劉 宏

（西山煤電西銘礦機(jī)電科， 山西 太原 030052）

引言

受井下惡劣工作環(huán)境及復(fù)雜地質(zhì)情況的影響，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中其電氣系統(tǒng)、截割部及牽引部等重要部分極易出現(xiàn)液壓漏損、油溫升高、軸承損毀等異常及故障，嚴(yán)重影響井下煤炭開采效率及安全性。因此通過(guò)建立監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)異常狀態(tài)，從而排查故障及事故隱患，對(duì)于提高井下生產(chǎn)效率及安全性具有重要意義[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)大多采用RS232、RS485 及CAN 總線等有線通信方式對(duì)采煤機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，由于井下環(huán)境惡劣，有線監(jiān)測(cè)在布線方面會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間及人力，且電纜極易發(fā)生破損甚至斷裂，造成信號(hào)中斷。同時(shí)有線方式靈活性較差，系統(tǒng)擴(kuò)展難度大，數(shù)據(jù)的傳輸距離、容量及速度均受到限制，造成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能較差，無(wú)法滿足目前機(jī)械自動(dòng)化煤礦對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)要求。針對(duì)采煤機(jī)有線監(jiān)控系統(tǒng)存在的上述不足，本文在有線通信的基礎(chǔ)上采用Zigbee 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新架構(gòu)，利用多個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最終通過(guò)CAN 總線與地面監(jiān)控上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，有效縮短了有線傳輸距離，大大提高了系統(tǒng)的靈活性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群腿萘俊?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 采煤機(jī)監(jiān)測(cè)方案確定

目前針對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方案可大致分為離線定期監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)離線數(shù)據(jù)處理及自動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)三類，其中前兩種方案由于實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法做到及時(shí)掌握采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障預(yù)測(cè)。自動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為目前的主流監(jiān)測(cè)手段，其性能主要與通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、效率及可靠性緊密相關(guān)。為了進(jìn)一步提高通信網(wǎng)絡(luò)的效率及可靠性，本文選擇區(qū)別于傳統(tǒng)光纖以太網(wǎng)、CAN 總線等有線通信方式的Zigbee 無(wú)線通信協(xié)議對(duì)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)。

Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要由若干個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照連接方式的不同可分為星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三大類[4-6]，如圖1 所示。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇需按照系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)量及類型進(jìn)一步確定。

圖1 Zigbee 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

采煤機(jī)主要由截割部、牽引部、電氣部、液壓部等組成，具體組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

作為采煤機(jī)四個(gè)主要部件，其常見故障集中于截割部及牽引部齒輪、軸承振動(dòng)磨損、斷裂為主的機(jī)械故障，電氣部截割及牽引電機(jī)溫度過(guò)高及堵轉(zhuǎn)、電磁閥電流異常為主的電氣故障，液壓部油溫過(guò)高、油壓異常為主的液壓故障。因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為上述易故障處，系統(tǒng)具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如下頁(yè)表1 所示。

