基于NB-IOT的掘進機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

施 浩，王憲偉，楊龍標，丁笑穎

（長春大學 電子信息工程學院，長春130022）

0 引 言

掘進機這種大型機械廣泛應(yīng)用于煤礦挖掘中，機械破巖、出碴和支持連續(xù)的操作，發(fā)揮了不可替代的作用。礦下的工作情況復(fù)雜、溫度高、瓦斯?jié)舛雀撸蜻M設(shè)備容易發(fā)生故障。故障主要分為機械類故障和液壓系統(tǒng)故障兩大類，由于事故的頻發(fā)，現(xiàn)在對井下機械的安全檢測越來越重視，運用了很多技術(shù)監(jiān)控礦下情況和機械的運行情況。

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)在遠程水表、智慧停車場、智能路燈及農(nóng)田檢測等行業(yè)的應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用［1］。本文提出了一種基于NB-IOT的掘進機狀態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計，用于實時的監(jiān)控掘進機的運行狀態(tài)、周圍瓦斯?jié)舛群碗姎庠O(shè)備狀況，對應(yīng)對事故的發(fā)生有重要的意義。

1 NB-IOT介紹

NB-IOT是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT），是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IOT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)，UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。

NB-IOT是IOT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IOT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。NB-IOT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年，同時還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋［2］。

目前，NB-IOT應(yīng)用場景有：智慧鎖、智慧城市、智慧水表、智慧氣表、智慧跟蹤器、智慧倉儲、智慧路燈等，都是把原始的數(shù)據(jù)訴求給平臺方，云平臺通過NB模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合，傳遞給用戶進行有效數(shù)據(jù)的分析使用。

2 系統(tǒng)框架介紹

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的掘進機狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。根據(jù)每個模塊的功能，大致把物聯(lián)網(wǎng)分為感知、通信、應(yīng)用3個層次。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架Fig.1 System design framework

第一層是以各類傳感器為基礎(chǔ)的感知層。瓦斯傳感器負責采集礦下瓦斯?jié)舛龋铀俣葌鞲衅髫撠煵杉瘋鲃虞S，截割減速器機械的震動的數(shù)據(jù)以及液壓油溫度和壓力傳感器對液壓油數(shù)據(jù)的采集。

第二層為通信層，利用NB-IOT無線通信技術(shù)把傳感器采集到的信息傳輸?shù)皆破脚_上。

第三層為應(yīng)用層，包括把傳輸來的信息解碼并儲存到數(shù)據(jù)庫中，通過OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺對信息進行整理展示，方便工作人員對掘進機狀況進行查看并做出及時處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計

由各類傳感器構(gòu)成的傳感器模塊、電源模塊、NB-IOT模塊、MCU微控制器組成了本文檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計，如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計框圖Fig.2 Block diagram of hardware design

3.1 微處理器和NB-IOT模塊的選擇

微處理器采用STM32L1系列，采用了超低漏電流制程，在不犧牲性能的前提下，具有自主動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能和5種低功耗模式［4］。

NB-IOT通信模塊選用移遠公司的BC95-B5模塊，其是一款高性能、低功耗的單頻段NB-IOT無線通信模塊［5］。體積小巧，安裝方便，能最大程度滿足終端設(shè)備對體積小的需求，有效幫助客戶優(yōu)化產(chǎn)品成本［6］。在設(shè)計上兼容移遠通信NB-IOT系列的BC95模塊，能方便快捷的進行產(chǎn)品設(shè)計和升級，是目前使用很廣泛的一款NB-IOT模塊。模塊主要性能見表1。

表1 BC95-B5模組主要性能Tab.1 Main performance of BC95-B5 module

3.2 瓦斯傳感器的選擇

在煤礦生產(chǎn)中，隨著每層采動，煤層中往往能夠會涌出很多礦井瓦斯［7］。一旦超過一定濃度容易產(chǎn)生重大事故，所以對瓦斯的檢測是必不可少的。氣體傳感器采用滿足用于監(jiān)視地下煤礦甲烷濃度的GJC4低濃度甲烷傳感器，可以自動地將井下采集到的甲烷濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準電信號輸送給配接設(shè)備。GJC4的性能參數(shù)見表2。

表2 GJC4性能指標Tab.2 GJC4 performance index

3.3 振動傳感器模塊

在實際掘進工作中，掘進機的機械結(jié)構(gòu)可能會因為長期工作磨損或者不當操作而造成損壞和斷裂。礦下環(huán)境復(fù)雜，對機器檢修不便，設(shè)備故障會造成工作進度的延誤。為了保障掘進工作的順利進行需要對設(shè)備的運行狀態(tài)進行檢測。本文選用BZ11振動傳感器，利用磁電感應(yīng)原理把振動信號變換成電信號，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，電壓值和振動速度值成正比［8］。其被直接安裝在機器外部對旋轉(zhuǎn)和往復(fù)機械的綜合情況做出檢測，所以維修十分方便，產(chǎn)品參數(shù)見表3。

