王 敏

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

采煤機是煤礦井下最為重要的機電設備之一，其能否正常高效運轉(zhuǎn)直接關系到礦井安全高效生產(chǎn)的實現(xiàn)。由于采煤機本身集機械、電氣和液壓等各部分設備為一體，加之受作業(yè)重載和井下煤塵、潮濕等作業(yè)條件影響，容易發(fā)生機械傳動、電子元件等方面的故障。因此，實現(xiàn)實時監(jiān)測采煤機運行狀態(tài)，可以提前預判采煤機運行的異常情況，提高采煤機開機率，從而實現(xiàn)井下采煤工作面的安全高效生產(chǎn)。并且通常采煤機發(fā)生故障時，其振動和溫度會有異常變化，所以本文對采煤機振動和溫度參數(shù)的實時監(jiān)測方案進行設計，進而實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

目前，采煤機有線監(jiān)測系統(tǒng)在一些煤礦中已有應用，盡管有線監(jiān)測方式具有穩(wěn)定高速等數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，但是受井下現(xiàn)場環(huán)境復雜、作業(yè)空間狹窄等因素影響，不能適應采煤工作面現(xiàn)場采煤推進的特點，難以符合現(xiàn)場作業(yè)對監(jiān)測系統(tǒng)靈活流動的要求。本次設計綜合考慮有線監(jiān)測方式、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境及其空間，基于無線監(jiān)測的方式對采煤機運行狀態(tài)中的振動和溫度參數(shù)進行監(jiān)測，并具有對采煤機異常運行狀態(tài)進行報警的功能，主要由采煤機傳感器節(jié)點部分、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點部分和監(jiān)控管理節(jié)點部分等組成。圖1 所示為監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖。

采煤機傳感器節(jié)點部分。分別將振動、溫度傳感器布置于采煤機各關鍵監(jiān)測部位，對其運行當中的振動、溫度數(shù)據(jù)進行采集。

數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點部分。利用多點式無線傳輸?shù)姆绞綄鞲衅鞴?jié)點部分采集到的數(shù)據(jù)信號傳遞到監(jiān)控管理節(jié)點部分。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

監(jiān)控管理節(jié)點部分。對采煤機運行當中的監(jiān)測部位的振動、溫度情況進行實時顯示，并根據(jù)采煤機的異常情況進行報警。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

與藍牙、紅外和Wi-Fi 等無線傳輸技術相比較，紫蜂無線傳輸技術（即ZigBee）具有多點傳輸、成本低廉、能耗較小、安全可靠以及組網(wǎng)靈活等特點，較為適應煤礦井下現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。紫蜂無線通信網(wǎng)絡主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備等部分組成。由于井下現(xiàn)場采煤機監(jiān)測系統(tǒng)所需要的傳輸距離較短，所以本次設計采用具有結構簡單、規(guī)模較小、靈活流動等特點的星型拓撲結構，并且在該結構條件下無須路由器設備。下頁圖2 所示為監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸示意圖。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點部分硬件

利用監(jiān)測系統(tǒng)對采煤機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測時，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點部分需要實現(xiàn)創(chuàng)建網(wǎng)絡、接受和發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號、串口控制等功能。按照上述功能需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點部分主要包括無線通信和串口模塊。

2.1.1 無線通信模塊

無線通信模塊是協(xié)調(diào)器節(jié)點部分最為重要的組成單元，本次設計選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530 型集成芯片。該芯片具有優(yōu)異射頻性能、抗干擾強、靈敏度高、能耗低等優(yōu)點，并裝備有工業(yè)標準增強型8051 MCU 微控制器和8kB 靜態(tài)存儲器，其主要性能參數(shù)見表1。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸示意圖

表1 CC2530 型集成芯片主要性能參數(shù)

2.1.2 串口模塊

串口模塊采用RS232 型接口將調(diào)制器同監(jiān)控管理節(jié)點部分的上位機聯(lián)接，以實現(xiàn)將傳感器采集的相關數(shù)據(jù)傳送至上位機的目的。在監(jiān)控管理節(jié)點部分的操作人員可以通過上位機軟件對采煤機運行當中的振動、溫度情況進行實時監(jiān)控。由于CC2530型集成芯片與上位機接口電平有差異而難以直接聯(lián)接，因此采用MAX232 型電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)二者的聯(lián)接。

2.2 終端設備節(jié)點部分硬件

利用監(jiān)測系統(tǒng)對采煤機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測時，通過終端設備節(jié)點部分需要實現(xiàn)采煤機相關數(shù)據(jù)信號的采集、發(fā)送和接收功能。按照上述功能需要，終端設備節(jié)點部分主要包括傳感器、微處理器、無線通信和電源等模塊。

2.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊分別采用ADXL345 型加速度傳感器和DS18B20 型溫度傳感器對采煤機運行過程中的振動和溫度數(shù)據(jù)信號進行采集。

美國亞德諾半導體公司生產(chǎn)的ADXL345 型加速度傳感器兼具靜態(tài)和動態(tài)加速度測定功能，并且其還具備適應溫度范圍廣、抗沖擊能力強、精度高、耗能低等一系列優(yōu)點，非常適用于井下作業(yè)現(xiàn)場。本次設計選用I2C 通信方式，分別將拉電阻R12、R13布置于引腳1 與14 之間、引腳1 與13 之間。

