采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 敏

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下最為重要的機(jī)電設(shè)備之一，其能否正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到礦井安全高效生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。由于采煤機(jī)本身集機(jī)械、電氣和液壓等各部分設(shè)備為一體，加之受作業(yè)重載和井下煤塵、潮濕等作業(yè)條件影響，容易發(fā)生機(jī)械傳動(dòng)、電子元件等方面的故障。因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，可以提前預(yù)判采煤機(jī)運(yùn)行的異常情況，提高采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率，從而實(shí)現(xiàn)井下采煤工作面的安全高效生產(chǎn)。并且通常采煤機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其振動(dòng)和溫度會(huì)有異常變化，所以本文對(duì)采煤機(jī)振動(dòng)和溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

目前，采煤機(jī)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在一些煤礦中已有應(yīng)用，盡管有線監(jiān)測(cè)方式具有穩(wěn)定高速等數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，但是受井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)空間狹窄等因素影響，不能適應(yīng)采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)采煤推進(jìn)的特點(diǎn)，難以符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈活流動(dòng)的要求。本次設(shè)計(jì)綜合考慮有線監(jiān)測(cè)方式、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境及其空間，基于無(wú)線監(jiān)測(cè)的方式對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中的振動(dòng)和溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并具有對(duì)采煤機(jī)異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警的功能，主要由采煤機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)部分、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)部分和監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分等組成。圖1 所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖。

采煤機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)部分。分別將振動(dòng)、溫度傳感器布置于采煤機(jī)各關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位，對(duì)其運(yùn)行當(dāng)中的振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)部分。利用多點(diǎn)式無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄鞲衅鞴?jié)點(diǎn)部分采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分。對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中的監(jiān)測(cè)部位的振動(dòng)、溫度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)采煤機(jī)的異常情況進(jìn)行報(bào)警。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

與藍(lán)牙、紅外和Wi-Fi 等無(wú)線傳輸技術(shù)相比較，紫蜂無(wú)線傳輸技術(shù)（即ZigBee）具有多點(diǎn)傳輸、成本低廉、能耗較小、安全可靠以及組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，較為適應(yīng)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。紫蜂無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等部分組成。由于井下現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的傳輸距離較短，所以本次設(shè)計(jì)采用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)模較小、靈活流動(dòng)等特點(diǎn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且在該結(jié)構(gòu)條件下無(wú)須路由器設(shè)備。下頁(yè)圖2 所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸示意圖。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分硬件

利用監(jiān)測(cè)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)時(shí)，通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分需要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、接受和發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)、串口控制等功能。按照上述功能需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分主要包括無(wú)線通信和串口模塊。

2.1.1 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分最為重要的組成單元，本次設(shè)計(jì)選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530 型集成芯片。該芯片具有優(yōu)異射頻性能、抗干擾強(qiáng)、靈敏度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，并裝備有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU 微控制器和8kB 靜態(tài)存儲(chǔ)器，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸示意圖

表1 CC2530 型集成芯片主要性能參數(shù)

2.1.2 串口模塊

串口模塊采用RS232 型接口將調(diào)制器同監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分的上位機(jī)聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)將傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)的目的。在監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分的操作人員可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中的振動(dòng)、溫度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于CC2530型集成芯片與上位機(jī)接口電平有差異而難以直接聯(lián)接，因此采用MAX232 型電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的聯(lián)接。

2.2 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分硬件

利用監(jiān)測(cè)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)時(shí)，通過(guò)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分需要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、發(fā)送和接收功能。按照上述功能需要，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分主要包括傳感器、微處理器、無(wú)線通信和電源等模塊。

2.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊分別采用ADXL345 型加速度傳感器和DS18B20 型溫度傳感器對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集。

美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADXL345 型加速度傳感器兼具靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度測(cè)定功能，并且其還具備適應(yīng)溫度范圍廣、抗沖擊能力強(qiáng)、精度高、耗能低等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適用于井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。本次設(shè)計(jì)選用I2C 通信方式，分別將拉電阻R12、R13布置于引腳1 與14 之間、引腳1 與13 之間。

美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20 型溫度傳感器具備所占空間小、測(cè)量精度高、成本低廉、響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適用于井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。本次設(shè)計(jì)將MSP430 系列F5438 型單片機(jī)P10 接口的第6 引腳同該溫度傳感器的DQ 引腳聯(lián)接，以利用該單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行控制。

2.2.2 微處理器模塊設(shè)計(jì)

