基于DSP 的采煤机无线监测网络设计

来源:互联网 编辑:李元芳 手机版

课程结业论文基于DSP 的采煤机无线监测网络设计应用

课程名称:DSP原理及应用

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学生姓名:

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中国·大庆

2012 年 5 月

基于DSP 的采煤机无线监测网络设计应用

- 0 -

1 系统总体设计

- 1 -

1.1基于DSP的采煤机

- 1 -

1.2 系统总体设计的要点

- 2 -

1.3选择合适的工作频率

- 2 -

1.4 DSP的扩频系统

- 2 -

2.采煤机状态参数检测

- 3 -

2.1 采煤机状态参数

- 3 -

2.2采煤机综合监测系统结构

- 3 -

3. 基于无线传感器的数据采集系统

- 4 -

3.1 传感器节点

- 4 -

3.2 分布式在线监测网络系统

- 5 -

3.2.1 分布式在线监测系统网络拓扑

- 5 -

3.2.2 分布式在线监测系统单节点实现方案

- 5 -

3.2.3 无线传输协议

- 5 -

4. 基于DSP的实时信号处理单元

- 5 -

4.1 DSP系统的构成

- 6 -

4.2 .单节点数字信号处理单元的设计

- 6 -

4.2.1 数字信号处理器(DSP)

- 7 -

4.2.2复杂可编程逻辑器件 CPLD

- 7 -

4.2.3 存储器(SRAM)

- 7 -

5. 结论

- 7 -

摘 要:本文根据采煤机工况在线监测和故障诊断的要求,设计了一种基于DSP的采煤机

无线监测网络系统。该系统采用分布式无线传感器网络和DSP技术,能够更好地完成数据

采集和数据处理任务,获得更加准确的实时工况信号。及时获取真实的现场工况对维护采

煤机械的长期稳定工作具有重要的意义。

关键词 采煤机监 DSP 无线传感器网络 分布式

中图分类号 TD76 1 系统总体设计1.1基于DSP的采煤机

随着现代科学技术的迅速发展,越来越多的国家将电力电子技术、计算机通信技术、微电子技术等应用于采煤机的制造及其运行过程的检测监控中,显著提高了采煤机的安全性、

可靠性和自动化水平[1]。和国外相比,我国生产的电牵引采煤机的工况监测范围不全面,检

测参数比较少,故障诊断功能非常有限。而在集计算机通信和微电子技术于一体、能够实现

自动监测和具有故障诊断功能的采煤机制造领域尚处于空白状态。不断发展的测量技术、传

感器技术和计算机技术为采煤机在线监测与故障诊断提供了可能。微电子技术和集成电路制

造技术的发展,特别是数字信号处理器(DSP)的发展,为采煤机分布式在线振动监测网络

系统提供了新的解决思路和方法。

井下现场繁冗的布线和维护任务更是增加了生产成本和降低了生产效率。无线传感器和传感器网络作为一项新兴的技术,其具有组建容易,设置和维护都比较简单的特点,与有线网络比较,具有很强的灵活性。随着数字矿山的提出,解决地面一井下双向无线通信成为亟待研究的关键技术.矿井的环境非常特殊和复杂,采矿设备产生的强大噪声和各种电磁波使通信信号产生严重的失真和码间串扰,甚至形成多径衰落现象,影响正常的通信工作.针对这种情况,本文从抗干扰出发,分析和设计系统

主要参数,实现了基于DSP的无线通信系统.

采煤机是综采工作面落煤和装煤的机械,它的运转正常与否决定着综采工作面的生产率。对采煤机的运行状态及参数进行监测与诊断,是提高电牵引采煤机可靠性与安全性的重要手段[1]。由于采煤机特殊的工作环境,一方面,传统传感器不能完全适应井下的工作条件,井下现场繁冗的布线以及线路的维护问题不但增加了生产成本,也使生产效率降低;另一方面,大量信息的实时快速处理需要高性能的处理器,如果处理器的性能不能满足要求,就会产生信息拥塞等问题,造成通信中断。

