面向矿井机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计_常映辉.pdf

doi:10.13436/j.mkjx.202305004煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月0引言在“双碳”行动落实过程中，加快矿业智能化建设已成为实现行业高质量发展的必由之路，矿业行业智能化建设也已进入加速跑阶段。2020年10月，华为公司组织发布了第一版煤矿智能化白皮书，随后在国家能源局、国家矿山安全监察局联合印发煤矿智能化建设指南（2021版）精神的指引下，于2021年11月发布煤矿智能化白皮书（2021版）作为对第一版的更新和延续，重点介绍了1 a来在煤矿智能化建设中技术研发、实践应用、标准规范等方面的进展情况，阐述了智能矿井现存的突出问题和下一步发展方向，旨在加快新一代电子信息技术和煤炭开发利用的深度融合。其中重点介绍了煤矿5G应用标准技术体系，不过新版白皮书在第四章展望部分也明确指出煤矿5G大规模推广应用还存在着诸多问题亟待解决，其中重要一点是由于煤矿井下通信设备需要进行防爆设计，考虑发射功率限制及井下特殊现场环境要求，矿用5G基站覆盖距离有限，基站数量大幅增加，网络建设成本过高，于煤矿应用的投资与收益尚未明朗化，未形成易规模复制推广应用的智能矿井建设模式。因此对于智能矿井在通信集成系统及设施方面的建设规划，考虑各种面向矿井机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计常映辉1，2，3（1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，太原030051；2.榆林天地煤机装备有限公司，陕西 榆林719000；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原030051）摘要：为了实现智能矿山工业互联生态中多系统及终端统一帧格式温度信号的实时采集、存储、数据接入与井上监测，提出了一种面向矿井关键机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计。系统选用分屉式模块化架构，单屉设计有5路温度系数大、耐久性强、线性度高的三线制铂热电阻PT1000，分别作为整流电桥电路中的一个臂进行测量。测试结果表明，系统可对-6060 内的多个分布节点实时同步采样、存储、数据融合、接入显示，误差不超1，数据传输稳定可靠，传输速度达860 Mb/s以上，可用于对井下关键部位如筛分设备、轴承体、带式输送机、减速机等设备仪表的温度监测与保护，对于赋能矿业智能化建设有较大实际意义。关键词：智能化矿井；铂热电阻；数据融合；PT1000中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0011 04Design of Extensible Platinum Thermal Resistance Test System forMine MachineryChang Yinghui1，2，3（1.CCTEG Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan 030051，China；2.Yulin Tiandi Coal Mining Machinery Co.,Ltd.,Yulin 719000，China；3.National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery,Taiyuan 030051，China）Abstract:In order to realize the real-time acquisition,storage,data access and on-well monitoring oftemperature signals of multi-system and terminals in a unified frame format in the industrial interconnectedecology of intelligent mine,proposed a extensible test system design for platinum thermal resistance forintelligent mine.The system adopts a drawer-type modular structure,and a single drawer was designedwith five three-wire platinum thermal resistors PT1000 with large temperature coefficient,strongdurability and high linearity,which are respectively used as one arm in the rectifier bridge circuit formeasurement.The test results show that the system can synchronize real-time sampling,storage,datafusion,and access display for multiple distributed nodes in the range of-60 to 60,the error does notexceed 1,the data transmission is stable and reliable,and the transmission speed reaches 860 Mb/s.The above can be used to detect and protect the temperature of key parts of the well such as screeningequipment,bearing bodies,belt conveyors,reducers and other equipment and meters,which has greatpractical significance for enabling the intelligent construction of the mining industry.Key words:intelligent mine；platinum thermal resistance；data fusion；PT100011图2单个节点内部功能电路组成2系统硬件电路设计（1）温度采集调理电路设计系统温度采集调理电路主要由PT1000整流电桥电路、AD623差分放大电路以及AD8091电压跟随电路等部分构成。