由表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象及監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)置可知，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模較小，且通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離通常≤15 m，出于方便管理及經(jīng)濟(jì)性考慮，根據(jù)三種Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文最終選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的Zigbee 通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)[7-8]。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象及監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用有線+無(wú)線組合通信模式對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)按功能模塊可劃分為上位機(jī)監(jiān)控模塊、CAN 總線通信模塊、單片機(jī)主控模Zigbee 無(wú)線通信模塊及參數(shù)采集模塊等部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各功能模塊按照位置不同可分為井上及井下兩部分，系統(tǒng)井下部分主要由參數(shù)采集模塊、Zigbee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)及CAN 總線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用星型Zigbee 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)不包含路由器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為通信網(wǎng)絡(luò)的中心用于匯聚各終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)通過(guò)CAN 總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。參數(shù)采集模塊作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，可對(duì)采煤機(jī)的電機(jī)振動(dòng)、油箱油溫、電機(jī)電壓電流等主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)采用兩條CAN 總線通信通道分別用于上位機(jī)控制指令下達(dá)及下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)上傳，Zigbee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸井下各類數(shù)據(jù)及指令，通過(guò)該組合通信模式可有效提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸距離及靈活性。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括對(duì)單片機(jī)主控模塊、參數(shù)采集模塊及Zigbee 無(wú)線通信模塊的選型及設(shè)計(jì)。其中CAN 總線通信模塊采用集成式內(nèi)置于單片機(jī)主控模塊中，參數(shù)采集模塊內(nèi)部主要包含溫度、振動(dòng)傳感器及電參數(shù)采集模塊三部分。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體硬件選型設(shè)計(jì)方案如下：本文選用STM32F103C8T6 型32 位MCU 作為監(jiān)控系統(tǒng)的主控器，STM32F103C8T6 單片機(jī)內(nèi)置多達(dá)80 個(gè)快速I/O接口，程序存儲(chǔ)器容量為64 kB，內(nèi)置3 個(gè)16 位定時(shí)器、1 個(gè)16 位PWM 高級(jí)控制定時(shí)器、2 個(gè)看門狗定時(shí)器及1 個(gè)24 位自減計(jì)數(shù)器，內(nèi)部通信接口多達(dá)9個(gè)，具備2.0 主動(dòng)CAN 接口及USB2.0 接口，可滿足本系統(tǒng)的CAN 總線通信需求，還可通過(guò)在MCU 外圍電路上增設(shè)CAN 收發(fā)器完成系統(tǒng)的CAN 總線通信，組網(wǎng)方式較為靈活。

Zigbee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)基礎(chǔ)，因此選用性能優(yōu)良、可靠性高的無(wú)線通信模塊對(duì)于系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文選用WLT2408NZ 型Zigbee 無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)Zigbee 通信網(wǎng)絡(luò)，WLT2408NZ 模塊的數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)500 m，無(wú)線傳輸速率可達(dá)1 Mbit/s，其發(fā)送峰值功耗和接收功耗分別為0.11 W 和0.078 W，功耗極低。WLT2408NZ 采用串口三線制與MCU 直接相連，工作時(shí)無(wú)需任何外圍器件，模塊內(nèi)嵌Zigbee 透?jìng)鲄f(xié)議，可支持本系統(tǒng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足本系統(tǒng)的無(wú)線通信組網(wǎng)需求。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫度傳感器、針對(duì)傳感器及電參數(shù)采集單元組成，本文選用PT100 型鉑熱溫度傳感器對(duì)采煤機(jī)油箱內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，PT100 的測(cè)溫范圍為0～1 200 ℃，基本誤差（FS）≤0.5%，可輸出4～20 mA 及0～5/10 V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。振動(dòng)傳感器的選型型號(hào)為KH-HZD，其可測(cè)量振幅寬度為0～50 mm/s，最大可測(cè)加速度10g，其測(cè)量靈敏度可穩(wěn)定維持于20 mV/（mm·s）×（1±5%），可滿足本系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪及軸承的振動(dòng)量測(cè)量。在采煤機(jī)電機(jī)功率、電壓電流等監(jiān)測(cè)方面，本文選用ZH-40243 型電參數(shù)采集模塊對(duì)上述電參數(shù)進(jìn)行采集，ZH-40243 采用24路同步采樣獨(dú)立A/D，其電流量程為AC0～5/10 A，電壓量程為AC0～10/500 V，測(cè)量精度（FS）等級(jí)可達(dá)0.5%FS，滿足本系統(tǒng)電參數(shù)監(jiān)測(cè)需求。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

由于本文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用星型Zigbee 無(wú)線傳輸，因此系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自各終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)所采集的采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并上傳至主控模塊的CAN 總線通信模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機(jī)的實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)接收并下達(dá)來(lái)自CAN 節(jié)點(diǎn)的控制指令，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行流程如圖4 所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信程序的主要功能是建立與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的連接，在成功進(jìn)入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后將參數(shù)采集模塊所采集的采煤機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)上傳，相應(yīng)程序流程如圖5 所示。

圖5 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)有線式采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所存在的不足，結(jié)合傳感器及Zigbee 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新架構(gòu)，系統(tǒng)采用井下Zigbee 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及井上井下CAN 總線通信結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制功能，通過(guò)該通信網(wǎng)絡(luò)有效提高了采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離、傳輸容量及傳輸速率，從而進(jìn)一步提高了采煤機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)的智能化水平。