无线MESH网络作为一项新兴技术,具有组建容易、设置和维护简单的特点,无线MESH网络简称WMN。在WMN中,任何一个节点都可以同时作为AP和路由器,每一个节点都具有发送和接收数据的功能,任意两个WMN之间都可以建立连接,从信源到信宿之间有多条冗余的通信路径,有效避免了网络的单点故障和潜在的链路瓶颈[5]。与传统的无线网络相比,WMN具有增强的可靠性、更低的部署成本、更大的覆盖范围。DSP是专门用来进行高速数字信号处理的微处理器,与传统的CPU和MCU相比,DSP采用了哈佛结构、流水技术、硬件乘法器等技术,提高了处理器的处理速度。因此,笔者采用WMN和DSP设计了一种采煤机无线监测系统,该系统通过WMN采集采煤机的工作信号,利用DSP完成信号处理任务,将处理后的信号通过WMN、网桥AP、光纤等发送至监控中心。1.2 系统总体设计的要点

1)消除严重的电磁干扰:采用扩频通信技术,用伪随机序列直接乘以信息信号进行传输,具有良好的抗干扰能力.

2)去噪,改善恶劣的工作环境:采用F1适应滤波算法进行去噪处理.

3)无线信道去复杂化:只改变软件进行现场调试,其中最重要的是可灵活设计信道编码和调制方式,以及控制发射频率和发射功率等.1.3选择合适的工作频率

从抗干扰角度出发,所谓合适的工作频率,是指在这个频率上工作时,没有同频干扰和组合干扰,受天电干扰影响最小,噪声背景电平低于接收机灵敏度.在条件允许时,宜选择较高的工作频率.

1)多抽样率信号处理

多抽样率是指在一个系统巾有两个或两个以上的抽样率。为给A/I)转换后的数据流进行降速处理,以解决采样后的数据流速度高而导致后续信号处理速度跟不上的问题,信号经过正交数宁变频后,将信号由射频或中频变换到基带,基带信号的最高有用频率远小于变频前的信号。DSP主要完成这一理论中最重要的理论即抽取和内插。1.4 DSP的扩频系统

1)扩频通信系统

扩频通信系统是指传输信息的频谱用特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号,然后送入信道中传输,在接收端再利用相应手段将其压缩,从而获取传输信息的通信系统?.我们在直接序列扩频系统中,用二进制的伪噪声序列反极性调制脉冲成形函数得到扩频信号波形,

2).信道编码的选择

信道编码是抗干扰和纠错的一项重要而有效的手段,编码的选择非常重要.

1)由于工作现场的电磁干扰严重、无线信道复杂,大量粉尘会产生强的多径衰落;散射、反射等现象,因此设计的信道编码应有纠正码字内多个错误的能力.

2)工作环境恶劣,噪声很大,特别是各种机器产生的突发噪声影响严重.所以设计的信道编码要有一定的纠突发错误的能力.

3)信道编码不要太复杂.译码速度要快,编译码要简单、易于DSP和可编程器件实现.

因此,本文选用RS(15。9,3)(Reed.Solomon)码作为信道编码.RS码建立在GF(2“)(_r,l>3,m是任意整数)有限域上,是MDS码,具有极大最小距离特性.Rs码除了译码设备略复杂之外,它的卓越的纠错能力,无论是纠群发错还是随机错,以及它的快速译码速度,均是其它码类所无法比拟的.而且,RS码通常在信道编码中作为外码与其它编码方式一起构成整个信道编码,从而获得所需的编码增益,以满足通信系统信息传输所需的误码率.内码可以采用TCM(网格编码调制)、卷积码或Turbo码等编码方式.2.采煤机状态参数检测 2.1 采煤机状态参数

采煤机综合监测系统的监测参数[2]如表1所示

采煤机机身状态参数主要有 大电机电流、牵引速度、切割、破碎等各主要部件的温度、

左右摇臂倾角、采煤机位置状态等 准确获取这些参数是采煤机实现自动控制的基本前提.2.2采煤机综合监测系统结构

采煤机综合监测系统采用分布式、模块化的结构 如图1所示。每个监测单元都是一个独立的数据采集传输节点 各单元与监测中心的数据传输采用数字式传输方式。一个基本监测单元是由一个微片和一个传感器所组成。

Fig1 Shearer integrated monitoring system diagram

现场采集的信号传递至中心计算机的过程如下图2所示:

图 2 系统信号传递流程图

Fig2 Signaling flow chart of system 3. 基于无线传感器的数据采集系统 3.1 传感器节点

无线传感器又被称为集成化智能传感器,和经典的传感器相比,集成化智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。

