狹窄受限空間下掘進機數據遠程傳輸技術

甘松柏

(西山煤電集團 東曲礦，山西 太原 030200)

1 概 述

掘進機是煤礦井下重要的采掘設備，在生產過程中掘進機運行參數、故障信息等數據對于了解掘進機工作狀態、解決故障以及改進掘進機功能設計等都有重要的意義。目前，掘進機的數據信息有的存儲在本機電控系統中，有的通過無線通信傳送至礦井工業環網[1]. 但是，煤礦井下環境惡劣，地面起伏不平，時有煤壁阻擋，導致無線通信信號的強度衰落較大，影響通信數據的傳輸質量。針對煤礦井下實際生產情況，結合網絡優化分析理論，對無線AP的分布進行合理規劃，保證無線通信質量，使得掘進機運行參數實時、準確、快速地傳送至礦井工業環網。

2 系統結構

狹窄受限空間下掘進機數據遠程傳輸的系統結構組成主要是數據采集平臺，在該平臺中包含一個PLC控制器，一個CAN轉WIFI模塊，兩個CAN通信隔離模塊。其中，PLC控制器是系統的控制核心，用于以CAN通信的方式接收掘進機運行時的參數信息以及故障信息，然后將接收到的數據信息發送給CAN轉WIFI模塊，以無線的方式發送給安裝在巷道內的無線WIFI AP. PLC與掘進機電氣控制系統以及PLC與CAN轉WIFI模塊都需要用CAN隔離模塊對通信數據進行隔離，有效保證數據傳輸的穩定性。無線AP接收到數據后，發送給網關，并經網關后發送到礦井工業環網。需要注意的是，無線AP需要根據煤礦井下的實際情況，在巷道轉彎、巷道有遮擋、巷道狹窄等地方增加中繼節點，以保證無線信號傳輸質量。系統結構組成圖見圖1.

圖1 系統結構組成圖

數據采集平臺中的CAN轉WIFI模塊集成2.4GWLAN接口，符合IEEE802.11a/b/g/n標準，支持AP以及Station模式，支持64位、128位的加密/解密和256位的WEP、TKIP或AES密鑰[2]. TCP Client模式數據轉換格式圖見圖2.

圖2 TCP Client模式數據轉換格式圖

CAN轉WIFI模塊的工作模式有3種，即TCP Server模式、TCP Client模式以及UDP模式。在TCP Client模式下工作時，1個TCP幀包含若干個CAN幀，最多為50個，最少為1個CAN幀。1個CAN幀的數據格式定義見圖2，包含20個字節，其中第1～2字節為幀頭，標示一個幀的開始，固定值為0xFE、0xFD；第3字節為發送模式，0x00為正常發送，0x01為自發自收；第4字節為幀信息，標示該CAN幀的信息，如類型、長度等；第5～8字節為幀ID，其中，標準幀為11bits，擴展幀為29bits；第9～16字節為幀數據，即傳送的數據內容，最少可以傳送0個字節，最多可以傳送8個字節；第17～19為幀接收時間戳，單位為ms，溢出后歸零循環計時；第20字節為校驗字節，保證前述數據的正確性。

選定的WIFI無線基站能夠支持4*4MIMO智能天線波束賦形技術和3個空間的WIFI接入點，其覆蓋性更廣，吞吐量更高，最大數據傳輸速率可達1.3 Gbps. 該接入點還提供2.4 GHz和5 GHz天線上允許的最大RF輻射功率，即只需采用最低數量的接入點，即可實現最廣的覆蓋面和最高的吞吐率，進而降低總擁有成本[3]. 該WIFI無線基站與網關以TCP/IP的方式進行數據傳送。

3 軟件設計

3.1 CAN通信程序設計

CAN通信是ISO國際標準化的串行通信協議，通過ISO11898和ISO11519進行標準化，是歐洲汽車網絡的標準協議。CAN通信標準數據幀格式見圖3，包含1個bit的幀起始位，表示數據幀開始的段；12 bits的仲裁段，用于表示該數據幀的優先級；6 bits的控制段，用于表示數據的字節數以及保留位；0～64 bits的數據段，為數據的內容，可以發送0～8個字節的數據；16 bits的CRC段，用于檢查該數據幀的傳輸錯誤的段；2 bits的ACK段，用于表示確認正常接收的段；7 bits的幀結束段，用于表示該數據幀結束[4-5].

圖3 CAN通信標準幀格式圖

在PLC控制器的CAN通信程序設計中，需要對CAN通信參數進行設置，如通信時的CAN通信端口、幀格式、波特率、CAN-ID等。掘進機電氣控制系統與數據采集平臺需要定義CAN通信協議格式，在該協議格式中需要制定發送的數據及其所占的字節，示例見表1. 通信協議格式確定后，通信雙方就可以按照該協議格式對數據進行打包和解包操作。

表1 CAN通信協議格式示例表

3.2 數據處理程序設計

在數據處理中，將數據分為4個優先級，即故障類數據為第一優先級，傳感器類數據為第二優先級，系統類數據為第三優先級，其他數據為第四優先級，其中第一優先級最高，第四優先級最低。按照數據優先級級別，PLC控制器分別對接收到的掘進機電氣控制系統數據進行分類存儲。另外，為對數據進行快速處理，針對上述4個優先級數據分別啟動4個進程，每一個進程處理一個優先級的數據，如啟動故障類數據進程，該進程不斷地對故障類數據專用空間進行監測，一旦監測到該空間內有數據，立即將數據發送給CAN轉WIFI模塊，使該數據能夠以無線的形式發送到礦井工業環網。PLC程序中數據處理流程見圖4.

圖4 數據處理流程圖

4 結 論

針對煤礦井下狹窄受限空間的實際工況，設計用于掘進機數據傳輸的數據集中采集平臺，并且根據無線網絡優化理論在合適的位置安裝無線AP，保證無線信號質量。在進行數據傳輸時，對數據進行分類，并同時啟動4個專用進程進行數據傳輸，最大限度地使數據傳輸實時、準確、快速。該設計方案已經在某煤礦井下布網并完成工業性試驗，試驗結果表明，數據傳輸時延較小、準確度高、無線信號穩定，值得推廣。