基于ZigBee 無線通信的綜采面刮板鏈張力監(jiān)測研究

楊海虹

（汾西礦業(yè)集團設(shè)備修造廠， 山西 介休 032000）

0 引言

刮板輸送機是煤炭開采時的關(guān)鍵設(shè)備之一，刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C主要組成單元，受到刮板輸送機鋪設(shè)距離長、負載大以及使用環(huán)境惡劣等因素影響，刮板鏈容易出現(xiàn)各類事故，輕則影響刮板輸送機運輸效率，重則引發(fā)安全事故[1]。刮板鏈常見故障類型包括有卡鏈、斷鏈等，當(dāng)刮板鏈出現(xiàn)故障時張緊力會出現(xiàn)顯著變化，因此通過監(jiān)測刮板鏈張緊力可對刮板鏈?zhǔn)欠裉幱谡顟B(tài)進行判定，以便達到提升刮板輸送機工作效率的目的；同時刮板鏈張力過大會加劇設(shè)備運行阻力，從而增加刮板輸送機運行能耗，因此對刮板鏈張力進行實時監(jiān)測，可為技術(shù)人員判定刮板輸送機是否出現(xiàn)故障提供參考，并對提升設(shè)備運行穩(wěn)定性及壽命等起到一定的促進作用[2-3]。文中就在分析刮板輸送機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種基于ZigBee 的刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在刮板鏈上布置應(yīng)變片實現(xiàn)張力監(jiān)測、通過ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號傳輸，達到刮板鏈張力實時監(jiān)測目的。

1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)

山西某礦設(shè)計產(chǎn)能為280 萬t/a，回采煤層包括有3 號、5 號、6 號、9 號及13 號等，煤層賦存條件較好、開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。3306 綜采工作面回采3 號煤層，煤層厚度均值為3.2 m、傾角為3°～10°，頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖及碳質(zhì)泥巖等為主。3306綜采工作面設(shè)計推進長度為1 880 m、采面斜長260 m，鋪設(shè)的刮板輸送機長度為262 m，型號為SGZ764-400型，具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 刮板機技術(shù)參數(shù)

SGZ764-400 刮板輸送機具備有運輸量大、適應(yīng)性強以及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，主要結(jié)構(gòu)有機頭、機尾、刮板鏈、刮板、中板以及其他附屬設(shè)備等。刮板輸送機驅(qū)動裝置同歸帶動鏈輪驅(qū)動刮板鏈、刮板循環(huán)移動，從而實現(xiàn)刮板鏈上原煤運輸。受到煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜、采煤機割煤以及煤層賦存條件等多因素影響，刮板輸送機負載、使用環(huán)境等處于動態(tài)變化狀態(tài)，導(dǎo)致不同狀態(tài)下刮板鏈張力有所差異。當(dāng)刮板鏈張力過大時容易增大刮板鏈與鏈輪、中部槽間磨損程度同時容易誘發(fā)斷鏈故障，增大設(shè)備運行能耗；當(dāng)刮板鏈張力偏小時，則導(dǎo)致鏈條過松，容易造成刮板輸送機啟動或者停機期間出現(xiàn)鏈輪振動、沖擊或者鏈條脫輪問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致斷鏈、卡鏈等事故。3306 綜采工作面在生產(chǎn)過程中曾多次出現(xiàn)卡鏈引起驅(qū)動裝置溫度過高問題，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。為此，文章構(gòu)建刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)，通過張緊力監(jiān)測提高刮板輸送機運行可靠性。

2 刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

具體構(gòu)建的刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要結(jié)構(gòu)組成單元包括有張力監(jiān)測模塊、無線通信模塊以及數(shù)據(jù)接收裝置等，具體架構(gòu)如圖1 所示。刮板鏈張力監(jiān)測主要依靠應(yīng)變片實現(xiàn)，張力值依靠ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸，張力值監(jiān)測結(jié)果通過上位機進行處理、分析以及顯示。實現(xiàn)刮板鏈張力值精準(zhǔn)測定以及結(jié)構(gòu)高精度、高效傳輸是實現(xiàn)張力監(jiān)測的關(guān)鍵所在，為此文中就重點對張力監(jiān)測裝置以及ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等進行分析。

