煤礦生產中機電設備無線檢測系統的應用

尹向宇

0 前言

目前，在煤礦檢測系統之中，有線檢測系統的應用非常廣泛，在很大程度上確保了煤礦機電設備以及井下作業人員的安全性。不過，因為煤礦開采過程中所面臨的環境較為復雜，而有線檢測系統因為受到各種因素的影響，很難全面對煤礦機電設備各種參數加以靈活檢測[1]。以往采用有線檢測系統若要實現相應的功能，要求應當敷設大量線纜，而且對于這些通信設施也需要人工進行定期檢查與維護，有線檢測系統的擴展性相對較差，在實際使用過程中易發生損壞，而且在線路敷設過程中不僅要消耗大量資源，同時還要投入大量人力。因為有線檢測系統是采用的電纜進行連接，而井下作業環境較為復雜，電纜極易出現腐蝕、磨損等破壞，而且長期使用也易發生老化問題，在使用過程中易出現信號中斷等問題，也易發生誤報問題，使得整個系統的性能會受到影響。而且，檢測設備電纜在設備長期運行過程中，也易出現接觸不良的問題，從而對檢測工作的連續性造成不利影響?；诖耍岢隽藱C電設備無線檢測系統，其利用各種傳感裝置節點實時協作，更加準確以及穩定地對機電設備運行參數進行收集，并且在經過一定的預處理之后，利用網絡系統輸送至井上，確保井下和井上的信息能夠保持一致[2]。隨著機電設備無線檢測系統的應用越來越廣泛，很多學者針對井下掘進設備、通風設備以及皮帶運輸設備開展的大量研究，也取得了很多成果。但是，卻忽視了對機車運行狀態的實時檢測，使得無線檢測系統檢測范圍不夠全面。在此，以井下機車無線檢測系統為例，探討無線檢測的機車運行檢測過程中具體應用。

1 無線檢測系統簡介

井下機車設備主要是完成人員的接送以及貨物運輸，機車運行的安全性對于煤礦安全生產有很大影響。不過，由于以往人們不太重視對機車設備的檢測，導致煤礦中很多機車均未能安裝速度檢測以及報警裝置，調度中心同樣也不能及時獲取到井下機車實時運行狀態。所以，在此提出基于無線通信技術以及RFID技術的機車檢測系統，以實現機車運行狀態的本地現實以及預警功能，滿足礦井遠程監控的實際要求[3]。

機車無線檢測系統包含有機車車載終端裝置、巷道基站裝置以及監控中心，這三個部分采用ZigBee網絡通信方式。機車車載終端設備能夠實時的檢測機車運行速度，并且還能夠讀取巷道之中限速點標簽數據，和目前機車運行速率加以比較，若是存在超速問題則進行聲光預警，并且機車車載裝置還可以將獲得實施信息傳輸到基站之中，再經由基站傳輸至地面監控中心。

2 機車車載終端

2.1 車載終端的測速原理

機車之上安裝有霍爾傳感器裝置以及LED顯示屏，可以在線實時顯示機車實際運行速率，在出現超速問題情況下還能夠實現語音報警[4]。系統CPU型號為STM32F106，CUP裝置能夠在線實時獲取霍爾傳感裝置收集的信息，再利用計時轉換計算得到機車目前運行速率，計算公式如下：

V=N·2πR/(N0·S)

上式之中：V代表的是機車速率，m/s;

N代表的是傳感裝置計數信號；

N0代表的是一圈之中所安裝的傳感裝置數量；

R代表的是機車車輪半徑值，m；

S代表的是時間，s。

2.2 終端設備具體功能

終端設備能夠將收集的數據信息經過一定處理之后輸送到顯示裝置之中，并且還可以借助于ZigBee無線傳輸模塊將數據傳輸至監控中心，信息傳輸流程示意圖如圖1所示。

在機車運行階段，利用非接觸式讀卡裝置對巷道之中設置的無線電子標簽信息進行讀取，并且將所讀取信息和儲存在Flash之中信息加以比較分析，若是出現超速問題則進行聲光報警，確保機車駕駛人員能夠及時的將速率減小至安全速率范圍之中，以確保機車中乘客安全性。

圖1 信息傳輸流程示意圖

2.3 終端設備硬件選型

在進行速度測量過程中，選用的裝置是型號為GUC120本安型接近開關，此種元件多是應用在一些運動目標位置檢測之中，若是運動裝置上磁鋼由某一方向通過情況下，則接近開關輸出觸電會出現閉合動作，也會一直保持閉合狀態[5]。接近開關和磁鋼配合應用，磁鋼則安裝于被檢測物體之上，在磁鋼往返經過接近開關時，便能夠驅動開關進行工作，在相同運動軌跡之中，不同檢測位置開關僅僅需要一個磁鋼便可。

