駱小紅 趙祉友

（1.南陽(yáng)理工學(xué)院，河南省南陽(yáng)市，473004；2.山西藍(lán)焰煤層氣工程研究有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048204）

目前對(duì)刮板輸送機(jī)的檢測(cè)手段比較單一，技術(shù)含量較低，很多時(shí)候甚至依賴于維修人員的經(jīng)驗(yàn)。為了保證刮板輸送機(jī)工作的穩(wěn)定可靠以及提高其工作效率，減少因?yàn)橐馔夤收隙鴮?dǎo)致的企業(yè)減產(chǎn)或者安全生產(chǎn)事故，建立一套穩(wěn)定和實(shí)時(shí)的智能化遠(yuǎn)程刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

1 基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

為了提高刮板輸送機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，借助當(dāng)前流行的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱WSN）技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，簡(jiǎn)稱FCS）技術(shù)，并將其融合到企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)中，圍繞刮板輸送機(jī)建立一套集智能檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、智能保護(hù)、預(yù)警提示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能于一體的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)總線控制器連接現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)管連接無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融入到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控?？紤]到礦井的特殊工作環(huán)境，采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)槟骋还?jié)點(diǎn)故障而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)刮板輸送機(jī)的控制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將各傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制中心以可視化的界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前刮板輸送機(jī)的工作狀況和周邊環(huán)境狀況?；赪SN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

從圖1可以看出，刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分。

2.1 企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)

企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)分為兩個(gè)部分，一部分是地面以太網(wǎng)絡(luò)，另一部分是防爆型井下以太網(wǎng)絡(luò)?？紤]到礦井的特殊工作環(huán)境，這兩部分以太網(wǎng)絡(luò)均采用獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣不會(huì)因?yàn)槟骋还?jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。井下以太網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)連接各類現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為井下各類數(shù)字化設(shè)備和地面以太網(wǎng)絡(luò)信息指令交換的橋梁。地面以太網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自井下以太網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信息，相關(guān)服務(wù)器對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)分析，并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)展示給控制中心。控制中心可通過(guò)地面的以太網(wǎng)絡(luò)向指定的傳感器或者現(xiàn)場(chǎng)總線控制器發(fā)送操控指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器接入企業(yè)的骨干網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要包括軟啟動(dòng)裝置、灑水裝置、減速裝置、停車裝置以及報(bào)警裝置。軟啟動(dòng)裝置主要是為了保護(hù)刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)減小機(jī)械沖擊，同時(shí)也減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從而達(dá)到保護(hù)電網(wǎng)內(nèi)其他元器件的目的。通過(guò)在電動(dòng)機(jī)上安裝變頻器實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)。控制器在向軟啟動(dòng)裝置發(fā)送啟動(dòng)指令的同時(shí)也會(huì)向?yàn)⑺b置發(fā)送灑水噴霧的指令，并可通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的控制，從而在實(shí)現(xiàn)除塵目的的同時(shí)也節(jié)約了水資源?？刂破鬟€可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的減速停車操作。

2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用其自組織和多跳的特性通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)接入到企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的全方位檢測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)主要包含測(cè)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器和氣敏傳感器。

（1）測(cè)速傳感器。測(cè)速傳感器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)以及鏈板轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比鏈板轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)檢測(cè)刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)部分和動(dòng)力部分是否出現(xiàn)故障。

（2）溫度傳感器。溫度傳感器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的溫度和周邊環(huán)境的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)溫度或周邊環(huán)境溫度異常，立即對(duì)刮板輸送機(jī)采取減速、制動(dòng)以及停車等措施，防止因?yàn)檫^(guò)熱而導(dǎo)致對(duì)電動(dòng)機(jī)或其他裝置的損毀。

（3）壓力傳感器。壓力傳感器主要負(fù)責(zé)采集作用在溜槽上的壓力，防止由于超載而給電動(dòng)機(jī)造成過(guò)載，同時(shí)也防止鏈板因?yàn)檫^(guò)載而導(dǎo)致疲勞失效。

