采煤機安全運行監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究

王存浩

（晉能控股煤業(yè)集團安全管理督察大隊一中隊，山西 大同 037000）

引言

采煤機是煤礦開采中的重要工具，采煤機安全有效的運行對煤礦的高效開采有著重要的意義。由于采煤機工作環(huán)境比較惡劣，因此若設備監(jiān)管不到位將會頻繁發(fā)生故障，可能導致停工停采，將嚴重影響煤礦開采的經(jīng)濟效益。因此要保證采煤機安全高效運行，對其運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實時掌握其運行狀態(tài)十分必要[1-2]。

1 總體方案

1.1 性能要求

監(jiān)控系統(tǒng)基于Labview上位機軟件和MSP430系列單片機設計，可對運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測并能對運行狀態(tài)進行簡單控制，具體說明如下：

1）管理權(quán)限：系統(tǒng)對不同的工作人員設置了不同的權(quán)限，如管理員和操作員等，可通過登錄各自權(quán)限允許的板塊進行相應操作；

2）數(shù)據(jù)實時監(jiān)測：對采煤機運行的溫度和振動數(shù)據(jù)進行實時采集，將采集到的數(shù)據(jù)進行傳輸、運算處理，在上位機監(jiān)控界面顯示，達到數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的目的[3]；

3）實時控制：從監(jiān)控系統(tǒng)引出控制線接入采煤機原本控制電路中，當數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)報警，管理人員可通過遠程界面及時對采煤機的運行狀態(tài)做相應控制，根據(jù)報警類型診斷故障類型，進而快速處理故障[3]。

1.2 方案設計

監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機作上位機，采用Labview上位機設計軟件監(jiān)控界面及控制點，采煤機運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控由傳感器節(jié)點即采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控界面組成。具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 采煤機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

本監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)設計，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)型式的無線傳感器網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集通過傳感器模塊和無線通信模塊完成。網(wǎng)絡由傳感器采集數(shù)據(jù)，以無線傳輸方式將數(shù)據(jù)信號傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)串口通信將數(shù)據(jù)傳到上位機監(jiān)控界面。

1）協(xié)調(diào)器：在采煤機監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器需完成網(wǎng)絡的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)的無線接收和發(fā)送、輔助按鍵控制及串口控制等工作，其硬件結(jié)構(gòu)包括無線通信模塊、串口模塊、電源模塊等。

2）無線通信模塊：無線通信模塊主要完成數(shù)據(jù)的傳輸任務，本文選用CC2530芯片作為無線通信模塊的核心，結(jié)合外圍電路的設計，如加入陶瓷晶振提供時鐘源，加入低頻石英時鐘晶振提供時鐘信號，加入精密偏置電阻提供提準電流，采用去耦電容去除電源耦合和噪聲干擾等完成無線通信模塊設計。

3）串口模塊：采用RS232串口通信實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機間的通訊，將終端數(shù)據(jù)采集設備采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至上位機顯示和存儲。

4）終端數(shù)據(jù)采集設備：終端數(shù)據(jù)采集設備主要是利用傳感器模塊進行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。數(shù)據(jù)無線發(fā)送與接收需要加入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器建立，終端設備每次上電后，查詢網(wǎng)絡并申請加入，協(xié)調(diào)器允許加入并分配網(wǎng)絡地址，連接后即可進行數(shù)據(jù)的傳輸。因此終端設備硬件結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊（DS180B20溫度傳感器模塊、ADXL345加速度傳感器）、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊等。

2.2 軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計包括三部分：無線傳輸功能的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)以及上位機監(jiān)控界面的設計。開發(fā)工具選擇IAR軟件。

