礦井主皮帶輸送機自動監控系統研究

趙國鵬

（潞安集團漳村礦自動化中心， 山西 長治 046032）

引言

現階段礦井帶式輸送機沿線布置的各類傳感器大多采用有線傳輸方法，當帶式輸送機隨著采面推移不斷收縮時，有效傳輸布置的傳感器拆裝等過程較為繁瑣，影響皮帶輸送機出煤效率，同時傳輸電纜接線過程中有一定的安全隱患。針對上述問題，提出一套基本Zigbee的皮帶輸送低能耗無線自動監控系統，實現皮帶輸送機運行狀態實時監控。

1 監控系統總體構成

設計的皮帶輸送機無線自動監控系統包括有跑偏、急停、速度、縱向撕裂、溫度、堆煤、煙霧等無線安全傳感器，各類傳感器布置在皮帶輸送機沿線預設位置，識別皮帶輸送機運行狀態。傳感器監測到的皮帶輸送機運行狀態以無線傳輸方式傳輸給無線基站，由可編程控制箱對監測數據進行解析及處理，最后通過環狀以太網將數據存儲在數據中心，以便監控系統綜合管理平臺調用相關監測數據。具體監控系統監測數據無線傳輸結構見圖1。

圖1 監控系統監測數據無線傳輸結構

無線保護傳感器發出Zigbee信號，無線基站Zigbee接收發出的無線信號并通過MESH（無線基站）將信號傳輸至帶式輸送機機頭監控基站，隨后通過Modbus總線傳輸方式將信息傳輸至可編程控制向內，在控制箱內對信號進行解析，識別安全傳感器監測信號及位置，通過工業以太網一方面將數據傳輸至動態軟件，一方面經由環網交換機將數據傳輸至數據中心[1-2]。

2 監控系統關鍵技術

2.1 無線傳輸基站

皮帶輸送機運行監控采用無線傳輸網絡實現，通過組建WIFI網絡、Zigbee網絡，實現多個基站間數據的無線跳轉。其中Zigbee網絡采用多射頻設計，用以傳輸無線傳感器監測數據；WIFI網絡通過MESH傳輸技術用以實現視頻傳輸、移動終端信息互傳、無人監控以及無線鏈路橋接等功能。

無線傳輸網絡通過無線基站搭接實現，在皮帶輸送機沿線每隔200 m布置一個無線基站，具體無線基站中包含有Zigbee通信模塊、WIFI覆蓋模塊、RS485轉Modbus-TCP模塊、MESH跳轉模塊以及以太網采集接口、RS485接口等。Zigbee通信模塊接收到皮帶輸送機沿途布置的無線傳感器，采用RS485總線輸出，并經過Modbus-TCP轉換模塊數據轉換后，傳輸至MESH跳轉模塊，實現無線路由傳輸；WIFI覆蓋模塊直接接入至MESH跳轉模塊路由。以太網接口用以接入臨近電源箱運行數據、輸送煤流斷面超聲掃描儀等可擴展設備，通過MESH跳轉模塊無線路由傳輸。

無線傳輸基站在皮帶輸送機機頭、機尾兩端接入到井下環狀工業以太網交換機，并將監測信息通過環網傳輸，同時可以大幅減少MESH跳轉距離，提高數據傳速率及穩定性。具體井下布置的無線傳輸基站結構見下頁圖2。

圖2 無線傳輸基站結構

2.2 Zigbee網絡

依據井下安全傳感器數據采集及傳輸需要，將Zigbee網絡模塊內置于無線基站內，并交叉間隔布置，確保無線安全傳感器均位于無線基站數據接收模塊附近，提升數據傳輸、接收可靠性。同時為了提升無線傳感器使用時間，MESH無線跳轉模塊以休眠狀態為主，周期性喚醒以便接收無線傳感器監測數據，并進行無線轉發。無線傳感器內部的無線跳轉模塊與微控制單元（MCU）采用板級連接，避免中間環節，從而降低設備能耗。

