徐 凱

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭在我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比約為70%，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是我國的主要能源。煤礦井下帶式輸送機(jī)一般運(yùn)送距離較遠(yuǎn)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，不便于人工監(jiān)測(cè)和檢修，導(dǎo)致時(shí)有事故發(fā)生。按規(guī)范要求井下帶式輸送機(jī)都裝有帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)目前仍以有線方式進(jìn)行連接, 以實(shí)現(xiàn)各種控制及保護(hù)功能。有線連接方式的帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置通信可靠性高、保護(hù)響應(yīng)速度靈敏，適用于固定安裝的帶式輸送機(jī)。但在井下采煤及掘進(jìn)工作面，由于帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度隨著采掘作業(yè)不斷變化，增加或者減少傳感器時(shí)需敷設(shè)大量電纜，且線路接點(diǎn)質(zhì)量難以保障，發(fā)生故障時(shí)排查困難。因此,在采煤及掘進(jìn)工作面采用可靠的無線通信帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)成為各個(gè)礦井的現(xiàn)實(shí)需求。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。ZigBee技術(shù)作為信息監(jiān)測(cè)的手段，目前主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，另外在家用電器、汽車傳感、樓宇消防及監(jiān)控自動(dòng)化等領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用。在煤礦領(lǐng)域主要用于井下人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，但在井下應(yīng)用實(shí)例還比較少。

ZigBee技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)傳輸速率低，模塊集成度高，協(xié)議簡(jiǎn)單，整體成本較低；②模塊發(fā)射功率小，且待機(jī)時(shí)可處于休眠模式，設(shè)備耗電量低；③網(wǎng)絡(luò)容量大，且可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展；④通常時(shí)延都在15～30 μs之間，延時(shí)短；⑤對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查，采用加密算法，安全性高；⑥采取了避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突的策略，可靠性較高。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以組成星型、簇狀型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

星型網(wǎng)是其中最簡(jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)，其核心為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有較大的存儲(chǔ)容量和強(qiáng)大的計(jì)算能力，可同時(shí)連接多個(gè)全功能設(shè)備或精簡(jiǎn)功能設(shè)備，可以與任何其它設(shè)備對(duì)話，星型網(wǎng)中所有數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

簇狀型網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)星型網(wǎng)通過路由連接構(gòu)成，也叫做樹形網(wǎng)，覆蓋的物理面積更大，可容納更多的子節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，在網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)不但能發(fā)送、接收一條信息，還具有路由的功能，能將信息傳遞給臨近的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)的覆蓋范圍比簇狀型網(wǎng)絡(luò)更大，擁有更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能，在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)的路由協(xié)議跳轉(zhuǎn)至其他路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自愈功能，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括控制主機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)傳感器兩部分，控制主機(jī)設(shè)在帶式輸送機(jī)機(jī)頭控制臺(tái)位置，各傳感器沿帶式輸送機(jī)沿線分布，有跑偏傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、撕裂傳感器、打滑傳感器、斷帶傳感器、超溫傳感器等，數(shù)據(jù)類型也含有模擬量及開關(guān)量?jī)煞N。該系統(tǒng)是在有線帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，在控制主機(jī)及各傳感器處增加無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)無線傳輸保護(hù)信號(hào)的功能。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布采用分層結(jié)構(gòu),在井下帶式輸送機(jī)巷道內(nèi)每隔一段距離布置一臺(tái)全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)形成了系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用全功能設(shè)備，具備路由功能,節(jié)點(diǎn)之間可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸, 所有數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，連接至上層控制設(shè)備。

在各保護(hù)傳感器內(nèi)集成精簡(jiǎn)功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至巷道內(nèi)布置的全功能設(shè)備，全功能設(shè)備間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，逐步將數(shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器送至帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)控制主機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)于帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)處，可通過以太網(wǎng)與上位機(jī)相連；使用全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)路由器，保障主節(jié)點(diǎn)和其他子節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信；使用精簡(jiǎn)功能設(shè)備作為終端設(shè)備，終端設(shè)備帶有可編輯的輸入、輸出接口，接口的工作方式可通過模塊上撥碼開關(guān)來選擇。終端設(shè)備的輸入接口用于接收現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)跑偏、撕裂、煙霧開關(guān)等傳感器輸出信號(hào)，輸出接口用于控制命令的輸出，外接繼電器用來控制超溫灑水系統(tǒng)各個(gè)電磁閥的開啟。

為防止系統(tǒng)中因全功能設(shè)備故障而引起的網(wǎng)絡(luò)故障，可在巷道中根據(jù)實(shí)際需要增設(shè)部分全功能設(shè)備，或?qū)⒉糠脂F(xiàn)場(chǎng)傳感器中精簡(jiǎn)功能設(shè)備改為全功能設(shè)備，形成網(wǎng)絡(luò)的冗余回路，使網(wǎng)絡(luò)中任意單一模塊退出時(shí)能自動(dòng)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 電源管理模式

系統(tǒng)采用需求時(shí)喚醒的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ剑话闱闆r下傳感器節(jié)點(diǎn)處于待機(jī)狀態(tài)，采用低功率監(jiān)測(cè)信道，消耗功率小，在帶式輸送機(jī)發(fā)生跑偏等故障時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)才自動(dòng)從待機(jī)模式進(jìn)入工作模式，并與匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，將設(shè)備故障信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或緊急停機(jī)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用電池供電，設(shè)計(jì)有電池電壓監(jiān)控回路對(duì)電池的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電池電壓不滿足系統(tǒng)要求或達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒系統(tǒng)維護(hù)人員及時(shí)更換電池。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)對(duì)等網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在一定意義上地位相同，不存在嚴(yán)格的主從關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入或者退出時(shí)都不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。所以需要增加或者刪除一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，或者節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、故障等時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都能夠自動(dòng)恢復(fù)，并自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，快速形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

在井下采煤或掘進(jìn)工作面等生產(chǎn)地點(diǎn)，可伸縮帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需要有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，基于ZigBee技術(shù)的帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。在采煤過程中順槽帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度一直在變短，安裝時(shí)設(shè)置的許多保護(hù)傳感器需要撤掉，而在掘進(jìn)過程中，順槽帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度一直在增加，需要增設(shè)保護(hù)傳感器，采用該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保護(hù)方式，可方便地增加或減少傳感器數(shù)量，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)添加或者剔除相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不影響保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。而且采用無線傳輸方式不需要布置大量的線纜，具有很強(qiáng)的便捷性。

5 結(jié)語

井下采煤工作面或掘進(jìn)工作面可伸縮帶式輸送機(jī)隨著生產(chǎn)的進(jìn)行需要不斷縮短和延長(zhǎng)，給有線帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)帶來很多不便，因此，將ZigBee技術(shù)引入井下帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。ZigBee技術(shù)或?qū)⒏淖兙聨捷斔蜋C(jī)保護(hù)領(lǐng)域以有線為主的接線方式, 進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能,降低設(shè)備和維護(hù)成本，未來ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以擴(kuò)展到井下環(huán)境信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，使ZigBee技術(shù)在井下控制系統(tǒng)領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。