周旭 王晴晴 陳開松 石祖超 李貴歐

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的洗煤廠機(jī)械設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個針對目前洗煤廠的現(xiàn)狀和隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線通信等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提出的。通過選用合適的傳感器、節(jié)點對洗煤廠機(jī)械設(shè)備的振動信號、溫度信號進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步搭建起基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號采集、傳輸和服務(wù)器處理系統(tǒng)。從高效性、能量低功耗方面對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測管理。

關(guān)鍵詞：洗煤廠；傳感器；節(jié)點；監(jiān)測管理

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0276-02

1 引言

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對煤炭資源的開發(fā)利用也在逐漸增加，為了滿足人們生活中對煤炭資源的開發(fā)、需求和利用，需要洗煤廠設(shè)備高效地完成洗煤工作，同時還要保證其穩(wěn)定運行并且最大限度地減少環(huán)境污染程度。因此，研究對洗煤廠設(shè)備的監(jiān)測管理是一項具有時效性、必要性的工作。隨著國家生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及無線技術(shù)構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)日益成熟，無線通信網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用；基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)被提出并使用在洗煤廠的監(jiān)測管理系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的平臺獲得了洗煤廠機(jī)械設(shè)備模型的監(jiān)測量，并對監(jiān)測量進(jìn)行了相關(guān)處理。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行定期監(jiān)測、跟蹤監(jiān)測，以便及時的發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中出現(xiàn)的故障，減少損失以及排除安全問題。

利用節(jié)點和傳感器進(jìn)行振動信號和溫度信號數(shù)據(jù)的采集，傳感器網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee協(xié)議，其優(yōu)點是低功耗節(jié)能。振動大小和溫度信號可以最接近設(shè)備的運行狀況，所以采用振動信號為監(jiān)測量，其次溫度也反映了設(shè)備的運行問題，最終的數(shù)據(jù)都會收集在監(jiān)測系統(tǒng)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及管理。因為監(jiān)測量直接反映了洗煤設(shè)備運行狀態(tài)，系統(tǒng)選擇穩(wěn)定性高、靈敏度好的傳感器及其所放置的位置，以提供可靠性高的數(shù)據(jù)給工作人員正確的指導(dǎo)。

系統(tǒng)功能模塊分為3部分：數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。方案如圖1所示，本系統(tǒng)架構(gòu)主要包括傳感器、節(jié)點、ZigBee技術(shù)、監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器、人機(jī)界面、控制執(zhí)行單元以及同計算機(jī)的通信等。構(gòu)建一個小型的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，把洗煤設(shè)備的溫度和振動頻率實時傳輸送到控制中心，由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分包括以下模塊：傳感器模塊、CC2430片上系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換模塊、PC端服務(wù)器模塊。

電機(jī)在運行中存在能量消耗，電機(jī)產(chǎn)生的各種消耗最終都轉(zhuǎn)變成熱能。電機(jī)的額定電容通常是由絕緣材料所能承受的最高溫度決定的，超過最高溫度運行的話，將使電機(jī)絕緣迅速老化，使電機(jī)使用壽命降低。所以在這里溫度是我們所要監(jiān)測的另一個參數(shù)。本系統(tǒng)中，選擇用DS18B20數(shù)字溫度傳感器、PT100熱電阻，同時，需要安裝到合適的位置，使其達(dá)到了防水防塵和穩(wěn)定性高的特點。

考慮到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確度和可靠性，以及為以后故障診斷提供大量的數(shù)據(jù)，外加主洗車間的設(shè)備以旋轉(zhuǎn)設(shè)備為主，我們在每個監(jiān)測設(shè)備上放置三個傳感器。在對振動信號進(jìn)行采集時，選擇正確的測點才能得到正確的有用的信號，放置振動傳感器遵循以下原則：盡量靠近振源，盡量在水平、垂直、軸向方向上[1]。CC2430片上系統(tǒng)負(fù)責(zé)對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合低功耗局域網(wǎng)協(xié)議ZigBee技術(shù)，做到了低成本、低功耗；同時可以進(jìn)行在線調(diào)試。電源轉(zhuǎn)換模塊可提供穩(wěn)定可靠的電壓，保證給設(shè)備正常供電。其組成模塊如圖2：

