姬新文

（山西科興能源發(fā)展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的主要設(shè)備，由于工作面頂板煤層、巖層的特性不一致，導(dǎo)致采煤機(jī)截割部滾筒所面臨的生產(chǎn)條件相對(duì)復(fù)雜，尤其在截割含夾矸煤層時(shí)，采煤機(jī)所面臨的工況惡劣且所承受的載荷復(fù)雜，使得采煤機(jī)截割部滾筒所面臨的振動(dòng)劇烈，進(jìn)而傳遞至采煤機(jī)機(jī)身。但是，目前針對(duì)采煤機(jī)截割含夾矸煤巖振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)存在布線困難、靈活性差且可靠性低的問(wèn)題，無(wú)法對(duì)含夾矸煤巖截割狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[1]。為保證采煤機(jī)在復(fù)雜工況下的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)一套高可靠、高精度的含夾矸煤巖振動(dòng)采集系統(tǒng)是十分有必要的。

1 截割含夾矸煤巖振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)將應(yīng)用于型號(hào)為MG2×55/250-BW 雙滾筒采煤機(jī)，該振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的核心為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，采煤機(jī)截割含夾矸煤巖時(shí)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)包括有振動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。其中，振動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)主要是對(duì)采煤機(jī)截割含夾矸煤巖工況時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)并基于RS232 通信協(xié)議將信號(hào)傳遞至終端上位機(jī)。上述操作即實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的采集[2]。

圖1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為上述振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的核心。因此，本系統(tǒng)采用合適的無(wú)線通信技術(shù)尤為重要。目前，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的無(wú)線通信技術(shù)包括有ZigBee、Wi-Fi、超寬帶、藍(lán)牙以及進(jìn)場(chǎng)通信等。綜合對(duì)比上述幾種無(wú)線通信可知：ZigBee 通信技術(shù)功耗低、安全性高、可承載的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，入網(wǎng)時(shí)間僅需30 ms，通信范圍使用最遠(yuǎn)可達(dá)75 m，成本最低且電池的使用壽命最長(zhǎng)，可在868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 等頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。因此針對(duì)采煤機(jī)截割含夾矸煤巖時(shí)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)采用ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能[3]。

2 截割含夾矸煤巖振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)將完成截割含夾矸煤巖振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鑒于振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)主要用于截割含夾矸煤巖工況時(shí)采煤機(jī)整機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)，其工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，為滿足上述使用要求，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的精度、傳輸距離、收發(fā)效率以及功耗等提出具體要求。

首先，該系統(tǒng)需滿足微型化的要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件應(yīng)將該系統(tǒng)的體積大小控制在55 mm×45 mm×40 mm；由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于更換信號(hào)采集系統(tǒng)電源的難度較大，故要求振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)具有低功耗的要求，并且盡量采用簡(jiǎn)單的電路降低系統(tǒng)的能耗；為滿足工作面相對(duì)復(fù)雜的工況，要求其數(shù)據(jù)分析處理模塊和通信、電源模塊的安全性和穩(wěn)定性滿足要求；為滿足振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)后續(xù)的拓展使用要求，要求振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展性和靈活性[4]。

結(jié)合上述振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的要求及其功能、性能要求，設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

如圖2 所示，振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括有傳感模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊以及電源管理模塊。

圖2 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊重點(diǎn)為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的微處理器。綜合對(duì)傳感器所采集數(shù)據(jù)的分析處理能力以及低功耗的要求，本系統(tǒng)采用MSP430 系列的單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊的核心，并為其配置型號(hào)為MSP430F5438 型處理器。

2.1.2 傳感模塊設(shè)計(jì)

傳感模塊的核心為傳感器，傳感器的精度、環(huán)境適應(yīng)能力尤為重要，其重點(diǎn)是對(duì)采煤機(jī)3 個(gè)正交方向上力的精準(zhǔn)測(cè)量。本系統(tǒng)采用型號(hào)為ADXL345 數(shù)字型加速度傳感器，該傳感器的具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 ADXL345 數(shù)字型加速度傳感器主要參數(shù)指標(biāo)

2.1.3 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊為本系統(tǒng)信號(hào)傳輸效率、信號(hào)穩(wěn)定程度以及傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵，綜合對(duì)比當(dāng)前各類無(wú)線通信技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)，本系統(tǒng)采用ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)其通信功能；同時(shí)，為了兼顧系統(tǒng)的低成本、低功耗的特點(diǎn)，基于ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)為其配置CC2530的無(wú)線射頻芯片。

2.2 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為保證準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)采煤機(jī)截割含夾矸煤巖時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，保證所配置的振動(dòng)信號(hào)采集軟件可實(shí)時(shí)對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，避免其在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，設(shè)計(jì)如圖3 所示的振動(dòng)信號(hào)采集程序流程圖。

圖3 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)程序流程圖

完成振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，需根據(jù)采煤機(jī)截割含夾矸煤巖工況的情況完成振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的安裝。鑒于采煤機(jī)截割含夾矸煤巖時(shí)煤巖的硬度不均勻，采煤機(jī)滾筒承受的載荷不同，如果采用直接測(cè)量方法將很難得到準(zhǔn)確的振動(dòng)參數(shù)[5]。為了保證對(duì)采煤機(jī)滾筒振動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集，將振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)安裝于如圖4 所示的位置中。

圖4 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)安裝示意圖

如圖4 所示，將振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)安裝于采煤機(jī)搖臂的重心位置，并在系統(tǒng)外部封裝隔爆殼，避免散落的巖石和煤炭對(duì)傳感器或整個(gè)系統(tǒng)造成沖擊。

3 振動(dòng)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的應(yīng)用效果，包括是否能夠適應(yīng)工作面相對(duì)惡劣的生產(chǎn)工況，對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確等進(jìn)行測(cè)試。將本系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)與基于Labview 所仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)第272 頁(yè)表2。基于所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的偏差在合理范圍之內(nèi)。同時(shí)，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠完全適用于復(fù)雜的綜采工作面。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是在截割含夾矸煤巖時(shí)由于煤層和巖層的硬度不一，導(dǎo)致滾筒所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。為了能夠準(zhǔn)確掌握采煤機(jī)截割部滾筒的工作狀態(tài)，本文特設(shè)計(jì)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，并將其安裝于采煤機(jī)搖臂的重心處對(duì)滾筒的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)能夠完全適用于綜采工作面采煤機(jī)截割部滾筒振動(dòng)情況的采集，而且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的偏差在合理且允許范圍之內(nèi)。

表2 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比