矿用皮带输送机故障语音通报系统设计

李骁洋

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

煤炭是我国能源结构的主体，受多煤、贫油、少汽的能源结构特点和风能、太阳能、生物质能等新型能源发展过程技术瓶颈限制，煤炭在一次能源生产和消费中占有重大比例。伴随煤矿生产自动化、智能化技术不断进步，井下皮带输送机已经成为一种大载量、高效率的主要运输煤炭和其他物料的工具。现有大中型矿井开采深度和广度不断扩大，皮带输系统线路复杂、负载需求大、连续运行时间长，时常会发生皮带跑偏、打滑、撕裂等故障，严重危机井下安全生产工作的顺利开展[1-4]。

开展矿用皮带输送机运行状态实时监测与评估，提高皮带机运行稳定性和安全性，属于当今皮带机保护技术研究的热点问题。现有皮带机保护装置相互独立运行，不能对监测的信号进行综合分析和状态评估，误报、错报和漏报事故常有发生，从而造成矿用皮带输送机无故障停车和故障运行现像，严重影响了井下安全生产效率。矿用皮带输送机报警系统采用声光报警技术，需要监控人员产看监控软件界面对故障进行判断，不能从听觉上直接判断故障类型和故障位置。因此，研究矿用皮带输送机运行状态综合监测和语音通报系统，将智能算法引用到煤矿输送机状态评估领域，才能提高整个井下运输系统的稳定性和安全性，实现井下机械化和智能化开采，避免安全生产事故和保护工作人员的安全，提高煤矿生产效率[5-8]。

1 矿用皮带输送机

矿用皮带输送机主要是指在煤炭采掘、生产、转运、加工过程中使用的皮带输送机。煤矿用皮带输送机具有运输量大、工作环境复杂、承载能力强、以及运输距离较长等特点。在我国的主要产煤区山西、内蒙、新疆等地使用广泛。煤矿用皮带输送机不仅可以在煤炭生产加工过程中使用，同样也适用在其他矿产的生产加工过程中使用。在能耗方面，可以有效减少能耗提供经济效益，相比汽车运输方式更能节省能源和保护环境。另外煤矿用皮带输送机在维护方面，具有维护量较小、维护相对简单等特点。矿用皮带输送机如图1所示。

矿用皮带输送机只是对在矿井下及煤矿作业的皮带输送机，具体型号可以分为以下三种：TD75型煤矿用皮带式输送机是我国最早设计完成的一类通用皮带式输送机，具有通用性好，造价较低等特点[6-9]。在1975年完成编著，解决了我国皮带输送机没有统一标准的状态。也对我国社会经济的现代化起到了不可估量的作用。DTⅡ型是TD75型的改进型，也是在煤矿上应用比较多的型号。在td75皮带输送机之后，又出现了DT型皮带输送机，dt型皮带输送机刚出具相关标准时，只是针对td75型原有型号落后，以及不能适应现代化经济发展而加以改进，在某些相关技术细节上，并未有太多相关改变。因此作为煤矿用皮带输送机上使用，仍然不如td75型皮带输送机容易被用户所接收。因此在dt型皮带输送机之后，又进行相关认真改进。这就是之后的DTⅡ型，DTⅡ型皮带输送机，是现在我国最先进，技术参数最为完善的具有统一标准的皮带输送机。dsj型伸缩煤矿用皮带输送机主要应用在煤矿采掘面以下使用，主要用于采掘面伸缩前进使用，比较适用于煤矿井下移至使用，但是造价和维护成本都相对于以上两种较高。

图1 矿用皮带输送机Fig． 1 belt conveyor for coal mine

2 语音通报系统

矿用带式输送机状态监测与评估系统利用先进传感器对皮带运输机的运行状态进行监测，通过中央处理器对数据进行运算处理、综合分析，结合智能算法对带式输送机的运行状态进行评估，经过语音通报系统告知操作人员运行状态及评估结果[10-12]。操作人员利用视觉和听觉双重方式对皮带运输机状态进行监管，语音通报系统是监测和状态系统与工作人员信息交互的重要载体。语音通报系统以PIC18F4431单片机为核心，结合音频解编码芯片、前值滤波模块、功放模块和AD/DA转换模块构成，主要包括信号输入模块、A/D转换模块、前置滤波模块、D/A转换模块、功率放大模块、语音输出模块、电源单元、编程接口、CAN通讯模块、监控中心、显示单元、时钟单元、复位单元和单片机。功率放大模块采用体积小、输出功率为0.4W的安华高科生产的AMMMP-6441芯片[13]。前置滤波电路采用低噪音前置放大器LM387对输入语音信号进行滤波，来保证语音信号的质量和安全性。语音通报系统结构如图2所示。

2．1 音频解编码

语音通报系统中音频解编码芯片选用SSOP封装形式的3V电源供电的UDA1341TS芯片，使用从片模式进行音频解编码，语音通报系统为其提供时钟信号[14-16]。UDA1341TS的特性值存储在独立的寄存器中，通过选择传输的数据类型对寄存器进行选取（利用地址模式中的第0位、第1位和数据字节的2或3个最高有效位完成第一道、第二道寄存器选取）。UDA1341TS的模拟前端由两个立体声模数转换器组成，每个转换器有两个通道,通道2有一个可编程增益放大器(PGA)，PGA被用来预放大输入通道2的麦克风信号。UDA1341TS具有数字自动增益控制功能，当有一个麦克风信号输入到通道2时，输入通道2有一个数字自动增益控制来压缩动态范围。UDA1341TS具有三阶噪音整形器，器运行频率为128fs，能够将频带内的量化噪声转换成音频带之上的频率，这种噪音整形技术可以提供高信噪比，噪音整形器输出通过一个DAC流滤波器转换成模拟信号。UDA1341TS芯片实物图如图3所示。

图2 语音通报系统结构图Fig2． Structure diagram of voice notification system

2．2PIC18F4431 单片机

PIC18F4431单片机为Microchip公司生产的一款18系列低功耗、A/D增强型单片机，其引脚结构如图4所示[17-19]。PIC18F4431单片机具有四个互补输出通道，14位PWM模块（用于功率控制工况），死区发生器可以根据需求灵活设置，PWM信号的周期和占空比可以同步更新，10位A/D转换器（高速时可达200Ksps），高达9个A/D输入通道，可以两个通道同时采样。

PIC18F4431单片机片配置有10种模式可供选择，有LP低功耗晶振模式、XT晶振/振荡器模式、HS晶振/振荡器模式等。在本控制器中，选用高速晶振工作模式。晶振工作频率为8M，电容选27μF。复位有软件复位和片上硬件复位[20]。复位电路在复位引脚上带有噪声滤波器，可以滤掉干扰信号；当外加的低电平来临时，MCU才开始复位。根据PIC18F4431单片机片上电路原理图，所设计的上电复位电路，见图5。

图3 UDA1341TS芯片实物图Fig． 3 UDA1341TS chip physical map

图5 外围上电复位电路Fig．5 Peripheral electric reset circuit

3 结论

矿用皮带输送机是井下重要的安全生产设备，起到物料和设备运输的作用。结合矿用皮带输送机监控系统中语音通报的需求，结合PIC18F4431单片机和音频解编码芯片设计矿用皮带输送机故障语音通报系统，能够对故障类型、故障时间和位置进行准确通报，系统具有结构简单、安全性好、稳定性高等优点。

图4 PIC18F4431单片机引脚图Fig4 PIC18F4431 single chip microcomputer pin drawing

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