甘松柏

(西山煤電集團(tuán) 東曲礦，山西 太原 030200)

1 概 述

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下重要的采掘設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)對(duì)于了解掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)、解決故障以及改進(jìn)掘進(jìn)機(jī)功能設(shè)計(jì)等都有重要的意義。目前，掘進(jìn)機(jī)的數(shù)據(jù)信息有的存儲(chǔ)在本機(jī)電控系統(tǒng)中，有的通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)[1]. 但是，煤礦井下環(huán)境惡劣，地面起伏不平，時(shí)有煤壁阻擋，導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的強(qiáng)度衰落較大，影響通信數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。針對(duì)煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析理論，對(duì)無(wú)線(xiàn)AP的分布進(jìn)行合理規(guī)劃，保證無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量，使得掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地傳送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

狹窄受限空間下掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要是數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，在該平臺(tái)中包含一個(gè)PLC控制器，一個(gè)CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，兩個(gè)CAN通信隔離模塊。其中，PLC控制器是系統(tǒng)的控制核心，用于以CAN通信的方式接收掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息以及故障信息，然后將接收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給安裝在巷道內(nèi)的無(wú)線(xiàn)WIFI AP. PLC與掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)以及PLC與CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊都需要用CAN隔離模塊對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。無(wú)線(xiàn)AP接收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)后發(fā)送到礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。需要注意的是，無(wú)線(xiàn)AP需要根據(jù)煤礦井下的實(shí)際情況，在巷道轉(zhuǎn)彎、巷道有遮擋、巷道狹窄等地方增加中繼節(jié)點(diǎn)，以保證無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖見(jiàn)圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中的CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊集成2.4GWLAN接口，符合IEEE802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持AP以及Station模式，支持64位、128位的加密/解密和256位的WEP、TKIP或AES密鑰[2]. TCP Client模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式圖見(jiàn)圖2.

圖2 TCP Client模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式圖

CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊的工作模式有3種，即TCP Server模式、TCP Client模式以及UDP模式。在TCP Client模式下工作時(shí)，1個(gè)TCP幀包含若干個(gè)CAN幀，最多為50個(gè)，最少為1個(gè)CAN幀。1個(gè)CAN幀的數(shù)據(jù)格式定義見(jiàn)圖2，包含20個(gè)字節(jié)，其中第1～2字節(jié)為幀頭，標(biāo)示一個(gè)幀的開(kāi)始，固定值為0xFE、0xFD；第3字節(jié)為發(fā)送模式，0x00為正常發(fā)送，0x01為自發(fā)自收；第4字節(jié)為幀信息，標(biāo)示該CAN幀的信息，如類(lèi)型、長(zhǎng)度等；第5～8字節(jié)為幀ID，其中，標(biāo)準(zhǔn)幀為11bits，擴(kuò)展幀為29bits；第9～16字節(jié)為幀數(shù)據(jù)，即傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，最少可以傳送0個(gè)字節(jié)，最多可以傳送8個(gè)字節(jié)；第17～19為幀接收時(shí)間戳，單位為ms，溢出后歸零循環(huán)計(jì)時(shí)；第20字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，保證前述數(shù)據(jù)的正確性。

選定的WIFI無(wú)線(xiàn)基站能夠支持4*4MIMO智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)和3個(gè)空間的WIFI接入點(diǎn)，其覆蓋性更廣，吞吐量更高，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1.3 Gbps. 該接入點(diǎn)還提供2.4 GHz和5 GHz天線(xiàn)上允許的最大RF輻射功率，即只需采用最低數(shù)量的接入點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)最廣的覆蓋面和最高的吞吐率，進(jìn)而降低總擁有成本[3]. 該WIFI無(wú)線(xiàn)基站與網(wǎng)關(guān)以TCP/IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN通信程序設(shè)計(jì)

CAN通信是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，通過(guò)ISO11898和ISO11519進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，是歐洲汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)圖3，包含1個(gè)bit的幀起始位，表示數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的段；12 bits的仲裁段，用于表示該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)；6 bits的控制段，用于表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及保留位；0～64 bits的數(shù)據(jù)段，為數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可以發(fā)送0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)；16 bits的CRC段，用于檢查該數(shù)據(jù)幀的傳輸錯(cuò)誤的段；2 bits的ACK段，用于表示確認(rèn)正常接收的段；7 bits的幀結(jié)束段，用于表示該數(shù)據(jù)幀結(jié)束[4-5].

圖3 CAN通信標(biāo)準(zhǔn)幀格式圖

在PLC控制器的CAN通信程序設(shè)計(jì)中，需要對(duì)CAN通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如通信時(shí)的CAN通信端口、幀格式、波特率、CAN-ID等。掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)需要定義CAN通信協(xié)議格式，在該協(xié)議格式中需要制定發(fā)送的數(shù)據(jù)及其所占的字節(jié)，示例見(jiàn)表1. 通信協(xié)議格式確定后，通信雙方就可以按照該協(xié)議格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包操作。

表1 CAN通信協(xié)議格式示例表

3.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)處理中，將數(shù)據(jù)分為4個(gè)優(yōu)先級(jí)，即故障類(lèi)數(shù)據(jù)為第一優(yōu)先級(jí)，傳感器類(lèi)數(shù)據(jù)為第二優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)類(lèi)數(shù)據(jù)為第三優(yōu)先級(jí)，其他數(shù)據(jù)為第四優(yōu)先級(jí)，其中第一優(yōu)先級(jí)最高，第四優(yōu)先級(jí)最低。按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)級(jí)別，PLC控制器分別對(duì)接收到的掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)。另外，為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，針對(duì)上述4個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別啟動(dòng)4個(gè)進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程處理一個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，如啟動(dòng)故障類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)程，該進(jìn)程不斷地對(duì)故障類(lèi)數(shù)據(jù)專(zhuān)用空間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到該空間內(nèi)有數(shù)據(jù)，立即將數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，使該數(shù)據(jù)能夠以無(wú)線(xiàn)的形式發(fā)送到礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。PLC程序中數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖4.

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 結(jié) 論

針對(duì)煤礦井下狹窄受限空間的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)用于掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中采集平臺(tái)，并且根據(jù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論在合適的位置安裝無(wú)線(xiàn)AP，保證無(wú)線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，并同時(shí)啟動(dòng)4個(gè)專(zhuān)用進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大限度地使數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速。該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在某煤礦井下布網(wǎng)并完成工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較小、準(zhǔn)確度高、無(wú)線(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定，值得推廣。