2.3 WIFI網絡

監控系統WIFI網絡信號傳輸通過MESH網絡實現多跳傳，并將WIFI模塊集成布置于無線基站中，具體實現下述2種功能：WIFI模塊用以采集覆蓋范圍內的WIFI設備，包括有網絡攝像儀、擴音電話、手持移動終端等；多跳傳輸鏈路橋接，將采用到的WIFI設備信號、Zigbee模塊信號、煤流斷面信號等傳輸至皮帶輸送機監控系統[3-4]。

3 無線網絡性能測試

3.1 網絡分析

將MESH網絡接入到皮帶輸送機機頭、機尾處布置的光纖環網，從而形成冗余穩定的環網結構，避免單點故障造成傳輸網絡中斷。無線基站開始運行后，各個基站按照預先設定程序規劃連接到有線網絡的最佳路徑，構建的拓撲結構以傳輸網絡流量為依據確保負載平衡。當任何一個無線傳輸基站出現故障時，與無線基站相鄰基站自動對無線鏈路進行調整，將流量傳輸至另外一側基站或者跳過故障基站直接將流量傳輸至下一基站，整個調整過程自動、快速進行。例如礦井井下布置皮帶輸送機長度為6 000 m，每隔200 m布置一個無線基站，共計布置30個基站，形成環狀閉網。正常情況中間無線基站通過兩側無線基站跳傳傳輸，從而降低流量跳傳次數，提升傳輸網絡穩定性。若沿線布置的某個無線基站故障，造成WIFI鏈路斷開，無線網絡按照預先設定邏輯順序自動更新路由，向反向方向進行流量跳傳，從而確保整個無線傳輸網絡鏈路通暢。

3.2 網絡傳輸性能測試

測試點選擇在礦井皮帶運輸巷內，該運輸巷內長為7 000 m，寬、高分別為4.0 m、3.9 m，主要用于行人以及煤炭運輸。在運輸巷內布置25臺無線基站從而構建MESH網絡，實現直線傳輸，共計有24個傳輸節點，節點間間距約為200 m。

現場無線傳輸網絡測試共分三個階段，具體為：

1）無線傳輸設備通電，調整無線傳輸天線角度及高度，使得節點內鄰近天線間有40～50 cm間距，從而確保節點間無線信號強度處于峰值；

2）調整各個無線節點設備功率、通道，并依次調整各節點帶寬，使其盡可能最大化；

3）整網并調試。

各個無線節點間信號強度通過設備內置的GLI命令獲取，帶寬通過IPERF測試軟件獲取，具體測試到的2組數據帶寬曲線見圖3。

圖3 現場無線傳輸網絡測試結果

從測試結果看出，兩組測試數據中每跳間的帶寬波動均在1 Mbps以內，無規律，符合無線傳輸體特性，同時兩組測試結果在變化規律上具有一致性，可以為后續的無線傳輸網絡性能分析提供可靠數據。

從測試的2組數據可以看出，數據經過24跳后帶寬在4～5 Mbps,測試結果符合預先測試期望要求。從帶寬曲線變化曲線看出，前6跳以內帶寬衰減較為明顯，后續跳傳帶寬曲線變化較為平緩，15跳以后帶寬曲線接近水平發展，測試得到的帶寬變化曲線符合無線傳輸多跳低衰減規律。

通過測試發現，文中提出的無線網絡監控系統具有顯著的傳輸性能，可以滿足現場監測數據傳輸需要。通過現場數據測試及調試，可以進一步對傳輸網絡進行優化，解決某些階段帶寬衰減過快問題，從而使得24跳帶寬值更高[5-7]。

4 結論

采用本文設計的一種基于無線傳輸的皮帶輸送機自動化監控系統對皮帶輸送機的運行狀態進行實時監控。經過對無線網絡穩定性以及網絡性能進行測試分析，表明構建的皮帶輸送機無線網絡監控系統可靠性、實時性可以滿足對皮帶輸送機的監控需要。