（4）超聲波傳感器。超聲波傳感器主要對(duì)鏈板和鏈條進(jìn)行探傷，防止因?yàn)槠谑Ф鴮?dǎo)致鏈板和鏈條的斷裂。

（5）氣敏傳感器。氣敏傳感器主要采集刮板輸送機(jī)周邊的瓦斯等有害和可燃?xì)怏w的濃度數(shù)據(jù)，防止因?yàn)檫@些有害和可燃?xì)怏w超標(biāo)而導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

為了更精確地獲取刮板輸送機(jī)及其周邊環(huán)境的信息，上述傳感器根據(jù)需要會(huì)被頻繁地安裝或者卸載。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，在刮板輸送機(jī)上安裝幾個(gè)固定的傳感器節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)簇首，這些二級(jí)簇首在實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)也負(fù)責(zé)將接收到的廣播數(shù)據(jù)發(fā)送給一級(jí)簇首，并由一級(jí)簇首通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

3 基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為控制中心提供合理的解決方案。該系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)圖見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)4 個(gè)部分。

圖3 基于WSN 和FCS的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

（1）溫度采集模塊。該模塊主要通過(guò)溫度傳感器采集指定區(qū)域的溫度信息，包括電動(dòng)機(jī)的工作溫度和刮板輸送機(jī)周邊的溫度信息，并將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）轉(zhuǎn)速采集模塊。該模塊主要通過(guò)測(cè)速傳感器采集電動(dòng)機(jī)、鏈板和鏈條的速度信息，并將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）壓力采集模塊。該模塊主要通過(guò)壓力傳感器采集作用于溜槽和鏈板上的壓力信息，并將這些信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（4）探傷采集模塊。該模塊主要通過(guò)超聲波傳感器對(duì)易疲勞元器件進(jìn)行無(wú)損探傷，這些元器件包括鏈板和鏈條等，并將探測(cè)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（5）視頻采集模塊。該模塊主要通過(guò)無(wú)線視頻采集設(shè)備對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可視化表達(dá)部分進(jìn)行顯示，同時(shí)將視頻數(shù)據(jù)保存到視頻服務(wù)器進(jìn)行存檔。

（6）氣體濃度采集模塊。該模塊主要通過(guò)氣敏傳感器對(duì)有害易燃易爆的氣體和粉塵濃度進(jìn)行采集。由于煤礦的特殊工作環(huán)境，瓦斯等有害氣體和煤炭粉塵濃度超標(biāo)極易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，所以必須予以嚴(yán)密的監(jiān)控。該模塊將采集的有害氣體和粉塵信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的可視化表達(dá)部分。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集部分對(duì)刮板輸送機(jī)及其周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握當(dāng)前刮板輸送機(jī)的工作狀況和周邊環(huán)境狀況，為后期數(shù)據(jù)的分析和可視化展示打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 遠(yuǎn)程控制

（1）刮板輸送機(jī)管理模塊。該模塊包括刮板輸送機(jī)的注冊(cè)，注冊(cè)信息應(yīng)包含刮板輸送機(jī)的型號(hào)、生產(chǎn)廠家、出廠日期、當(dāng)前所在位置以及刮板輸送機(jī)自身的一些額定功率和最大負(fù)載等工作參數(shù)信息。

（2）編程控制模塊。該模塊按照事先設(shè)定的模式，實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)采集模塊請(qǐng)求某一類型或某幾種類型的數(shù)據(jù)信息，并在滿足指定條件的情況下，自動(dòng)向刮板輸送機(jī)的控制器發(fā)送指令。該模塊借助當(dāng)前發(fā)達(dá)的無(wú)線3G 網(wǎng)絡(luò)，能夠按照要求向指定的移動(dòng)終端設(shè)備發(fā)送刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)變化信息，以方便工作人員不在控制中心也能實(shí)時(shí)掌握刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行。例如可以讓刮板輸送機(jī)在達(dá)到某一條件后減速或者停機(jī)，并自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置。編程控制模塊允許工作人員保存制定好的運(yùn)行模式，以方便在下次啟動(dòng)的時(shí)候直接使用該模式。

