祁冬元

（陽泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在煤礦行業(yè)，MG500/1300 型采煤機(jī)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)得到了很大范圍的應(yīng)用。該種型號(hào)采煤機(jī)的運(yùn)行功率很大，電機(jī)在運(yùn)行過程中需要承受很大的載荷[1-2]，在正常工作時(shí)，會(huì)遇到各種沖擊和阻礙，導(dǎo)致電機(jī)輸出負(fù)荷非常不穩(wěn)定，容易引發(fā)各種故障問題，比如短路故障等[3-4]。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采煤機(jī)所有的故障類型中，電氣部件故障出現(xiàn)頻率較高，因此，設(shè)計(jì)研究電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，以有效保障電氣部件的安全運(yùn)行。

1 采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行狀態(tài)感知系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)電氣部件在工作過程中的運(yùn)行工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，是判斷電氣部件運(yùn)行狀態(tài)是否存在故障問題的重要依據(jù)。因此，如何獲知MG500/1300 型號(hào)采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)是非常重要的問題。以電機(jī)為例，需要獲得的數(shù)據(jù)信息主要包括電機(jī)運(yùn)行過程中的電壓值、電流值以及溫度值，可以基于這些數(shù)據(jù)信息判斷電機(jī)的工作狀態(tài)。綜合考慮多方面情況，本文基于ZigBee 和GPRS 無線傳輸技術(shù)來建立電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)。如圖1所示為采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)以及上位機(jī)是系統(tǒng)的三大主要構(gòu)成部分。

電氣部件運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過專業(yè)傳感器收集，所有的傳感器直接和ZigBee 終端直接連接，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee 協(xié)調(diào)器來建立并維護(hù)，終端在獲得數(shù)據(jù)后通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將其傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理打包后利用GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析以及顯示全部在上位機(jī)中完成。

圖1 采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行狀態(tài)感知系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 模塊

當(dāng)前階段市場(chǎng)上有很多ZigBee 芯片可供選用，本研究在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終選擇CC2530 型號(hào)的芯片。ZigBee 模塊主要包含兩部分，分別為路由器部分和協(xié)調(diào)器部分。而路由器部分又由傳感器以及終端部分構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)電氣部件運(yùn)行過程數(shù)據(jù)信息的采集，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器部分。ZigBee 路由器通過電池進(jìn)行供電。協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)接收路由器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，必須保證該部分運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。因此，需要設(shè)計(jì)專門的電源對(duì)其持續(xù)供電。路由器和協(xié)調(diào)器兩者的硬件電路設(shè)計(jì)基本相同，存在兩處不同之處：供電方式不同、數(shù)據(jù)采集接口存在差異。

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊

本系統(tǒng)基于GPRS 無線傳輸技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理并傳輸。基于目前的技術(shù)，GPRS 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度可以達(dá)到114 kbps。該項(xiàng)技術(shù)具備有接入時(shí)間短、傳輸速度快等顯著優(yōu)勢(shì)，本研究選用SIM1000A 型號(hào)的設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)模塊的硬件，該設(shè)備具備有兩個(gè)工作頻段，分別為DCS2000MHz 和EGSM1000MHz，見下頁(yè)圖2。電平轉(zhuǎn)換部分選用MAX232 型號(hào)的芯片，該芯片和GPRS 模塊進(jìn)行直接連接，主要作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體而言是將ZigBee 模塊中輸出的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成為TTL 的電平信號(hào)。GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括供電、串口、接口和卡槽電路。

圖2 ZigBee-GPRS 網(wǎng)關(guān)框架圖

2.3 外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，要求對(duì)采煤機(jī)電氣部件的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，為了確保數(shù)據(jù)信息采集的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)額外添加了一個(gè)外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。該模塊的主要作用就是為協(xié)調(diào)器部分提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)信息。外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊選用的芯片為SD2200 型號(hào)，該型號(hào)的芯片具備有I2C 總線接口功能，包含有內(nèi)部晶振，確保了計(jì)時(shí)的精確性，每年的計(jì)時(shí)誤差不超過2.5 min。通過內(nèi)置的電池進(jìn)行供電運(yùn)行，不需要額外提供電源，內(nèi)置的電池能夠保證其正常運(yùn)行超過5 年。如圖3 所示為SD2200 型號(hào)芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘的電路原理圖。

圖3 SD2200 型號(hào)芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘的電路原理圖

3 采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行狀態(tài)感知系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 總體程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分通過Keil5 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，采用的語言為VB 語言。軟件程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要包括傳感器數(shù)據(jù)信息的采集、I/O 接口控制、數(shù)據(jù)信息的整理傳輸?shù)?。Keil5 平臺(tái)中已經(jīng)包含有很多種函數(shù)庫(kù)，在編譯過程中可以對(duì)這些函數(shù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，大大簡(jiǎn)化了編譯流程，軟件程序的運(yùn)行效率也得到了顯著提升。如圖4 所示為電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程，由圖中可以看出，軟件程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能是對(duì)傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡(jiǎn)要處理并發(fā)送。

圖4 電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電氣部件運(yùn)行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)在VB 平臺(tái)上進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計(jì)。以經(jīng)常出現(xiàn)故障的電機(jī)為例，可以將電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中的電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并繪制曲線變化圖。同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，以備后續(xù)的查詢和研究。通過這些數(shù)據(jù)信息可以準(zhǔn)確地判斷電氣部件運(yùn)行狀態(tài)。在上位機(jī)中可以選擇顯示何種電氣部件的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。如圖5 所示為上位機(jī)運(yùn)行界面示意圖。

圖5 上位機(jī)運(yùn)行界面示意圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的MG500/1300 型號(hào)的采煤機(jī)電氣部件運(yùn)行狀態(tài)感知系統(tǒng)，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集，判斷電氣部件的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障診斷的功能，為采煤機(jī)電氣部件的安全運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雖然本系統(tǒng)基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的需要，但在實(shí)踐過程中仍然存在一些問題，需要進(jìn)一步完善，如上位機(jī)的界面需要進(jìn)一步優(yōu)化等。