還原的音頻信號的準確性后進行倒譜分析，從而判斷托輥故障。實驗結果表明，該系統能準確診斷帶式輸送機托輥故障。

　　關鍵詞：帶式輸送機;托輥狀態監測;非侵入式電力線載波通信;電感耦合器;自供電

　　引言

　　帶式輸送機是煤炭井下運輸的關鍵設備，由于經常運行在高速重載工況下，帶式輸送機托輥容易發生故障[14]。當前井下長距離帶式輸送機托輥故障監測以人工巡檢和振動信號診斷為主，但該監測方法無法保證高可靠性和實時性，因此需要使用通信方式傳輸帶式輸送機托輥運行數據，從而實現實時狀態監測。

　　目前煤礦中主要以電纜通信、無線通信、光纖通信和電力線載波通信進行信息傳輸。電纜通信需要鋪設專用的線路，成本過高;無線通信由于在井下存在干擾源多、多徑干擾嚴重等問題，其通信距離受到極大限制[7];光纖通信傳輸距離遠、帶寬大，但是光纖在井下熔接會產生火花，容易發生爆炸等安全事故;電力線載波通信傳輸距離較遠、傳輸速率較高，可將電能與高頻信號通過同一條電力線進行傳輸而無需采用專用通信線路，具有成本低、維護工作量小、施工周期短等優點。

　　因此，本文采用電力線載波通信實現帶式輸送機托輥運行數據的實時傳輸。傳統的電力線載波通信是侵入式的，耦合器直接與電力線相連，需要斷電操作，而且對電力線本體進行破壞，實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照明電力線作為通信媒介，設計了一種基于自供電和非侵入式電力線載波通信的礦用帶式輸送機托輥運行狀態監測系統，可為帶式輸送機托輥故障監測提供一種低成本、安裝方便且可靠的方式。

　　1系統原理

　　礦用帶式輸送機托輥運行狀態監測系統由發送端、接收端和127V照明電力線組成。發送端安裝于帶式輸送機托輥處，接收端安裝于地面控制室，發送端與接收端通過井下已鋪設的127V照明電力線進行實時數據通信。發送端主要由托輥運行音頻信號采集、調制與功率放大、耦合個子系統構成，實現音頻信號在照明電力線中的耦合;接收端主要由音頻信號解耦、解調、還原與自動增益個子系統構成，實現照明電力線中音頻信號的還原;對發送端和接收端的音頻信號進行皮爾遜相關系數分析和倒譜分析，從而判斷托輥故障。

　　2系統設計

　　2.1硬件設計

　　礦用帶式輸送機托輥運行狀態監測系統硬件組成如圖所示。采用AX7035FPGA作為核心控制器，根據其并行結構特點，同時控制音頻采集模塊AN831與數模轉換模塊AN9767，實現對音頻信號的高速采集、還原與調制、解調;通過電感耦合器、功率放大模塊AP3001與自動增益模塊AD620完成音頻信號的耦合與解耦;利用自供電單元對系統進行供電。

　　2.1.1基于電感耦合器的非侵入式電力線載波通信

　　電感耦合器主要由個半圓型的鐵氧體磁環、直徑為0.6mm的漆包線、信號線和卡夾式外殼組成。電感耦合器本質為一種穿心式、電磁式互感器[1112]，能夠在無需協調斷電且不破壞照明電力線絕緣結構的情況下使用13]，可夾持在照明電力線上，實現非接觸式安裝，操作方便。

　　漆包線緊密地纏繞在鐵氧體磁環上形成初級線圈，次級線圈為127V照明電力線。當信號線輸入一個高頻的交變載波信號時，初級線圈上的交流電會在鐵氧體磁環附近產生一個環形磁場，并在電力線上產生對應的感應電動勢

　　3實驗驗證

　　在正常的帶式輸送機托輥上分別加工出裂痕與磨損來模擬種托輥故障。實驗設置數據采樣頻率為48kHz，采樣時間為5s。將采集的原始音頻信號和還原的音頻信號進行皮爾遜相關系數分析，得出兩者的皮爾遜相關系數為0.91，表明原始音頻信號和還原的音頻信號高度相關。確認還原的音頻信號的準確性后，進行倒譜分析。

　　煤炭論文投稿刊物：《煤炭學報》是中國煤炭學會主辦的煤炭系統最高水平的綜合性學術刊物，現為雙月刊，112頁。主要刊載與煤炭科學技術相關的基礎理論和重大工程研究的理論成果，包括煤田地質學、礦山巖體力學、采礦工程、煤礦安全、環境保護、煤礦機電一體化、煤的加工與利用、煤炭經濟研究等領域的學術論文。30多年來，為傳播煤炭科學技術起到了重要的作用。

　　4結語

　　提出了一種基于自供電和非侵入式電力線載波通信的帶式輸送機托輥運行狀態監測系統。采用FPGA作為核心控制器，同時控制音頻采集模塊與數模轉換模塊，對托輥運行時的音頻信號進行高速采集、還原與調制、解調;利用電感耦合器完成信號在照明電力線中的耦合與解耦，不僅安裝方便，而且實現了遠距離的非侵入式電力線載波通信;通過自供電單元實現了對系統中FPGA、功率放大模塊與自動增益模塊的供電，解決了供電不便的困難。實驗結果驗證了該系統的有效性。

　　參考文獻(References)：

　　[1]李臻操虹賈洪鋼等煤礦帶式輸送機軸承監測診斷系統及其應用[J].工礦自動化,2011,37(12):1518.LIZhen,CAOHong,JIAHonggang,etal.Bearingmonitoringanddiagnosissystemofbeltconveyorofcoalmineanditsapplication[J].IndustryandMineAutomation,2011,37(12):1518.

　　[2]謝厚抗鮑久圣葛世榮等帶式輸送機承載托輥旋轉阻力特性試驗研究[J].煤炭學報,2019,44(增刊2):731736.XIEHoukang,BAOJiusheng,GEShirongetal.Experimentalresearchonrotationalresistancecharacteristicsofbeltconveyorbearingidler[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(S2):731736.

　　[3]馮志星礦用帶式輸送機常見故障及故障診斷系統的設計研究[J].機械管理開發,2019,34(11):114115.FENGZhixing.Commonfaultsoftheminebeltconveyorandthedesignofthefaultdiagnosissystem[J].MechanicalManagementandDevelopment,2019,34(11):11415.

　　[4]馬宏偉毛清華張旭輝礦用強力帶式輸送機智能監控技術研究進展[J].振動測試與診斷,2016,36(2):213219.

　　作者：姜闊勝，毛中元，謝有浩，卞士軍，周遠遠，郭帥，胡坤

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