（3）人工控制模塊。該模塊分為兩類，一類是遠(yuǎn)程人工控制，工作人員通過(guò)可視化表達(dá)部分實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)，根據(jù)需要對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)程操作；另一類是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器直接手動(dòng)控制刮板輸送機(jī)。為了避免兩種操作相沖突，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器控制刮板輸送機(jī)有著較高的優(yōu)先級(jí)，它的介入可以中斷并接管遠(yuǎn)程人工控制，直到把控制權(quán)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器重新交換給遠(yuǎn)程人工控制。

（4）檢修管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)刮板輸送機(jī)的重要模塊進(jìn)行檢修管理，根據(jù)用戶手冊(cè)或使用手冊(cè)等信息將這些元器件的檢修周期錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算最近一次將要檢修的時(shí)間，并通過(guò)3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向指定的檢修人員發(fā)送檢修提醒信息，該提醒信息包括檢修的刮板輸送機(jī)所在的位置、編號(hào)、元器件類型以及型號(hào)等信息。對(duì)逾期沒(méi)有檢修的元器件，系統(tǒng)會(huì)向相關(guān)的負(fù)責(zé)人自動(dòng)發(fā)送郵件，并向其移動(dòng)終端設(shè)備發(fā)送告警信息。

3.3 數(shù)據(jù)分析

（1）檢修分析模塊。對(duì)于一些沒(méi)有提供檢修周期而又比較重要的元器件，該模塊根據(jù)檢修元器件的故障頻率和使用壽命，給出一個(gè)合理的檢修周期參考值，相關(guān)負(fù)責(zé)人可根據(jù)這個(gè)參考值對(duì)元器件進(jìn)行檢修，從而在最大程度上節(jié)省了檢修的人力和物力成本。

（2）故障分析模塊。該模塊主要針對(duì)出現(xiàn)的故障，通過(guò)向數(shù)據(jù)采集部分請(qǐng)求相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，比對(duì)那些工作數(shù)據(jù)或環(huán)境數(shù)據(jù)不在合理范圍內(nèi)的參數(shù)，從而定位故障的原因，并給出相應(yīng)的故障排除方案。

（3）故障統(tǒng)計(jì)模塊。該模塊主要對(duì)故障類型和故障數(shù)量進(jìn)行各類統(tǒng)計(jì)，包括對(duì)某一類型故障的發(fā)生頻率以及一段時(shí)間內(nèi)的故障發(fā)生率等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以報(bào)表的形式顯示出來(lái)。這些數(shù)據(jù)可以為相關(guān)元器件的采購(gòu)提供數(shù)字支持。如果某一品牌的元器件在某一段時(shí)間的故障率高于別的品牌，則有理由懷疑該元器件的質(zhì)量可能存在一些問(wèn)題。

3.4 可視化表達(dá)

（1）多媒體數(shù)據(jù)模塊。該模塊主要是實(shí)時(shí)顯示指定區(qū)域內(nèi)的視頻信息，這些信息可以為遠(yuǎn)程控制刮板輸送機(jī)提供直觀的視頻信息。

（2）運(yùn)行狀態(tài)模塊。該模塊通過(guò)定時(shí)向數(shù)據(jù)采集部分請(qǐng)求采集的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息以圖表的形式動(dòng)態(tài)展現(xiàn)出來(lái)，相關(guān)工作人員通過(guò)該模塊可以方便的獲取當(dāng)前刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及準(zhǔn)確的運(yùn)行參數(shù)。

［1］ 王蘇彧，杜毅博，薛光輝等.掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2013 （4）

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