表3 BU11振動傳感器產(chǎn)品參數(shù)Tab.3 BU11 Vibration sensor product parameters

3.4 液壓油傳感器模塊及液壓溫度PID控制

3.4.1 溫度傳感器和壓力傳感器模塊

在掘進機的液壓系統(tǒng)中，液壓油泵和電機的損壞會造成液壓油的壓力異常，需要利用壓力傳感器和溫度傳感器對油缸的液壓油溫和油壓進行檢測，當溫度或者壓力接近危險閥值時及時修整，以免故障的發(fā)生。本文選擇的液壓油溫度傳感器是接觸式傳感器PT100，直接安裝在液壓系統(tǒng)中，小巧方便，占用空間小［9］，主要技術(shù)參數(shù)見表4。壓力傳感器選擇的是HDP501，靈敏度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性好，實物如圖3所示。

表4 PT100溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of PT100 temperature sensor

圖3 壓力傳感器HDP501 Fig.3 Pressure sensor HDP501

3.4.2 液壓油溫度PID控制

掘進機工作的負載大，所以發(fā)熱量也很大，往往掘進機工作挖掘時間不長，其液壓控制系統(tǒng)就超出了額定工作溫度，只能通過采取停機冷卻技術(shù)措施，極大降低了企業(yè)工作管理效率和工程項目進度［10］。所以經(jīng)常采用PID控制將掘進機的整體溫度保持在合理范圍內(nèi)。

液壓系統(tǒng)的溫度控制是閉環(huán)控制，工作原理為：將溫度傳感器測得的數(shù)值和設(shè)定好的溫度閥值比較，由處理器計算出二者之間的偏差，如果偏差超過一定數(shù)值就進行PID參數(shù)整定，繼而控制液壓系統(tǒng)的正常運行。

PID溫度控制原理框圖如圖4所示。

圖4 PID溫度控制原理框圖Fig.4 Block diagram of PID temperature control principle

離散的PID表達式（1）、（2）：

其中，K p，K i，K d分別為比例增益，積分增益，微分系數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)而調(diào)整，從而獲得想要的結(jié)果。常規(guī)PID控制器為線性系統(tǒng)控制器［11］，根據(jù)本身給定值r（k）與被控目標對象以及實際數(shù)據(jù)輸出值y（k）構(gòu)成的偏差e（k）進行管理控制。

偏差方程為式（3）：

溫度傳感器開始檢測液壓油的溫度，將采集到的數(shù)據(jù)傳入圖4中的模擬量模塊，運用A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，與設(shè)定的溫度閥值進行比較，求出偏差值e（k），進入PID控制模塊，得到控制器的輸出U（k），經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換控制執(zhí)行機構(gòu)，進而穩(wěn)定液壓油溫度，PID程序流程圖如圖5所示。

圖5 PID程序流程圖Fig.5 PID Program flow chart

設(shè)定的液壓油溫度為40℃，在Simulink中搭建的PID控制模型，仿真結(jié)果如圖6所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控云平臺

為了簡便開發(fā)和應(yīng)用，減少投入的時間和金錢，涌現(xiàn)了很多物聯(lián)網(wǎng)平臺。本文選用的是華為公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺OceanConnect，可以滿足各個不同行業(yè)的應(yīng)用需求，接入各種傳感器、IOT終端，多種行業(yè)應(yīng)用的快速集成。應(yīng)用OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)的步驟如圖7所示。

使用OceanConnect主要的工作是開發(fā)產(chǎn)品／設(shè)備模型（Profile）、編解碼插件、設(shè)備的連接和應(yīng)用的集成開發(fā)工作。設(shè)備模型（Profile）的建立是用來定義屬性名稱，數(shù)據(jù)類型和命令的下發(fā)。

圖6 PID仿真結(jié)果圖Fig.6 PID simulation result graph

圖7 OceanConnect開發(fā)步驟Fig.7 OceanConnect development steps

硬件系統(tǒng)設(shè)備連接完好后，登陸OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行測試。OceanConnect云平臺接收檢測到的溫度、瓦斯值，結(jié)果展示如圖8所示。

圖8 結(jié)果展示Fig.8 Results display

5 結(jié)束語

基于NB-IOT的掘進機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是利用NB-IOT技術(shù)將各種類型傳感器檢測到的機械的運行狀態(tài)，液壓油溫度、壓力、瓦斯?jié)舛鹊刃畔鬏數(shù)椒?wù)器上，利用華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺實時監(jiān)控傳來的數(shù)據(jù)，對于現(xiàn)場掘進機統(tǒng)一調(diào)度管理和運行狀態(tài)的監(jiān)控有很重要的作用。