一个节点单元是由一个微片和一个传感器构成[3]。微片通常具有处理器、存储器、无

线连接性以及一个作为电源的微型电池。它可以具有低带宽以支持有限数据的传输 或具有

高带宽以支持流视频、图像和音频的传输。例如 由Crossbow Technology公司提供的MICAz

就是一种商用、高带宽传感器微片 可以采集诸如温度、速度以及振动这样的物理和环境特

性。新一代的MICAz微片具有长达3年的寿命、小于1立方毫米的体积以及不超过15美分

的成本。

作为传感器节点的另一个组成部分的传感器 正从尺寸、成本和功能方面快速发展。随

着商用无线传感器节点和网络的发展 完整的无线传感系统已经上市 它们通常配备了开发

和原型设计工具 便于设计工程师从事智能采矿环境的系统集成设计。

3.2 分布式在线监测网络系统 3.2.1 分布式在线监测系统网络拓扑

系统要求将每一个被测点作为一个单元,各个单元能够不依赖上位机独立进行监测,并

通过DSP数据处理系统对单元测量数据进行处理,然后将处理结果存入数据库, 传送至中

心计算机后,分析软件对采煤机机械设备的参数信号分析,以此为根据评价设备的运行情况 [4]。

分布式在线监测系统网络拓扑示意图如图3所示 图中要求所有传感器具备TCP/IP传

输能力 在DSP单元中需要集成并实现TCP/IP的传输功能。

3.2.2 分布式在线监测系统单节点实现方案

根据监测要求,每个节点需要实现的功能是:通过安置在设备上的传感器获取测量信号

信号调理电路进行放大和滤波,A/D转换电路将其转换为数字信号,并存入输入数据缓存器, DSP将振动数据进行实时处理并按照要求的格式将结果存入输出数据缓存器,以上控制时

序由CPLD完成。处理后的数据经过无线收发模块传至无线网桥/AP,从无线AP到中心计

算机的通信方式可以选择光纤传输。数据通过无线AP和光纤传送到中心计算机,按规定格

式保存在数据库,相应的分析软件实现对机械设备的振动信号分析,在线监测软件实时显示

分析曲线和数据,并根据设定的门限值,进行报警或其他处理。 3.2.3 无线传输协议

常用的无线传输协议有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooh等,每一种协议都有其自身特殊使命,在选用采煤机监测数据传送的协议时,应根据现场要求进行选择,这里不再作进一步的讨论。4. 基于DSP的实时信号处理单元

(1)DSP的功能

DSP集成在传感器节点中,用来处理传感器采集到的信号,DSP对传感器采集到的诸如振动信号等进行快速Fourier变换,信号经过DSP处理后,节点中的无线发射模块将信号传送至WMN,进行

下一步的传输。中心计算机接收到信号后,相关软件对信号进行频谱分析,获得信号的频率成分、频率分布范围和各个频率成分的功率和能量的分布情况。通过频谱分析,可以避免采煤机故障发生和预防故障发生的早期问题,避免重大生产事故的发生。

(2)CPLD的功能

CPLD是一种用户根据需要自行构造的逻辑功能的数字集成电路,在本文中用于采煤机无线监测网络的逻辑控制。在控制过程中,CPLD一方面协调8路AD采集,将采集到的信号存放在存储器A中,另一方面,协调DSP读取存储器A中的数据,并将处理后的数据存放在存储器B中。

DSP是数字信号处理器(Digital Signal Processor)的英文缩写,它是伴随着

微电子学、数字信号处理技术、计算技术等学科的发展而产生的。由于它特殊的

结构设计,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。信号实时变换和处理是分布式

在线监测网络系统的主要任务之一。

通过DSP进行快速Fourier变换对振动数据进行频谱分析,以求得信号的频率成分、频

率分布范围以及各频率成分的幅值和能量分布 可以更加灵敏、精确地描述和识别信号,对

系统进行监测与故障诊断。 4.1 DSP系统的构成

如图4所示为一个典型的DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。它可以

是各种传感器输出的模拟信号,也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的图像

信号等。

输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。

DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号,DSP芯片对输入的

数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的关

键。最后,经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑

滤波就可得到连续的模拟波形。

上面给出的DSP系统模型是一个典型模型,但并不是所有的DSP系统都必须具有模型

中的所有部件。如大多数测试仪器的输出都是数字形式,这就不需要D/A转换了。有些输

入信号本身就是数字信号,因此就不必进行模数变换了。 4.2 .单节点数字信号处理单元的设计

基于DSP构建实时信号处理单元 主要包括数字信号处理器 DSP 、复杂可编程逻

辑器件 CPLD 。 4.2.1 数字信号处理器(DSP)

