煤礦多路工況音匯聚檢測裝置

馮新軍，徐永，馮曉哲，韓劍

（1.鄭州煤電股份有限公司告成煤礦，河南 鄭州 450015；2.北京航空航天大學，北京 100191）

煤礦多路工況音匯聚檢測裝置

馮新軍1，徐永1，馮曉哲2，韓劍1

（1.鄭州煤電股份有限公司告成煤礦，河南 鄭州 450015；2.北京航空航天大學，北京 100191）

提出一種多路工況音匯聚檢測裝置。通過多路拾音器、多路音頻放大器、多路低通濾波器、8:1多路模擬開關、單片機及以太網接口實現工況音的多路匯聚。匯聚后的數字工況音經以太網接口傳輸到地面的控制用主機進行播放。其優點是實現了煤礦井下多路設備工況音的匯聚采集，避免了各路采集需要使用多套重復的工況音采集設備、占用多個交換機口的現象，經濟實用。此外，還可以有效降低網絡流量。

多路；工況音；匯聚；模擬開關；網絡流量

煤礦綜合自動化系統采用工業以太網作為主干傳輸網絡，各種監測監控信號、語音信號、視頻信號等均通過工業以太網平臺進行傳輸。綜合自動化中對于設備的遠程控制，常通過工業電視來監測設備的工況，如皮帶的啟停、采煤機的啟停等。而對于某些設備，如風機、水泵等設備，屬于內部旋轉的設備，外部看不到動作，不能用工業電視來監視這些設備是否已經開啟與停機。近年來發展出了用拾音器來檢測這類設備開啟與停機時的設備工況音，并通過網絡將數字化的工況音傳送到地面，在地面用喇叭來播放工況音，用來輔助操作人員識別該水泵是否正常開啟與停機。目前，這種工況音信號檢測裝置采用了普通的語音頻檢測技術，基本都是單路的，每個檢測裝置占用一個網絡交換機的 RJ45口，

并不能很好地適合煤礦井下設備相對集中的場合，如井下水泵房。本文提出一種多路工況音匯聚檢測裝置，能按地面工作主機的指令，選出指定的某一路設備進行工況音采集。由于電力負荷穩定的需要，煤礦井下設備集中的地方通常在某個時刻只能啟/停一臺設備，不存在多臺設備同時啟/停的情況，因此，匯聚單元只需要根據地面主機的指令選定啟/停工作的那一路信號進行采集與傳輸。其優點是經濟實用，避免使用多套重復的檢測裝置占用過多的交換機口。

1 工況音匯聚的原理

圖1 多路工況音匯聚電路原理圖

多路工況音匯聚裝置包括多路拾音器、多路音頻放大器、多路低通濾波器、8:1多路模擬開關、單片機和以太網接口。如圖1所示為8路工況音匯聚裝置。圖中拾音器采用通用商品化拾音器，音頻放大器為通用商品化音頻放大器，濾波器采用 uA741搭建，模擬開關采用 CD4051，單片機采用具有 A/D轉換及以太網接口的 PIC18F66J60，工業以太網為煤礦己有的井上和井下監測控制用工業以太網，地面主機為普通計算機。

具體工作過程是，地面主機通過以太網傳送來某個通道的采集指令，單片機選定該通道，將控制通道的信號輸出給多路模擬開關的 A、B、C端口，指定的這路拾音器拾取該設備開/停的工況音信號，經本路音頻放大器放大和低通濾波，其輸出信號匯聚到 8:1模擬開關，將此路模擬信號選出送到單片機進行采集。通道選擇編碼如表1。

