王存浩

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全管理督察大隊(duì)一中隊(duì)，山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)是煤礦開采中的重要工具，采煤機(jī)安全有效的運(yùn)行對(duì)煤礦的高效開采有著重要的意義。由于采煤機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，因此若設(shè)備監(jiān)管不到位將會(huì)頻繁發(fā)生故障，可能導(dǎo)致停工停采，將嚴(yán)重影響煤礦開采的經(jīng)濟(jì)效益。因此要保證采煤機(jī)安全高效運(yùn)行，對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)十分必要[1-2]。

1 總體方案

1.1 性能要求

監(jiān)控系統(tǒng)基于Labview上位機(jī)軟件和MSP430系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，可對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，具體說(shuō)明如下：

1）管理權(quán)限：系統(tǒng)對(duì)不同的工作人員設(shè)置了不同的權(quán)限，如管理員和操作員等，可通過(guò)登錄各自權(quán)限允許的板塊進(jìn)行相應(yīng)操作；

2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、運(yùn)算處理，在上位機(jī)監(jiān)控界面顯示，達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[3]；

3）實(shí)時(shí)控制：從監(jiān)控系統(tǒng)引出控制線接入采煤機(jī)原本控制電路中，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，管理人員可通過(guò)遠(yuǎn)程界面及時(shí)對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)做相應(yīng)控制，根據(jù)報(bào)警類型診斷故障類型，進(jìn)而快速處理故障[3]。

1.2 方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)作上位機(jī)，采用Labview上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件監(jiān)控界面及控制點(diǎn)，采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)與監(jiān)控由傳感器節(jié)點(diǎn)即采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控界面組成。具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集通過(guò)傳感器模塊和無(wú)線通信模塊完成。網(wǎng)絡(luò)由傳感器采集數(shù)據(jù)，以無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)串口通信將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)監(jiān)控界面。

1）協(xié)調(diào)器：在采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器需完成網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)的無(wú)線接收和發(fā)送、輔助按鍵控制及串口控制等工作，其硬件結(jié)構(gòu)包括無(wú)線通信模塊、串口模塊、電源模塊等。

2）無(wú)線通信模塊：無(wú)線通信模塊主要完成數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，本文選用CC2530芯片作為無(wú)線通信模塊的核心，結(jié)合外圍電路的設(shè)計(jì)，如加入陶瓷晶振提供時(shí)鐘源，加入低頻石英時(shí)鐘晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，加入精密偏置電阻提供提準(zhǔn)電流，采用去耦電容去除電源耦合和噪聲干擾等完成無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)。

3）串口模塊：采用RS232串口通信實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)間的通訊，將終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至上位機(jī)顯示和存儲(chǔ)。

4）終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備：終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要是利用傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送與接收需要加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立，終端設(shè)備每次上電后，查詢網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入，協(xié)調(diào)器允許加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址，連接后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。因此終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊（DS180B20溫度傳感器模塊、ADXL345加速度傳感器）、微處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三部分：無(wú)線傳輸功能的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)以及上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。開發(fā)工具選擇IAR軟件。

2.2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議棧選用半開源的Z-stack協(xié)議棧。協(xié)調(diào)器作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的唯一樞紐，啟動(dòng)后會(huì)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后允許其他網(wǎng)絡(luò)加入并分配地址，請(qǐng)求加入的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可能有多個(gè)，為避免沖突，協(xié)調(diào)器要給網(wǎng)絡(luò)選擇信道和網(wǎng)絡(luò)ID組建新網(wǎng)絡(luò)，本文選擇了25個(gè)信道，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID為0×136E。終端設(shè)備啟動(dòng)后，會(huì)尋找網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送加入請(qǐng)求、掃描請(qǐng)求等一系列請(qǐng)求，得到允許后加入網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成功。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)微處理器MSP430及外圍電路控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、讀取和處理。采集過(guò)程中，MSP430首先需要進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)：選擇時(shí)鐘源、初始化串口等。其次是溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的采集，MSP430通過(guò)ROM指令和功能指令控制DS180B20完成溫度信號(hào)的采集。MSP430和ADXL345之間通過(guò)I2C通信實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的采集，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行處理得到采煤機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.2.3 無(wú)線通信功能設(shè)計(jì)

無(wú)線通信發(fā)生在協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備之間，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后建立新網(wǎng)絡(luò)，等待終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)，而后允許加入，之后通過(guò)ZigBee技術(shù)接收終端傳送的數(shù)據(jù)，再經(jīng)RS232串口將其傳輸至上位機(jī)，工作過(guò)程如圖2所示。而終端設(shè)備在啟動(dòng)后會(huì)尋找網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入，加入后可將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到協(xié)調(diào)器，工作過(guò)程如圖3所示。

2.2.4 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的上位機(jī)監(jiān)控界面采用Labview軟件設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)，主要功能有用戶登錄、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取、異常運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、控制命令下發(fā)等[4]。

首選配置串口，在Labview前面板進(jìn)行串口配置，采用自帶的VISA函數(shù)對(duì)串口波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、流控制和終止符進(jìn)行設(shè)置。再進(jìn)行在線顯示模塊的設(shè)計(jì)，包括數(shù)值控件顯示和曲線顯示，對(duì)采煤機(jī)溫度和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行顯示。此外還進(jìn)行了閾值設(shè)置、預(yù)警設(shè)置、控制按鍵和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能的設(shè)計(jì)，根據(jù)采煤機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置關(guān)鍵部位閾值，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)閾值開始預(yù)警，預(yù)警模塊由預(yù)警指示燈組成，控制按鍵實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行異常時(shí)給出修正或停止命令的功能，此外利用Labview提供的文件I/O函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)讀取功能。

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖3 終端設(shè)備工作流程圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

硬件和軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路測(cè)試和軟件程序調(diào)試，試驗(yàn)中硬件電路工作正常，網(wǎng)絡(luò)建立連接、信號(hào)采集傳輸、上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示、指令收發(fā)均正常。

以溫度信號(hào)的采集、傳輸和顯示為例，測(cè)試中選擇溫度可調(diào)的高低溫試驗(yàn)箱作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，將系統(tǒng)終端檢測(cè)設(shè)備置于試驗(yàn)箱中，其余部分妥善連接，通過(guò)上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際調(diào)節(jié)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)值與實(shí)際值基本吻合，證明本次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可用于采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)分析采煤機(jī)應(yīng)用背景，提出所設(shè)計(jì)采煤機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求；

2）從協(xié)調(diào)器、無(wú)線通信模塊、串口模塊、終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備四部分分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路；

3）從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集功能、無(wú)線通信功能、上位機(jī)監(jiān)控界面四個(gè)方面完成了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)；

4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，以溫度監(jiān)測(cè)為例，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求，有良好的應(yīng)用價(jià)值。