3 巷道基站

以調度中心作為中心，向兩邊方向逐漸延伸，間隔200m距離設置ZigBee無線網絡基站，級聯傳輸數據。一些要求要限速地點，則懸掛上無線電子標簽。工作流程如圖2所示。

圖2 巷道基站級聯示意圖

（1）供電裝置。巷道之中所設置的基站供電電壓為24 V，就地取127V電壓利用開關電源將電壓轉變為24 V，以直流形式完成輸出，用于巷道之中機電的供電。

（2）限速點設置。在限速點位置懸掛上無線電子標簽，若是機車設備途徑限速位置，機車上安裝的讀卡裝置便能夠讀取無線電子標簽中限速信息。

4 監控中心

在監控中心之中，能夠實時地顯示出井下機車真實運行速率，若是出現超速現象，還能夠及時報警，并且，可以在系統中實時查詢機車超速信息。

（1）無線檢測系統能夠把機車速率信息及時的傳輸到監控中心，便于管理人員及時了解井下機車具體運行速率以及所處位置。同時還能夠實時顯示車號，能夠讓監控中心的人員更為直觀掌握機車運行狀態。

（2）在調度中心上位機之中能夠同時顯示井下機車超速速率值、機車具體位置、超速事件發生具體位置、超速事件具體時間等多個信息。若是井下機車設備發生超速問題，將會出現語音報警，要是井下機車超速時間超出6s，則超速信息會別傳輸到調度中心上位機中，在顯示設備上這些信息均能夠直觀觀察到，更加有利于管理人員了解機車運行情況[6]。

在監控中心之中包含有時鐘功能模塊、ZigBee功能模塊、語音功能模塊、顯示功能模塊以及數據儲存功能模塊等，具體工作流程如圖3所示。

在時鐘功能模塊之中能夠提供給系統具體時間，由于礦井生產過程中，每天均要開展拉閘測試工作，所以，常常發生開電以及關電操作，因此，便要求無線檢測系統之中應當另外設置一組紐扣電池，這樣才能保證在斷電階段時鐘功能模塊不會受到影響，從而確保系統獲取的時間信息更為精準與可靠。

ZigBee無線模塊能夠接收由機車車載設備所傳輸的檢測信息，其中包含有車載終端檢測到的超速信號以及速度信息，這些信號均會被輸送至LED屏幕之中顯示出來。若是出現了超速問題，此時語言功能模塊則會發出語音警報[7]。

Flash儲存裝置則可以將機車車載裝置所檢測到的超速信息儲存起來，其所儲存的超速信息包含有機車超速事件具體發生時間、超速事件發生地點以及速率值等。另外，系統之中還設置有USB數據接口，通過此接口能夠讓外部設備下載相關數據信息，同時還能夠利用這一接口完成系統軟件的更新。

圖3 監控中心工作流程示意圖

圖4 終端軟件工作流程圖

5 軟件設計

無線檢測系統的軟件包含有機車車載終端軟件以及監控中心軟件。在軟件設計過程中，應用的是Micrium公司開發的μC/OSⅡ嵌入式操作系統，該操作系統屬于基于優先級別的搶占式、多任務以及實時的操作系統，其具備實時內核功能、任務管理功能、時間管理功能、任務間通信同步功能和內存管理功能等等，確保了實時應用程序設計工作更為簡單。

（1）終端軟件的設計。在終端軟件之中需要完成初始化工作以及任務創建工作。在對機車運行速率進行計算的工程中，其是以單位時間之中計數個數值，與機車輪軌的周長值相乘，然后得出機車實時運行速率，并完成本地現實任務，還會將檢測到的數據信息傳輸至監控中心之中[8]。終端軟件工作流程如圖4所示。

(2)監控中心軟件的設計。監控中心主要是工作時接收來自ZigBee無線網絡所傳輸的串口數據信息，將所接收的數據信息依照相關協議加以解析之后，和時鐘數據依據特定方式進行組合處理，最后這些處理后的信息被輸送至LED顯示設備之中。

6 結語

井下機車是井下運輸系統中重要的組成，其肩負著運輸井下作業人員以及物質的重要任務，同時也是保障煤礦安全開采工作的重要內容。無線檢測系統在井下機車設備之中的應用，為保障機車設備安全、高效運行提供了有利條件。煤礦管理人員應當重視對井下機電設備的無線檢測系統構建，也不能忽視了井下機車無線檢測系統的開發與應用，這樣才能確保煤礦運輸系統的安全性，為煤礦安全生產提供可靠保障。