表1

八選一模擬開關的N端為片選端，選中時，該模擬開關進入工作狀態。選中的工況音信號在單片機中進行數字化，并轉換成以太網數據格式，并經以太網接口傳輸到地面的控制用主機進行播放。各拾音器安裝在被檢測設備附近。該工況拾音裝置中使用的可控低通濾波器由 uA741模擬集成電路組成，兩級 RC電路組成濾波 網 絡，截止頻率 f0=1/2πRC，調節 R 可調節低通濾波器的截止頻率，使其滿足模擬工況音信號不高于 800Hz的要求。單片機采用 PIC18F66J60單片機，AD轉換和以太網傳輸由具有以太網控制器的單 片 機 PIC18F66J60系 列 芯 片 為 主 構 成， 該 單 片 機具有 64K閃存程序存儲器，39腳 I/O 口，10Base-T以太網 通信。 支 持 IEEE 802.3(TM) 兼容 的 以太網控制器，支持 10Base-T 端口，集成了 MAC接入層和10Base-T物理層，專用的 8KB發送 /接收數據包緩沖器 SRAM等，并且具有普通單片機的功能，具有11通道的 10位模數轉換器模塊（A/D）和自動采樣功能，在實施中只用其中1個通道模數轉換。數字化的工況音信號通過以太網口 TPOUT和 TPIN實時傳送到工業太網中。根據 PIC18F66J60單片機采樣頻率計算公式，當晶體頻率采用 Fad=25MHz時，采樣頻率最高可達 250kHz，完全能滿足 2kHz以內的工況音信號動態采樣的要求。工業以太網通過標準的 RJ45接口連接到 1:1的脈沖變壓器 CT，再連接到 PIC單片機的 TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四個端口，實現以太網傳輸。

2 使用效果

超化煤礦已經建成了比較完善的綜合自動化底層網絡及中間層集成系統，礦井通風、排水、供電、運輸、主副井提升等 10多個子系統均在綜合自動化平臺上進行傳輸與監控。過去對水泵房的工況音監測是采用多路工況音檢測裝置，占用多個交換機 RJ45口，設備重復率高，費用大。由于電力負荷穩定的需要，煤礦井下設備集中的地方通常在某個時刻只能啟/停一臺設備，不存在多臺設備同時啟/停的情況，因此，匯聚單元只需要根據地面主機的指令選定啟/停工作的那一路信號進行采集與傳輸。本多路工況音匯聚裝置在鄭煤集團超化煤礦的井下泵房進行了試用。使用中，多路拾音器分別安裝在被檢測水泵設備附近，通過屏蔽的音頻電纜將工況音信號引到本裝置。工業以太網采用煤礦已有的井上和井下監測控制用工業以太網，主機為普通計算機。

在軟件的控制下，本裝置可以控制采集任一指定設備的工況音信號，通過工業以太網采集到的信息如圖2所示，圖2中 (a)圖為原來多路的工況音獨立使用通道傳輸時，地面從多個通道獲取的波形。多個水泵的啟動信號從多個通道而來。由于電力負荷穩定的需要，各臺水泵須在不同時刻進行啟動。(b)圖是使用本裝置后，多路水泵開啟時的信號合成了一路，由于水泵啟動時刻本來就必須有前后，因此，啟動的波形也在不同的時間段。采用工況音匯聚裝置后帶來的另一方面的好處是有效降低了網絡流量。由于超化煤礦綜合自動化系統中通風、排水、供電、運輸、主副井提升等 10多個子系統均在綜合自動化平臺上進行傳輸與監控，控制網絡流量是一個很重要的工作。采用匯聚裝置后，將圖2(a)所示的多路流量信號匯聚成了圖2(b)所示的一路流量信號，流量降低到原來的 1/3，如用在更多路的場合后，流量降低會更為明顯。

圖2 多路水泵啟動過程的工況音波形圖

因此，在煤礦設備較為集中的場合，使用多路工況音匯聚檢測裝置，可避免大量相同檢測裝置的重復使用，經濟實用，安裝調試和維護方便。此外，還可以避免占用過多的交換機口，有效的控制網絡流量，防止網絡擁塞。

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TS251.7

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1671-0711（2017）07（下）-0096-02