武棟棟

（華陽一礦機(jī)電工區(qū)信息中心， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于各大煤礦，且整體裝機(jī)量呈逐年增加趨勢。由于井下環(huán)境惡劣，加上煤礦開采過程中所遇到的煤層硬度具有較大波動性，致使當(dāng)前所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)裝機(jī)功率越來越大，電氣控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，這也增加了采煤機(jī)運(yùn)行時的故障率[1]。若采煤機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)了電氣故障，并且故障難以排除，將嚴(yán)重影響采煤機(jī)的工作效率及井下作業(yè)安全[2]。因此，根據(jù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展了采煤機(jī)設(shè)備電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵模塊研究，通過采煤機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，具有重要的實(shí)際應(yīng)用及推廣價(jià)值。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

目前市場上應(yīng)用較為成熟的采煤機(jī)包括電動牽引式、液壓式和滾筒式等結(jié)構(gòu)類型，割煤方式包括單向割煤和雙向割煤。采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成基本相同，包括截割部、電動機(jī)、牽引部、滾筒、搖臂、滑靴、調(diào)高油缸、牽引鏈和減速器等部分，通過各部件的相互配合，實(shí)現(xiàn)對井下多種厚度及硬度煤層的開采作業(yè)[3]。其中，電氣控制部分是整個采煤機(jī)的關(guān)鍵部分，而且采煤機(jī)的電氣控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，基本是基于CAN 總線及RS232 接口進(jìn)行信號通信，并能將數(shù)據(jù)傳輸至上機(jī)位中。但在實(shí)際運(yùn)行時存在采煤機(jī)電氣數(shù)據(jù)獲取的速度較慢、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較低和數(shù)據(jù)存儲量較小等問題，且數(shù)據(jù)傳輸過程中也經(jīng)常出現(xiàn)信號失真、干擾信號較多等，導(dǎo)致所處理的信號準(zhǔn)確性相對較差，無法對采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時顯示[4]。因此，設(shè)計(jì)一套自動化程度更高、精度更好的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，提高采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控性能，已成為當(dāng)前提升采煤機(jī)綜合性能的重要發(fā)展方向。

2 采煤機(jī)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鑒于采煤機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部電氣數(shù)據(jù)較多，故設(shè)計(jì)了一套電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對整個采煤機(jī)中電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時獲取、運(yùn)算及故障診斷，以確保整個采煤機(jī)運(yùn)行過程中的電氣安全。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)包括采用了ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)部分和上機(jī)位等部分，處理器則選用了西門子的S7-300 型PLC 控制器進(jìn)行控制，采用了CAN 總線方式及RS485 通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。底層的信號獲取元件配備了電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器等，并與ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，能實(shí)時對采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)方式在基站節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行匯聚。而ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)及建立維護(hù)整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee 協(xié)調(diào)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、處理，最后經(jīng)過GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊，把數(shù)據(jù)傳輸至指定的上機(jī)位中，全面完成對采煤機(jī)電氣數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示及故障診斷。上機(jī)位中設(shè)計(jì)了觸屏式液晶顯示功能、數(shù)據(jù)處理及存儲功能等，所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)總體框架圖如下頁圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)總體框架

3 診斷系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)作業(yè)位置的實(shí)時監(jiān)控，需在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一套ZigBee-GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊。GPRS網(wǎng)關(guān)模塊主要以現(xiàn)有成熟的GSM 模塊為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，由電平轉(zhuǎn)換、CPU 和無線射頻等部分組成，如下頁圖2 所示。

圖2 ZigBee-GPRS 網(wǎng)關(guān)模塊結(jié)構(gòu)框架

整個模塊采用封裝方式進(jìn)行端到端的廣域無線IP 連接，其核心模塊選用了SIM900A 模塊，SIM900A模塊采用雙頻GSM 模塊EGSM900 MHz 和DCS1800 MHz，具有利用率高、接入時間短、傳輸速率快等優(yōu)勢，能支持GPRS CLASS8 和GPRS 編碼格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4 等[6]。同時，該模塊還包括天線接口電路、卡槽電路、串口電路及供電電源等部分，能以NetLight 信號作為驅(qū)動信號，使得LED 進(jìn)行閃爍提示，以實(shí)現(xiàn)對GPRS 模塊工作狀態(tài)的實(shí)時提示。

3.2 Zstack 協(xié)議棧設(shè)計(jì)

Zstack 協(xié)議棧設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)解決系統(tǒng)中的通信問題，包括了物流層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（TL）及應(yīng)用層（APL）等部分，其內(nèi)部采用了基于優(yōu)先級的輪詢式OSAL 操作系統(tǒng)，能提供時間管理、任務(wù)同步、任務(wù)管理、電源管理和內(nèi)存管理等做多方面的管理服務(wù)，整個協(xié)議棧的運(yùn)行必須依靠此OSAL 操作系統(tǒng)方可正常運(yùn)行，能根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級情況逐級向下，對系統(tǒng)中各個任務(wù)事件情況進(jìn)行查詢，若有情況發(fā)生，則執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算函數(shù)。若沒有，則繼續(xù)循環(huán)查詢。最終，經(jīng)過此協(xié)議棧后，向終端輸出安全服務(wù)信息。整個Zstack 協(xié)議棧的框架圖如圖3 所示。

圖3 Zstack 協(xié)議?？蚣?/p>

3.3 協(xié)調(diào)器電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的正常運(yùn)行及維護(hù)，在其運(yùn)行過程中，需保證整個ZigBee 協(xié)調(diào)器能持續(xù)供電和作業(yè)，故設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)器電路。整個協(xié)調(diào)器所采用的電壓為DC3.3 V，主要通過井下的DC18 V本安電源，經(jīng)過整流器和濾波電路的轉(zhuǎn)換后，直接將電壓輸入LM7805 芯片中，在芯片中又將電壓轉(zhuǎn)換為DC5 V，經(jīng)過MAX1675 穩(wěn)壓后，最后在濾波電路的作用下降電壓轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)器所需的DC3.3 V。整個電路中的濾波元件選用了電容部件，并在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容，即可實(shí)現(xiàn)整個電路的充放電及電壓轉(zhuǎn)換作用。另外，采用了PL2303 芯片來將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換USB 串口，以實(shí)現(xiàn)對多數(shù)據(jù)的導(dǎo)入輸出作用。協(xié)調(diào)器電路圖如圖4 所示。

圖4 協(xié)調(diào)器電路圖

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用評價(jià)

在完成采煤機(jī)電氣數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為掌握整套系統(tǒng)的運(yùn)行性能及功能特點(diǎn)，將其集成在采煤機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際的運(yùn)行測試。在測試過程中，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，自動化程度較高，所獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較好，基本未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤及誤報(bào)現(xiàn)象。系統(tǒng)中GPRS 模塊中的接收信號強(qiáng)度相對較高，在70m范圍的丟包率僅為10%。針對所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能通過內(nèi)部的高效運(yùn)行能力進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理及判斷。針對采煤機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)的故障，也能在顯示界面中顯示故障位置，并發(fā)出故障報(bào)警提示，工作人員可通過故障顯示內(nèi)容快速對采煤機(jī)進(jìn)行故障排查及維修操作。整套系統(tǒng)的各項(xiàng)功能基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的可行性。