经差分放大电路出来的电压进入AD8091电压跟随器进行隔离，AD8091具有超低漂移的显著特性，最大漂移0.05 V/，可以避免温漂效应对采集精度的误差影响，基于此，AD8091经常被用于各类型高精度采样调理电路；经电压跟随后的值“SENSOR4”被送到16位精度AD7616中进行采集。单个节点温度采集调理电路设计如图3所示。（2）电源隔离电路设计为对ZYNQ主控模块的供电进行降噪，保障各个温度监测节点的平稳运行，该系统采用高效DCR01系列变换器的隔离器件DCR010505，为主控模块及其他模块提供了超低噪声、具有热保护和高精度的电源输入。电源隔离电路设计如图4所示。工业总线如485总线、CAN总线及千兆以太网等有线传输方式，保障有线主干网络与无线主干网络的实时互联互通是很有必要的。温度作为生产生活中最基本的物理量，实现智能矿山工业互联生态多系统中统一标准、格式温度信号的实时采集、存储、数据接入与井上监测对于智能矿井的平稳运营、安全生产具有重大意义。基于此，本文提出了一种基于千兆以太网的面向矿井关键机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计，为智能化矿井中多系统、多终端的温度数据提供了统一架构的井上可视化监测方式。1面向矿井关键机械的铂热电阻可扩展型测试系统总体设计该系统基于Xilinx的高性能ZYNQ-7000系列全可编程片上系统，选用温度系数大、耐久性强、线性度高的三线制铂热电阻PT1000作为整流电桥电路中的一个臂对依据实际需求灵活分布于井下各系统处的监测节点进行温度测量。系统设计为分屉式架构，每屉由主控模块、通信模块、存储模块、调理采集模块、电源模块、用作数据回传的SRAM实时监测模块等部分组成。上位机软件能够对XML文件格式的各节点温度数据文件进行实时拆分、灵敏度加载、通道加载，实现井上监测与数据中心对井下各关键设备及系统的可视化监测。系统总体结构如图1所示，单个节点内部功能电路组成如图2所示。图1系统总体框图第44卷第5期Vol.44 No.5面向矿井机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计常映辉5路PT1000铂热电阻信号调理QSPI FlashNT16位精度AD7616ZYNQ中心控制逻辑5路PT1000铂热电阻板间接插件ZYNQ中心控制逻辑16位精度AD7616QSPI Flash板间接插件1根同步控制2T1T信号调理信号调理16位精度AD76165路PT1000铂热电阻ZYNQ中心控制逻辑QSPI Flash板间接插件ZYNQ中心控制逻辑千兆网口六类网线总控电源管理模块六类网线千兆网口上位机井上监测与数据中心PT1000铂热电阻传感器信号温度传感器变换及调理28 V供电及电压转换数据编帧千兆以太网通信模块电源隔离数据缓存供电主控模块USB3.0X1终 端节 点确 认数据回传实时监测指令下发DX1上位机波形实时显示智能矿井数据与监测中心测试装置存储读写控制模块SPI FLASH存储模块读数装置事后读取分析12图4电源隔离电路设计（3）存储模块电路设计存储模块电路设计如图5所示。系统选用华邦W25N01GV型芯片作为温度数据的存储介质，其支持标准/双通道/四通道SPI接口数据传输，本设计选用标准SPI方式。值得注意的是在实际电路调试中发现W25N01GV芯片驱动能力较弱，当内部信号BUSY=0时表示命令执行完毕，实际上是读回来的伪低信号，容易发生误导。当在SPI信号线加上1 k上拉电阻即图5中的R86后，误导问题得以解决。图5存储模块电路设计3系统主要软件设计数据存储模块软件主要负责将AD7616采集的温度信号帧数据搬移到W25N01GV存储介质中，本系统中颗粒介质写入数据分2步：第1步是先把数据从异步FIFO导入芯片2048字节RAM缓冲区；第2步是执行页编程，将数据导入芯片颗粒内部存储阵列。如果只执行第1步，不执行第2步，数据还可以从缓冲区读出来，但是掉电后数据丢失。对于智能矿山中需进行数据存储与回放的实际应用场景来讲，这点值得注意。写入数据流程图如图6所示。图6写入数据流程图4系统测试为了验证系统量程范围、测试精度及波形监测功能，使用高低温快速变化实验箱配合系统上位机进行试验。本文测试所用高低温箱性能参数如图7所示。图7高低温箱性能参数测试平台由2台高低温快速变化实验箱、铂热电阻测试系统、PC上位机组成。首先对单屉5路节点进行测试，第1屉对应节点为X2X6，第2屉对应结点为X7X11，后续节点以此方式对应，X1通道单独预留用于测量井下环境空气温度，不对应设备终端。本次测试抽取第2屉5路通道进行，为验证单屉5路通道同时测量不同温度情况下上位机动态波形第44卷第5期Vol.44 No.5面向矿井机械的铂热电阻可扩展型测试系统设计常映辉图3单个节点采集调理电路设计R49GND_CC80PT2PT10001 k/0.1%R50100RR46100 nF/50 VC762.2 F/16 V+5 V BA72.2 F/10 V+2.048 V_AR581 k/0.1%C74GND_CGND_C20 kR44324158U156R521 k/0.1%100R100 nF/50 VC84C86+2.048 V_AGND_CGND_CR56GND_CGND_CAD623ARZ2.2 F/10 V1 k C82100 nF/50 V25341+5 V BAC782.2 F/16 VU17GND_C1 kR60GND_C+3.3 VD19BAT54SAD8091ARTZR531 kSENSOR4+-+-+5 V AG