張 興

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司，山西 大同037003）

煤炭作為我國主要能源物資其安全生產(chǎn)至關(guān)重要，采煤機(jī)作為煤礦開采、運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的高效穩(wěn)定開展具有重要意義。然而煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊增大了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)計(jì)一套運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電壓、電流、溫度、振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量，并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遠(yuǎn)程顯示和預(yù)警功能，幫助維修人員進(jìn)行故障快速定位和檢修?？紤]到PLC（可編程邏輯控制器）具有運(yùn)行穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此選用PLC 作為系統(tǒng)控制核心。

1 采煤機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行原理

采煤機(jī)長期工作在煤礦井下封閉環(huán)境的綜采工作面當(dāng)中，主要由液壓部分、截割部分、牽引部分和其他部分組成。其中液壓部分主要完成采集過程中搖擺臂的控制等；截割部分主要完成較大煤塊的切割工作；牽引部分主要負(fù)責(zé)根據(jù)截割部分的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)整體運(yùn)行速度，當(dāng)切割阻力較大時(shí)，降低運(yùn)行速度，反之增加運(yùn)行速度。上述各個(gè)部分相互協(xié)作完成煤礦的切割、采集和落煤的運(yùn)輸工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)煤礦井下采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，見圖1。全系統(tǒng)分為井下和地面兩部分，主控裝置為型號(hào)S7-200 的PLC。

圖1 采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

各個(gè)傳感模塊在采煤機(jī)重要部位安裝完畢后，可以在其采集終端CPU 的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)被監(jiān)測部位溫度及加速度的測量，并經(jīng)IIC 總線傳輸至CPU，經(jīng)處理后由無線傳輸模塊通過專用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳遞給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并經(jīng)協(xié)調(diào)器由RS232 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳遞給PLC。PLC 將各個(gè)傳感模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)、RS485 數(shù)據(jù)總線的電流電壓傳感模塊數(shù)據(jù)等進(jìn)行匯總分析后，實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)信號(hào)輸出，并將信息經(jīng)過RS485 總線傳遞給地面系統(tǒng)，由地面上位機(jī)和分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和分析。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CPU選擇及溫度傳感電路設(shè)計(jì)

為適應(yīng)煤礦井下安全生產(chǎn)，降低系統(tǒng)運(yùn)行電流提高反應(yīng)能力，在采煤機(jī)監(jiān)測終端采用MSP 430F149 單片機(jī)作為其主控CPU，其精簡指令集能夠提高運(yùn)行速度，低功耗模式可以有效提高系統(tǒng)在煤礦特殊環(huán)境下的使用的安全性。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)關(guān)鍵部位的溫度測量，選擇寬范圍高精度溫度傳感器LM75A 并設(shè)計(jì)其外圍電路見圖2，該傳感器地址信息設(shè)置為0。LM75A 可以實(shí)現(xiàn)-55℃～+125℃范圍內(nèi)的溫度測量，測量精度為0.125℃；利用IIC 總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該芯片的寄存器控制從而完成測量模式轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字信號(hào)傳輸。

IIC 總線作為一種雙向串行數(shù)據(jù)總線，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2，主機(jī)通過地址信號(hào)區(qū)分從機(jī)。通過對(duì)SDA、SCL 兩條總線的電平的控制，可以實(shí)現(xiàn)地址識(shí)別和信息傳遞，空閑時(shí)兩總線為高電平。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)及加速度信息測量，使用ADXL345 傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集傳輸，并加入IIC 總線網(wǎng)絡(luò)。

圖2 LM75A 溫度傳感電路與IIC 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 ZigBee通信網(wǎng)架設(shè)計(jì)

由于煤礦井下采煤機(jī)處于持續(xù)運(yùn)行移位當(dāng)中，傳統(tǒng)有線傳輸方式存在導(dǎo)線破損和數(shù)據(jù)衰減的風(fēng)險(xiǎn)，因此采用成本低廉、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)靈活、傳輸距離較遠(yuǎn)、功率損耗較小的ZigBee 無線傳輸方式成為最優(yōu)選擇。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由眾多節(jié)點(diǎn)組成，見圖3。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有樹形、星形等多種形狀。其中樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、穩(wěn)定性高但其成本較高；星形網(wǎng)絡(luò)雖然不穩(wěn)定，但呈現(xiàn)出中心輻射特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點(diǎn)。結(jié)合采煤機(jī)生產(chǎn)實(shí)際選擇星形連接方式作為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過硬件裝置和軟件流程的方法，保證中心協(xié)調(diào)器的工作性能從而提高其穩(wěn)定性。同時(shí)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要由物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均應(yīng)符合有關(guān)層級(jí)功能的規(guī)定，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

圖3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 傳感模塊工作流程

為實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵部位的溫度測量，設(shè)計(jì)了如圖4所示的傳感模塊工作流程，并對(duì)其采集終端CPU-低功耗單片機(jī)MSP430F149 進(jìn)行編程。

圖4 傳感模塊工作流程

在完成設(shè)備初始化之后，系統(tǒng)控制ZigBee 收發(fā)模塊CC2530 搜尋目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)尋找后，申請加入并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綁定。系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)綁定之后，開始進(jìn)行LM74A 環(huán)境溫度測量和ADXL345加速度測量，并啟動(dòng)定時(shí)裝置，完成目標(biāo)數(shù)據(jù)幀的定期發(fā)送，在完成發(fā)送之后進(jìn)行判斷，若網(wǎng)絡(luò)斷開則停止發(fā)送過程，流程結(jié)束。在采集終端完成溫度加速度信息采集后，由PLC 核心控制部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與輸出，從而實(shí)現(xiàn)井下和地面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測和直觀顯示，并進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警等工作，利用上位機(jī)軟件，繪制實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)界面見圖5。全界面共分為功能菜單、數(shù)據(jù)曲線和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)三大部分，其中功能菜單部分實(shí)現(xiàn)含有節(jié)點(diǎn)標(biāo)志、時(shí)間等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)保存功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、采集周期及傳輸參數(shù)設(shè)置功能及后臺(tái)系統(tǒng)維護(hù)賬號(hào)登陸功能；除此之外還可以顯示當(dāng)前時(shí)間和設(shè)置功能分區(qū)的開關(guān)狀態(tài)；數(shù)據(jù)曲線部分可以實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間段、特定節(jié)點(diǎn)的溫度和加速度曲線，以便直觀觀察數(shù)據(jù)變化情況；節(jié)點(diǎn)狀態(tài)部分可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，全節(jié)點(diǎn)共分為初始狀態(tài)、正常狀態(tài)、告警狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)等4 個(gè)狀態(tài)。通過功能菜單的設(shè)置按鈕可以在一定范圍內(nèi)對(duì)以上各個(gè)狀態(tài)的閾值和變動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)置，以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)參數(shù)的變化情況，從而更直觀地掌握采煤機(jī)各個(gè)關(guān)鍵部位的電壓、電流、加速度及溫度信息，做到全方位的監(jiān)測。

圖5 系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

本文主要根據(jù)煤礦井下采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況設(shè)計(jì)了基于PLC 的運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)。在MSP430 單片機(jī)的控制下各個(gè)采集終端完成溫度和振動(dòng)信號(hào)的采集并通過ZigBee 無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)有線傳輸方式帶來的問題；同時(shí)，控制核心PLC 將收集到的信息進(jìn)行處理傳遞給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警功能，對(duì)提高采煤機(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)故障查找和維修效率，確保煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。