趙國鵬

（潞安集團(tuán)漳村礦自動化中心， 山西 長治 046032）

引言

現(xiàn)階段礦井帶式輸送機(jī)沿線布置的各類傳感器大多采用有線傳輸方法，當(dāng)帶式輸送機(jī)隨著采面推移不斷收縮時，有效傳輸布置的傳感器拆裝等過程較為繁瑣，影響皮帶輸送機(jī)出煤效率，同時傳輸電纜接線過程中有一定的安全隱患。針對上述問題，提出一套基本Zigbee的皮帶輸送低能耗無線自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成

設(shè)計的皮帶輸送機(jī)無線自動監(jiān)控系統(tǒng)包括有跑偏、急停、速度、縱向撕裂、溫度、堆煤、煙霧等無線安全傳感器，各類傳感器布置在皮帶輸送機(jī)沿線預(yù)設(shè)位置，識別皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。傳感器監(jiān)測到的皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以無線傳輸方式傳輸給無線基站，由可編程控制箱對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析及處理，最后通過環(huán)狀以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心，以便監(jiān)控系統(tǒng)綜合管理平臺調(diào)用相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。具體監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸結(jié)構(gòu)

無線保護(hù)傳感器發(fā)出Zigbee信號，無線基站Zigbee接收發(fā)出的無線信號并通過MESH（無線基站）將信號傳輸至帶式輸送機(jī)機(jī)頭監(jiān)控基站，隨后通過Modbus總線傳輸方式將信息傳輸至可編程控制向內(nèi)，在控制箱內(nèi)對信號進(jìn)行解析，識別安全傳感器監(jiān)測信號及位置，通過工業(yè)以太網(wǎng)一方面將數(shù)據(jù)傳輸至動態(tài)軟件，一方面經(jīng)由環(huán)網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心[1-2]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線傳輸基站

皮帶輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)控采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，通過組建WIFI網(wǎng)絡(luò)、Zigbee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多個基站間數(shù)據(jù)的無線跳轉(zhuǎn)。其中Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用多射頻設(shè)計，用以傳輸無線傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)；WIFI網(wǎng)絡(luò)通過MESH傳輸技術(shù)用以實現(xiàn)視頻傳輸、移動終端信息互傳、無人監(jiān)控以及無線鏈路橋接等功能。

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通過無線基站搭接實現(xiàn)，在皮帶輸送機(jī)沿線每隔200 m布置一個無線基站，具體無線基站中包含有Zigbee通信模塊、WIFI覆蓋模塊、RS485轉(zhuǎn)Modbus-TCP模塊、MESH跳轉(zhuǎn)模塊以及以太網(wǎng)采集接口、RS485接口等。Zigbee通信模塊接收到皮帶輸送機(jī)沿途布置的無線傳感器，采用RS485總線輸出，并經(jīng)過Modbus-TCP轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，傳輸至MESH跳轉(zhuǎn)模塊，實現(xiàn)無線路由傳輸；WIFI覆蓋模塊直接接入至MESH跳轉(zhuǎn)模塊路由。以太網(wǎng)接口用以接入臨近電源箱運(yùn)行數(shù)據(jù)、輸送煤流斷面超聲掃描儀等可擴(kuò)展設(shè)備，通過MESH跳轉(zhuǎn)模塊無線路由傳輸。

無線傳輸基站在皮帶輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾兩端接入到井下環(huán)狀工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，并將監(jiān)測信息通過環(huán)網(wǎng)傳輸，同時可以大幅減少M(fèi)ESH跳轉(zhuǎn)距離，提高數(shù)據(jù)傳速率及穩(wěn)定性。具體井下布置的無線傳輸基站結(jié)構(gòu)見下頁圖2。

圖2 無線傳輸基站結(jié)構(gòu)

2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)井下安全傳感器數(shù)據(jù)采集及傳輸需要，將Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)置于無線基站內(nèi)，并交叉間隔布置，確保無線安全傳感器均位于無線基站數(shù)據(jù)接收模塊附近，提升數(shù)據(jù)傳輸、接收可靠性。同時為了提升無線傳感器使用時間，MESH無線跳轉(zhuǎn)模塊以休眠狀態(tài)為主，周期性喚醒以便接收無線傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳感器內(nèi)部的無線跳轉(zhuǎn)模塊與微控制單元（MCU）采用板級連接，避免中間環(huán)節(jié)，從而降低設(shè)備能耗。