圖1 刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 張力監(jiān)測

刮板輸送機運行期間刮板鏈不斷移動，采用的張力監(jiān)測裝置應(yīng)隨著刮板鏈不斷前移，因此提出應(yīng)變片測定刮板鏈張力，同時通過內(nèi)置天線將應(yīng)變片監(jiān)測值傳輸，從而實現(xiàn)刮板鏈張力監(jiān)測。為確保張力監(jiān)測可靠性并為應(yīng)變片、天線安裝創(chuàng)造條件，需要改造刮板鏈鏈條結(jié)構(gòu)。在刮板鏈橫聯(lián)圓柱上開平槽以便為應(yīng)變片安裝創(chuàng)造良好條件，同時在應(yīng)變片表面涂抹防護膠，達到保護應(yīng)變片目的；在中板空腔內(nèi)布置無線信號發(fā)射裝置，并通過上下保護罩保護，為無線信號發(fā)射裝置提供保護，降低粉塵、礦井水等影響。

張力采用2 個應(yīng)變片監(jiān)測并與集成電路連接，將應(yīng)變片應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成張力值，同時監(jiān)測結(jié)果通過無線通信裝置傳輸。具體與應(yīng)變片連接的集成電路結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示，主要結(jié)構(gòu)模塊包括有應(yīng)變片模塊、方法模快以及濾波模塊，在應(yīng)變片模塊中端頭1、端頭3用以監(jiān)測結(jié)果傳輸，端頭4 與供電電源連接，端頭2與CC2530 端頭連接實現(xiàn)信號傳輸。

圖2 集成電路結(jié)構(gòu)示意圖

集成電路數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示，集成電路可獲取應(yīng)變片值并進行數(shù)據(jù)傳輸，同時對集成電路進行供電、休眠等模式控制，降低能耗，實現(xiàn)長時間低功能耗運行。

圖3 集成電路運行流程圖

2.3 無線通信

無線通信主要依靠CC2530 處理器、無線天線實現(xiàn)信傳輸。采用的CC2530 處理器與ZigBee 芯片具有較好的兼容性，同時通信接口豐富，具體技術(shù)參數(shù)如表2 所示。張力監(jiān)測結(jié)果通過天線傳輸給上位機，由于安裝空間狹小，為提升通信質(zhì)量，采用螺旋狀金屬網(wǎng)作為天線兩臂，在減少占用空間集成上增加天線長度，具體安裝長度可達到30 cm 以上。采用的天線最大輻射方向增益為4.171 dB，通信效果較好、效率高。

表2 技術(shù)參數(shù)

在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)時首先對ZigBee 協(xié)議進行初始化處理，向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)申請，成功后則分配對應(yīng)的IP，將采集得到的刮板鏈張力支數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3 現(xiàn)場驗證分析

為驗證上文構(gòu)建的基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果以及測量精度，將刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機刮板鏈上。對構(gòu)建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量進行分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信信號強、通信質(zhì)量佳、延時時間短，上位機可精準(zhǔn)獲取刮板鏈張力監(jiān)測值。對張力監(jiān)測系統(tǒng)獲取得到的刮板鏈張力值與現(xiàn)場人工實測值進行比對，具體結(jié)果如表3 所示，從監(jiān)測結(jié)果看出，系統(tǒng)獲取得到監(jiān)測值與現(xiàn)場實測值接近，多次測量誤差均在5%以內(nèi)，表明文中構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)刮板鏈張力值高效監(jiān)測。

表3 張力監(jiān)測對比結(jié)果

4 結(jié)語

依據(jù)刮板輸送機運行工況以及現(xiàn)場環(huán)境，提出基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建刮板鏈張力監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信低能耗、效率高的優(yōu)點。將應(yīng)變片、張力監(jiān)測模塊內(nèi)置在刮板鏈上，隨著刮板鏈移動實現(xiàn)張力值實時監(jiān)測，同時通過保護裝置避免煤塊、矸石等對應(yīng)力監(jiān)測裝置影響。

對張力監(jiān)測、ZigBee 通信裝置結(jié)構(gòu)及運行流程等進行詳細分析，并在3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機進行現(xiàn)場工業(yè)試驗。結(jié)果表明，張力監(jiān)測裝置獲取得到的刮板鏈張力值與現(xiàn)場實測值誤差在5%以內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果較為精準(zhǔn)；同時ZigBee 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、延時時間短以及通信質(zhì)量高，可滿足采面復(fù)雜惡劣環(huán)境需要。