美國達拉斯半導體公司生產(chǎn)的DS18B20 型溫度傳感器具備所占空間小、測量精度高、成本低廉、響應迅速、結構簡單等一系列優(yōu)點，非常適用于井下作業(yè)現(xiàn)場。本次設計將MSP430 系列F5438 型單片機P10 接口的第6 引腳同該溫度傳感器的DQ 引腳聯(lián)接，以利用該單片機對溫度數(shù)據(jù)的采集進行控制。

2.2.2 微處理器模塊設計

微處理器是終端設備節(jié)點部分最為核心的設備，可對該部分各個終端設備進行控制和協(xié)調(diào)。本次設計采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430 系列F5438 型單片機作為終端設備節(jié)點部分的微處理器。該單片機具有靈活可靠、便于控制、能耗較低、處理速度快等一系列優(yōu)點，并且能夠進行多種運算，執(zhí)行多種模擬指令，配備大容量寄存器，通過其具備的I2C 通信方式可以與無線通信模塊的CC2530 型集成芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳送。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

在完成監(jiān)測系統(tǒng)相關設備硬件選型的基礎上，還需要進一步對整個監(jiān)測系統(tǒng)的軟件進行設計，以實現(xiàn)各設備的兼容并發(fā)揮其各自功能。整個監(jiān)測系統(tǒng)采用Z-Stack>ZDO>ZDApp.c 的組網(wǎng)啟動路徑，啟動設備類型不同，其啟動初始化創(chuàng)建網(wǎng)絡類型設置也不同，協(xié)調(diào)器為MODE_HARD 網(wǎng)絡類型，終端設備為MODE_JOIN 網(wǎng)絡類型；若啟動的設備已在網(wǎng)絡中，那么網(wǎng)絡初始化類型為MODE_RESUME；若有設備啟動時需要重新加入已有網(wǎng)絡，則網(wǎng)絡類型為MODE_REJOIN。

3.1 數(shù)據(jù)采集編程

數(shù)據(jù)采集、讀取及處理的編程主要涉及微處理器和溫度、振動傳感器三類設備。其中需要對微處理器先行底層初始化設置，在啟動程序之前先行將看門狗關上，再對與之對應的寄存器進行外部時鐘源設置，主、子時鐘均采用外部24 MHz 晶振，輔助時鐘采用外部32 768 Hz 晶振；之后再對I/O 接口、通信模塊進行串口初始化設置，即利用與之對應的寄存器設置I/O 接口的狀態(tài)、信號輸入輸出、啟動關閉等。

3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集編程

為實現(xiàn)微處理器對溫度傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，將溫度傳感器通過其DQ 引腳和微處理器的I/O接口P10.6 引腳聯(lián)接，微處理器可以利用其ROM 指令的相關功能來實現(xiàn)對溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的控制。溫度數(shù)據(jù)采集按照初始化、ROM 指令、RAM 存儲或者功能指令、數(shù)據(jù)處理的程序進行編程。

3.1.2 振動數(shù)據(jù)采集編程

為實現(xiàn)微處理器對振動傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，直接將振動傳感器通過I2C 通信方式和微處理器的進行聯(lián)接。I2C 通信方式具備開始、結束、數(shù)據(jù)傳輸、應答等四種信號形式。

3.2 無線通信編程

3.2.1 協(xié)調(diào)器無線通信編程

協(xié)調(diào)器無線通信主要程序為：通電后運行初始化程序，再掃描并選擇信道，通過PANID 設定網(wǎng)絡，之后進行偵聽作業(yè)，在終端設備對其發(fā)出入網(wǎng)申請后，可為其分配具有16 位數(shù)字的地址并將其綁定到網(wǎng)絡之中，最后利用紫蜂無線傳輸技術接收來自終端設備的數(shù)據(jù)信號，并利用RS232 型接口將接收到的相關數(shù)據(jù)上傳到上位機當中。

3.2.2 終端設備無線通信編程

終端設備無線通信主要程序為：通電后運行初始化程序，再在所在區(qū)域當中搜尋網(wǎng)絡并發(fā)出申請，通過申請后獲得地址并將其綁定到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡中，最后將周期性采集到的相關數(shù)據(jù)信號上傳到協(xié)調(diào)器當中。

3.3 監(jiān)控管理節(jié)點部分編程

通過對監(jiān)控管理節(jié)點部分的上位機軟件系統(tǒng)進行設計能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員實時監(jiān)測采煤機各主要部分的溫度、振動以及整體的運行情況。本次設計利用美國國家儀器公司的LabVIEW 編程軟件，本著界面簡潔、布置合理、主次分明的原則，對上位機軟件系統(tǒng)進行模塊化設計，主要包括用戶登錄、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)存儲、在線顯示和閾值報警等五個模塊。其中，通過用戶登錄模塊來實現(xiàn)專用用戶的登錄及用戶信息管理，通過參數(shù)設置模塊來實現(xiàn)串口的初始化、端號選擇及參數(shù)配置等操作，通過在線顯示和數(shù)據(jù)存儲兩個模塊來實現(xiàn)采煤機運行當中振動、溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲及歷史回看等功能，通過閾值報警模塊來實現(xiàn)手動對采煤機運行當中的振動、溫度報警參數(shù)進行修改設定。圖3 所示為監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

4 結論

通過利用紫蜂無線傳輸技術對采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，實現(xiàn)了對采煤機運行當中振動、溫度情況的實時監(jiān)測以及異常報警等功能。該套系統(tǒng)可以提前預判采煤機運行的異常情況，提高采煤機開機率，實現(xiàn)井下采煤工作面的安全高效生產(chǎn)。