矿用带式输送机托辊运行状态监测系统

　　摘要：以人工巡检和振动信号诊断为主的带式输送机托辊故障监测无法保证高可靠性和实时性，因此采用电力线载波通信方式传输带式输送机托辊运行数据;传统的电力线载波通信是侵入式的，且需要定期更换电池。针对上述问题，提出了一种基于自供电和非侵入式电力线载波通信的矿用带式输送机托辊运行状态监测系统。该系统由发送端、接收端和127V照明电力线组成。发送端安装于带式输送机托辊处，采用FPGA作为核心控制器，对托辊运行时产生的音频信号进行采集并调制成高频信号，通过电感耦合器将高频信号耦合入照明电力线中，实现非侵入式电力线载波通信;接收端安装于地面控制室，实现照明电力线中信号的解耦、解调、还原;对采集的原始音频信号和还原的音频信号进行皮尔逊相关系数分析，确认还原的音频信号的准确性后进行倒谱分析，从而判断托辊故障。实验结果表明，该系统能准确诊断带式输送机托辊故障。

　　关键词：带式输送机;托辊状态监测;非侵入式电力线载波通信;电感耦合器;自供电

　　引言

　　带式输送机是煤炭井下运输的关键设备，由于经常运行在高速重载工况下，带式输送机托辊容易发生故障[14]。当前井下长距离带式输送机托辊故障监测以人工巡检和振动信号诊断为主，但该监测方法无法保证高可靠性和实时性，因此需要使用通信方式传输带式输送机托辊运行数据，从而实现实时状态监测。

　　目前煤矿中主要以电缆通信、无线通信、光纤通信和电力线载波通信进行信息传输。电缆通信需要铺设专用的线路，成本过高;无线通信由于在井下存在干扰源多、多径干扰严重等问题，其通信距离受到极大限制[7];光纤通信传输距离远、带宽大，但是光纤在井下熔接会产生火花，容易发生爆炸等安全事故;电力线载波通信传输距离较远、传输速率较高，可将电能与高频信号通过同一条电力线进行传输而无需采用专用通信线路，具有成本低、维护工作量小、施工周期短等优点。

　　因此，本文采用电力线载波通信实现带式输送机托辊运行数据的实时传输。传统的电力线载波通信是侵入式的，耦合器直接与电力线相连，需要断电操作，而且对电力线本体进行破坏，实际操作困难且需要定期更换电池，供电十分不便10。因此，本文以井下127V照明电力线作为通信媒介，设计了一种基于自供电和非侵入式电力线载波通信的矿用带式输送机托辊运行状态监测系统，可为带式输送机托辊故障监测提供一种低成本、安装方便且可靠的方式。

　　1系统原理

　　矿用带式输送机托辊运行状态监测系统由发送端、接收端和127V照明电力线组成。发送端安装于带式输送机托辊处，接收端安装于地面控制室，发送端与接收端通过井下已铺设的127V照明电力线进行实时数据通信。发送端主要由托辊运行音频信号采集、调制与功率放大、耦合个子系统构成，实现音频信号在照明电力线中的耦合;接收端主要由音频信号解耦、解调、还原与自动增益个子系统构成，实现照明电力线中音频信号的还原;对发送端和接收端的音频信号进行皮尔逊相关系数分析和倒谱分析，从而判断托辊故障。

　　2系统设计

　　2.1硬件设计

　　矿用带式输送机托辊运行状态监测系统硬件组成如图所示。采用AX7035FPGA作为核心控制器，根据其并行结构特点，同时控制音频采集模块AN831与数模转换模块AN9767，实现对音频信号的高速采集、还原与调制、解调;通过电感耦合器、功率放大模块AP3001与自动增益模块AD620完成音频信号的耦合与解耦;利用自供电单元对系统进行供电。

　　2.1.1基于电感耦合器的非侵入式电力线载波通信

　　电感耦合器主要由个半圆型的铁氧体磁环、直径为0.6mm的漆包线、信号线和卡夹式外壳组成。电感耦合器本质为一种穿心式、电磁式互感器[1112]，能够在无需协调断电且不破坏照明电力线绝缘结构的情况下使用13]，可夹持在照明电力线上，实现非接触式安装，操作方便。

　　漆包线紧密地缠绕在铁氧体磁环上形成初级线圈，次级线圈为127V照明电力线。当信号线输入一个高频的交变载波信号时，初级线圈上的交流电会在铁氧体磁环附近产生一个环形磁场，并在电力线上产生对应的感应电动势

　　3实验验证

　　在正常的带式输送机托辊上分别加工出裂痕与磨损来模拟种托辊故障。实验设置数据采样频率为48kHz，采样时间为5s。将采集的原始音频信号和还原的音频信号进行皮尔逊相关系数分析，得出两者的皮尔逊相关系数为0.91，表明原始音频信号和还原的音频信号高度相关。确认还原的音频信号的准确性后，进行倒谱分析。

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　　4结语

　　提出了一种基于自供电和非侵入式电力线载波通信的带式输送机托辊运行状态监测系统。采用FPGA作为核心控制器，同时控制音频采集模块与数模转换模块，对托辊运行时的音频信号进行高速采集、还原与调制、解调;利用电感耦合器完成信号在照明电力线中的耦合与解耦，不仅安装方便，而且实现了远距离的非侵入式电力线载波通信;通过自供电单元实现了对系统中FPGA、功率放大模块与自动增益模块的供电，解决了供电不便的困难。实验结果验证了该系统的有效性。

　　参考文献(References)：

　　[1]李臻操虹贾洪钢等煤矿带式输送机轴承监测诊断系统及其应用[J].工矿自动化,2011,37(12):1518.LIZhen,CAOHong,JIAHonggang,etal.Bearingmonitoringanddiagnosissystemofbeltconveyorofcoalmineanditsapplication[J].IndustryandMineAutomation,2011,37(12):1518.

　　[2]谢厚抗鲍久圣葛世荣等带式输送机承载托辊旋转阻力特性试验研究[J].煤炭学报,2019,44(增刊2):731736.XIEHoukang,BAOJiusheng,GEShirongetal.Experimentalresearchonrotationalresistancecharacteristicsofbeltconveyorbearingidler[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(S2):731736.

　　[3]冯志星矿用带式输送机常见故障及故障诊断系统的设计研究[J].机械管理开发,2019,34(11):114115.FENGZhixing.Commonfaultsoftheminebeltconveyorandthedesignofthefaultdiagnosissystem[J].MechanicalManagementandDevelopment,2019,34(11):11415.

　　[4]马宏伟毛清华张旭辉矿用强力带式输送机智能监控技术研究进展[J].振动测试与诊断,2016,36(2):213219.

　　作者：姜阔胜，毛中元，谢有浩，卞士军，周远远，郭帅，胡坤

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