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)對設(shè)置傳感器和節(jié)點進(jìn)行初始化，并成功連接網(wǎng)絡(luò)?？傮w設(shè)計如圖3所示，根據(jù)監(jiān)測的環(huán)境和監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息，對主洗車間建立適應(yīng)若干分支節(jié)點的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足傳感器的需求。

無線通信技術(shù)ZigBee與多個傳感器、節(jié)點以及穩(wěn)定電源建立聯(lián)系，然后通過千兆工業(yè)以太網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，經(jīng)過系統(tǒng)服務(wù)器處理判別設(shè)備運行狀況。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）先進(jìn)的無線傳感器技術(shù)在傳輸?shù)倪^程中利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以降低功耗和提高數(shù)據(jù)精度。

（2）系統(tǒng)服務(wù)器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能的分析和處理，方便反饋給工作人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

（3）在分析和考慮洗煤廠實際生產(chǎn)車間的情況下，設(shè)計出符合實際情況的網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)。ZigBee用作通信協(xié)議滿足了低功耗需求。

（4）采用多傳感器進(jìn)行監(jiān)測量的采集，達(dá)到數(shù)據(jù)高可靠性的目的，為了確保洗煤設(shè)備正常運行，強(qiáng)化了管理理念，在科學(xué)管理的過程中，做好維護(hù)與管理工作，提高工作效益。

5 結(jié)束語

本文的設(shè)計結(jié)合無線傳感器技術(shù)，采用了傳感器采集洗煤廠設(shè)備環(huán)境中的溫濕度、機(jī)械振動信號等，實時反饋了機(jī)械運行及周圍環(huán)境情況。通過匯聚節(jié)點，協(xié)議轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器中，達(dá)到了較好的監(jiān)測效果，實用性較高。其次，服務(wù)器與PC機(jī)和控制中心建立連接處理數(shù)據(jù)，及時給工作人員發(fā)出機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的警報，可最大限度地提供安全保障，減輕經(jīng)濟(jì)。該系統(tǒng)成本低、功耗低、監(jiān)測量可靠性高，實時性好等特點還可用于大部分的機(jī)械系統(tǒng)中。此外，由于溫度傳感器在線測出傳感器所處環(huán)境的溫度，將傳感器的輸出經(jīng)過放大和A/D變換傳到微處理器處理，可實現(xiàn)誤差的校正。設(shè)計模型方便于對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王晴晴， 郭龍， 熊偉程. 基于WSN的洗煤廠監(jiān)測平臺振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 貴州師范學(xué)院學(xué)報， 2016， 32（12）：32-36.

[2]張方哲. 中國煤礦資源評估與開發(fā)可行性研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)， 2010.

[3]楊正山. 煤礦資源評估與開發(fā)研究[J]. 大科技·科技天地， 2011（6）.

[4] 趙天妤. 提高煤礦洗煤廠自動化水平的措施[J]. 能源與節(jié)能， 2017（2）：191-192.

[5] 湯寶平， 黃慶卿， 鄧?yán)?，? 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J]. 振動、測試與診斷， 2014， 34（1）：1-7.

[6] 于文海， 韓樹章， 黃成麟，等. 選煤廠集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 煤礦安全， 2013， 44（3）：122-124.

[7] 蔡巍巍， 湯寶平， 黃慶卿. 面向機(jī)械振動信號采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J]. 振動與沖擊， 2013， 32（1）：73-77.

[8]曾超， 湯寶平， 肖鑫，等. 低功耗機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 振動與沖擊， 2017， 36（14）：33-37.

[9]王永剛. 洗煤廠機(jī)械設(shè)備的管理維護(hù)[J]. 機(jī)械管理開發(fā)， 2017， 32（7）：185-186.

[10]李興. 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及診斷技術(shù)[J]. 技術(shù)與市場， 2012， 19（12）： 45-46