2.2.1 無線網(wǎng)絡組網(wǎng)設計

ZigBee協(xié)議棧選用半開源的Z-stack協(xié)議棧。協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡的唯一樞紐，啟動后會建立一個網(wǎng)絡，然后允許其他網(wǎng)絡加入并分配地址，請求加入的ZigBee網(wǎng)絡可能有多個，為避免沖突，協(xié)調(diào)器要給網(wǎng)絡選擇信道和網(wǎng)絡ID組建新網(wǎng)絡，本文選擇了25個信道，設置網(wǎng)絡ID為0×136E。終端設備啟動后，會尋找網(wǎng)絡并發(fā)送加入請求、掃描請求等一系列請求，得到允許后加入網(wǎng)絡，組網(wǎng)成功。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集功能設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過微處理器MSP430及外圍電路控制傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集、讀取和處理。采集過程中，MSP430首先需要進行初始化設計：選擇時鐘源、初始化串口等。其次是溫度信號和振動信號的采集，MSP430通過ROM指令和功能指令控制DS180B20完成溫度信號的采集。MSP430和ADXL345之間通過I2C通信實現(xiàn)加速度信號的采集，對加速度信號進行處理得到采煤機振動數(shù)據(jù)。

2.2.3 無線通信功能設計

無線通信發(fā)生在協(xié)調(diào)器和終端設備之間，協(xié)調(diào)器啟動后建立新網(wǎng)絡，等待終端設備加入網(wǎng)絡的申請，而后允許加入，之后通過ZigBee技術(shù)接收終端傳送的數(shù)據(jù)，再經(jīng)RS232串口將其傳輸至上位機，工作過程如圖2所示。而終端設備在啟動后會尋找網(wǎng)絡并申請加入，加入后可將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到協(xié)調(diào)器，工作過程如圖3所示。

2.2.4 上位機監(jiān)控界面設計

采煤機的上位機監(jiān)控界面采用Labview軟件設計，模塊化設計，主要功能有用戶登錄、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲及讀取、異常運行狀態(tài)報警、參數(shù)設置、控制命令下發(fā)等[4]。

首選配置串口，在Labview前面板進行串口配置，采用自帶的VISA函數(shù)對串口波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、流控制和終止符進行設置。再進行在線顯示模塊的設計，包括數(shù)值控件顯示和曲線顯示，對采煤機溫度和振動信號進行顯示。此外還進行了閾值設置、預警設置、控制按鍵和數(shù)據(jù)存儲查詢功能的設計，根據(jù)采煤機長期運行經(jīng)驗值設置關(guān)鍵部位閾值，當運行參數(shù)超過閾值開始預警，預警模塊由預警指示燈組成，控制按鍵實現(xiàn)采煤機運行異常時給出修正或停止命令的功能，此外利用Labview提供的文件I/O函數(shù)設計實現(xiàn)了運行數(shù)據(jù)的存儲讀取功能。

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖3 終端設備工作流程圖

3 試驗測試

硬件和軟件平臺設計完成后，對系統(tǒng)進行了硬件電路測試和軟件程序調(diào)試，試驗中硬件電路工作正常，網(wǎng)絡建立連接、信號采集傳輸、上位機數(shù)據(jù)顯示、指令收發(fā)均正常。

以溫度信號的采集、傳輸和顯示為例，測試中選擇溫度可調(diào)的高低溫試驗箱作為監(jiān)測對象，將系統(tǒng)終端檢測設備置于試驗箱中，其余部分妥善連接，通過上位機顯示的數(shù)據(jù)與實際調(diào)節(jié)對比，發(fā)現(xiàn)檢測值與實際值基本吻合，證明本次設計的監(jiān)控系統(tǒng)滿足設計要求，可用于采煤機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

4 結(jié)論

1）通過分析采煤機應用背景，提出所設計采煤機安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求；

2）從協(xié)調(diào)器、無線通信模塊、串口模塊、終端數(shù)據(jù)采集設備四部分分析設計了系統(tǒng)的硬件電路；

3）從無線網(wǎng)絡組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集功能、無線通信功能、上位機監(jiān)控界面四個方面完成了系統(tǒng)軟件部分的設計；

4）系統(tǒng)設計完成后，進行了試驗測試，以溫度監(jiān)測為例，說明系統(tǒng)運行效果良好，滿足設計要求，有良好的應用價值。