2.3 WIFI網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控系統(tǒng)WIFI網(wǎng)絡(luò)信號傳輸通過MESH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多跳傳，并將WIFI模塊集成布置于無線基站中，具體實現(xiàn)下述2種功能：WIFI模塊用以采集覆蓋范圍內(nèi)的WIFI設(shè)備，包括有網(wǎng)絡(luò)攝像儀、擴(kuò)音電話、手持移動終端等；多跳傳輸鏈路橋接，將采用到的WIFI設(shè)備信號、Zigbee模塊信號、煤流斷面信號等傳輸至皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]。

3 無線網(wǎng)絡(luò)性能測試

3.1 網(wǎng)絡(luò)分析

將MESH網(wǎng)絡(luò)接入到皮帶輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾處布置的光纖環(huán)網(wǎng)，從而形成冗余穩(wěn)定的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，避免單點故障造成傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷。無線基站開始運(yùn)行后，各個基站按照預(yù)先設(shè)定程序規(guī)劃連接到有線網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑，構(gòu)建的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以傳輸網(wǎng)絡(luò)流量為依據(jù)確保負(fù)載平衡。當(dāng)任何一個無線傳輸基站出現(xiàn)故障時，與無線基站相鄰基站自動對無線鏈路進(jìn)行調(diào)整，將流量傳輸至另外一側(cè)基站或者跳過故障基站直接將流量傳輸至下一基站，整個調(diào)整過程自動、快速進(jìn)行。例如礦井井下布置皮帶輸送機(jī)長度為6 000 m，每隔200 m布置一個無線基站，共計布置30個基站，形成環(huán)狀閉網(wǎng)。正常情況中間無線基站通過兩側(cè)無線基站跳傳傳輸，從而降低流量跳傳次數(shù)，提升傳輸網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。若沿線布置的某個無線基站故障，造成WIFI鏈路斷開，無線網(wǎng)絡(luò)按照預(yù)先設(shè)定邏輯順序自動更新路由，向反向方向進(jìn)行流量跳傳，從而確保整個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈路通暢。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測試

測試點選擇在礦井皮帶運(yùn)輸巷內(nèi)，該運(yùn)輸巷內(nèi)長為7 000 m，寬、高分別為4.0 m、3.9 m，主要用于行人以及煤炭運(yùn)輸。在運(yùn)輸巷內(nèi)布置25臺無線基站從而構(gòu)建MESH網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)直線傳輸，共計有24個傳輸節(jié)點，節(jié)點間間距約為200 m。

現(xiàn)場無線傳輸網(wǎng)絡(luò)測試共分三個階段，具體為：

1）無線傳輸設(shè)備通電，調(diào)整無線傳輸天線角度及高度，使得節(jié)點內(nèi)鄰近天線間有40～50 cm間距，從而確保節(jié)點間無線信號強(qiáng)度處于峰值；

2）調(diào)整各個無線節(jié)點設(shè)備功率、通道，并依次調(diào)整各節(jié)點帶寬，使其盡可能最大化；

3）整網(wǎng)并調(diào)試。

各個無線節(jié)點間信號強(qiáng)度通過設(shè)備內(nèi)置的GLI命令獲取，帶寬通過IPERF測試軟件獲取，具體測試到的2組數(shù)據(jù)帶寬曲線見圖3。

圖3 現(xiàn)場無線傳輸網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

從測試結(jié)果看出，兩組測試數(shù)據(jù)中每跳間的帶寬波動均在1 Mbps以內(nèi)，無規(guī)律，符合無線傳輸體特性，同時兩組測試結(jié)果在變化規(guī)律上具有一致性，可以為后續(xù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)性能分析提供可靠數(shù)據(jù)。

從測試的2組數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)經(jīng)過24跳后帶寬在4～5 Mbps,測試結(jié)果符合預(yù)先測試期望要求。從帶寬曲線變化曲線看出，前6跳以內(nèi)帶寬衰減較為明顯，后續(xù)跳傳帶寬曲線變化較為平緩，15跳以后帶寬曲線接近水平發(fā)展，測試得到的帶寬變化曲線符合無線傳輸多跳低衰減規(guī)律。

通過測試發(fā)現(xiàn)，文中提出的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的傳輸性能，可以滿足現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸需要。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試及調(diào)試，可以進(jìn)一步對傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，解決某些階段帶寬衰減過快問題，從而使得24跳帶寬值更高[5-7]。

4 結(jié)論

采用本文設(shè)計的一種基于無線傳輸?shù)钠л斔蜋C(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)對皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。經(jīng)過對無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測試分析，表明構(gòu)建的皮帶輸送機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性、實時性可以滿足對皮帶輸送機(jī)的監(jiān)控需要。