微處理器是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分最為核心的設(shè)備，可對(duì)該部分各個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)。本次設(shè)計(jì)采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430 系列F5438 型單片機(jī)作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分的微處理器。該單片機(jī)具有靈活可靠、便于控制、能耗較低、處理速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且能夠進(jìn)行多種運(yùn)算，執(zhí)行多種模擬指令，配備大容量寄存器，通過(guò)其具備的I2C 通信方式可以與無(wú)線通信模塊的CC2530 型集成芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳送。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備硬件選型的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的兼容并發(fā)揮其各自功能。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Z-Stack>ZDO>ZDApp.c 的組網(wǎng)啟動(dòng)路徑，啟動(dòng)設(shè)備類型不同，其啟動(dòng)初始化創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置也不同，協(xié)調(diào)器為MODE_HARD 網(wǎng)絡(luò)類型，終端設(shè)備為MODE_JOIN 網(wǎng)絡(luò)類型；若啟動(dòng)的設(shè)備已在網(wǎng)絡(luò)中，那么網(wǎng)絡(luò)初始化類型為MODE_RESUME；若有設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要重新加入已有網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)類型為MODE_REJOIN。

3.1 數(shù)據(jù)采集編程

數(shù)據(jù)采集、讀取及處理的編程主要涉及微處理器和溫度、振動(dòng)傳感器三類設(shè)備。其中需要對(duì)微處理器先行底層初始化設(shè)置，在啟動(dòng)程序之前先行將看門狗關(guān)上，再對(duì)與之對(duì)應(yīng)的寄存器進(jìn)行外部時(shí)鐘源設(shè)置，主、子時(shí)鐘均采用外部24 MHz 晶振，輔助時(shí)鐘采用外部32 768 Hz 晶振；之后再對(duì)I/O 接口、通信模塊進(jìn)行串口初始化設(shè)置，即利用與之對(duì)應(yīng)的寄存器設(shè)置I/O 接口的狀態(tài)、信號(hào)輸入輸出、啟動(dòng)關(guān)閉等。

3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集編程

為實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)溫度傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，將溫度傳感器通過(guò)其DQ 引腳和微處理器的I/O接口P10.6 引腳聯(lián)接，微處理器可以利用其ROM 指令的相關(guān)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的控制。溫度數(shù)據(jù)采集按照初始化、ROM 指令、RAM 存儲(chǔ)或者功能指令、數(shù)據(jù)處理的程序進(jìn)行編程。

3.1.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集編程

為實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)振動(dòng)傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，直接將振動(dòng)傳感器通過(guò)I2C 通信方式和微處理器的進(jìn)行聯(lián)接。I2C 通信方式具備開(kāi)始、結(jié)束、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)答等四種信號(hào)形式。

3.2 無(wú)線通信編程

3.2.1 協(xié)調(diào)器無(wú)線通信編程

協(xié)調(diào)器無(wú)線通信主要程序?yàn)椋和姾筮\(yùn)行初始化程序，再掃描并選擇信道，通過(guò)PANID 設(shè)定網(wǎng)絡(luò)，之后進(jìn)行偵聽(tīng)作業(yè)，在終端設(shè)備對(duì)其發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng)后，可為其分配具有16 位數(shù)字的地址并將其綁定到網(wǎng)絡(luò)之中，最后利用紫蜂無(wú)線傳輸技術(shù)接收來(lái)自終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)，并利用RS232 型接口將接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)當(dāng)中。

3.2.2 終端設(shè)備無(wú)線通信編程

終端設(shè)備無(wú)線通信主要程序?yàn)椋和姾筮\(yùn)行初始化程序，再在所在區(qū)域當(dāng)中搜尋網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出申請(qǐng)，通過(guò)申請(qǐng)后獲得地址并將其綁定到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)中，最后將周期性采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)上傳到協(xié)調(diào)器當(dāng)中。

3.3 監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分編程

通過(guò)對(duì)監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)部分的上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)各主要部分的溫度、振動(dòng)以及整體的運(yùn)行情況。本次設(shè)計(jì)利用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW 編程軟件，本著界面簡(jiǎn)潔、布置合理、主次分明的原則，對(duì)上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括用戶登錄、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線顯示和閾值報(bào)警等五個(gè)模塊。其中，通過(guò)用戶登錄模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)專用用戶的登錄及用戶信息管理，通過(guò)參數(shù)設(shè)置模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)串口的初始化、端號(hào)選擇及參數(shù)配置等操作，通過(guò)在線顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及歷史回看等功能，通過(guò)閾值報(bào)警模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中的振動(dòng)、溫度報(bào)警參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)定。圖3 所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面

4 結(jié)論

通過(guò)利用紫蜂無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中振動(dòng)、溫度情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及異常報(bào)警等功能。該套系統(tǒng)可以提前預(yù)判采煤機(jī)運(yùn)行的異常情況，提高采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率，實(shí)現(xiàn)井下采煤工作面的安全高效生產(chǎn)。