信号处理单元将采集的振动信号进行Fourier变换,将实测信号由时域转换为频域,得

到信号的频率成分、频率分布范围以及各频率成分的幅值和能量分布,并将处理结果通过制

定形式传送给上位机,上位机对信号进行进一步分析处理。

DSP功能可以在CPU、MCU和原始DSP中实现,选择使用DSP是因为DSP与CPU

和MCU相比,优点在于三点[5],其一,DSP能够支持广泛的存储器带宽,所以能够同时支

持多个算法单元;其二,DSP的实时处理功能,大多数的CPU和MCU都缺少实时执行功

能,对于具有预先确定性时间要求的应用,DSP正是理想的处理器;另外,DSP能够采取

数据存储模式,并具有低功耗的优势。 4.2.2复杂可编程逻辑器件 CPLD

分布式在线检测网络系统的控制逻辑由CPLD实现。CPLD主要实现两个方面的逻辑 一是协调8路A/D采集。并将采集得到的信号存放在存储器1中;二是协调信号处理板上

DSP读取存储器1中的数据并将处理后的频域数据存放在存储器2中。 4.2.3 存储器(SRAM)

SRAM是系统中的数据存储器,用于保存采集的信号数据和信号处理结果。

SRAM的容量和读写速度是两个重要的参数。SRAM的容量决定了它所能提供的存储空间的大小,SRAM的读写速度直接影响着系统时钟的选择。 集成化智能传感器节点中 数字信号处理单元集成在微片中,不需要另外构建信号处理单元,但是它们所用到的原理是一样的。 5. 结论

采煤机无线监测系统通过无线传感器节点采集采煤机工作信号;利用DSP完成信号处理任务,通过光纤传送至中心计算机;中心计算机中的分析软件根据采集的数据情况,调整采煤机的各个参数,实现了对现场工况实时监控的目的。在平顶山二矿以及西安煤机厂进行的现场试验结果表明,该系统运行良好,无线信号强度能够保持在-60~+70dB之间,满足采煤机无线监测系统的使用要求。

通过构建无线传感器网络采集现场工况信号,可以有效完成数据的采集任务,并降低了生产成本,减轻了维护任务。利用DSP可以高速完成信号处理任务,计算出信号在频域的详细信息,通过光纤传送至中心计算机,在中心计算机中安装相关的分析软件,存储并显示现场数据曲线,根据采集的数据情况,对工作机械的各个参数进行调整,实现了对现场工况\\的实时监控。这对于在线监测采煤机等设备长期保持良好的运行特性和动态特性和综采工作面的持续高效安全工作具有极为重要的意义。基于DSP强抗干扰无线通信系统采用扩频技术进行自适应去噪声处理,具有很强的抗干扰特性.该无线通信系统不但在矿井等较特殊的环境下有实用价值,而且在保密通信传输中也有很高的应用价值.DSP是软件无线电中无法替代的器件,但是面对大量的数据处理过程,DSP的运算速率成为制约软件无线电发展的瓶颈。肉而在设计中要考虑每个目标器件的周期节约能力,估计完成每个算法所需要的时间,这也是在DSP完成功能实现中的难点。现阶段,在软件无线电的基础上提出的认知无线电是一种智能化的无线通信技术.它着力解决频谱资源的有效利用问题,DSP技术必将成为无线电发展的主要推动力量。

参考文献 [1] 张建文,谭得健,于江,张振明. 电牵引采煤机振动特性分析[J].煤矿机电.2006(04).

[2] 刘云霞,黄静雯,谭得建.基于现场总线技术的电牵引采煤机监测监控与故障诊断系统[J].工矿自动

化.2002(06)

[3] 电子产品世界 http//www.eepw.com.cn/article/84276.htm [4] 王开治,刘翠珊,栾江峰,丁启敏. 数字无线网络技术在实时无损检测系统中的应用[J].

虚拟仪器技术2008(08)

[5] 韩萌, 刘晟. 浅谈DSP技术的应用和发展前景[J].科技信息2009(08) The Design Of Shearer Wireless Monitoring Network Based

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