面向采煤機械在線狀態監測系統的設計研究

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦的機械系統屬于集電氣、機械以及液壓為一體的協同，此系統的特點是規模大、系統復雜，系統在運行的過程中比較容易受到環境以及煤粉、水霧等因素的影響，并且采煤機械在使用時也會受到巖石或者煤等的沖擊，進而造成采煤機械發生軸承、系統或者液壓系統故障等情況，這一類系統故障主要體現在振動狀態以及溫度的變化，并且若出現旋轉部件壞損的情況，就會比較容易造成工傷或者二次損傷的安全事故。所以，對系統的運行狀態進行監測，能夠預防意外停機或者惡性事故發生，還可以提高設備的利用率、經濟性以及可靠性，對于降低生產成本有著非常重要的意義。旋轉型采煤機械的特點是強振動、旋轉等，對在線狀態的檢測系統有很高的要求。信息采集的線路以及有線電源因為纏繞的問題不能進行安裝，因此，其監測的系統應該采取獨立的能源供給，并使用無線數據實現相關信息收發。監測、處理并分析溫度信號以及振動，能夠對設備運行的情況進行監測，對機械設備所產生的故障來源以及類型進行識別，所有的監測信息對于機械設備的安全運行有著非常關鍵的作用。此次研究所設計的采煤機械在線狀態監測系統能夠在比較低能耗的情況下完成相關設備的監測，并且設計結構相對簡單，在較小的空間中就可以完成相應的監測任務。對于硬件設計的數據傳輸節點控制包含了電源模板、中央控制模板、數據采集模板和無線發射。

1 硬件設計

面向采煤機械在線狀態監測系統的硬件設計包含了數據采集模板設計、電源電路的設計、無線發射設計以及中央控制模板設計。

1.1 電源電路

此次研究所設計的監測系統是MSP430，其屬于單片機，工作電壓屬于低電壓進行供電，其電壓的范圍在1.8～3.6 V。電源電路的設計主要有兩個部分，振動能源采集和ASM1117 穩壓單元，其中振動能源采集主要應用的是納米發電機，其把機械振動的能量轉變為電能，并對系統進行供電；穩壓單元可以達到硬件系統對電源的相關要求，如紋波小、穩壓等。

1.2 數據采集模塊

數據采集主要包含了兩個模板，其一是對溫度數據的采集，其二是對振動數據的采集。進行溫度的數據采集主要使用DS18B20 溫度傳感器，該傳感器可通過DQ 協議來進行信息的發送或者接受，所以，在此傳感器以及微控制中間只需要連接一條線路來完成溫度測量，一條指令對應一次測量，所得結果存儲于暫存器中，用戶只要使用一條讀取的指令就能夠把暫存器中的相關數據讀取，傳感器再以數字的形式將數據輸出，這樣不僅簡單易操作，還能夠節省片上的資源。對于振動數據的采集，使用ADXL345三軸加速數字傳感器，其特點是超低能耗，該傳感器經過I2C 協議來和微控制中心實現通信，此類芯片的存儲管理可使用32 極FIFO 的緩沖器，數據讀取的過程中，該緩沖器能夠最大限度地降低主機處理器的負荷，實現降低整體功耗的目的[1]。

1.3 中央控制模塊

對電路的控制包含了復位電路、微控中心和晶振部分，其中，復位電路主要采取的是上電自復位，按照MSP430 芯片的手冊設計屬于低電平的復位。晶振有兩套時鐘機制，其一是16 MHz 有源晶振，其二是32.768 kHz 石英晶振。中央控制板塊按照系統的功耗來對相應的算法進行協調匹配，達到系統的動態能耗管理，此能耗管理的方法使得系統的循環處于待機模式以及活動模式。其中活動模式的電量消耗大概是40～50 mA，但待機的模式下，能耗只達到了大約10 μA，每一個系統的運營需求都與相應的功耗相符合，這樣的運行不僅不會影響系統的性能，還能夠大大降低系統的平均耗能[2]。

1.4 無線發射模塊

無線發射的電路主要是負責數據的傳輸，也就是和上位機通信，無線發射使用的射頻單元是基于ZigBee 協議CC2530，其支持串口通信，優勢是有很強的抗干擾性，接受信息的靈敏度非常高，其被廣泛應用在了低功耗的傳感網絡當中。MSP430 主要是經過串口給CC2530 進行數據發送，還包括了所接收的溫度信息以及三軸加速值，CC2530 再把所接收到的溫度數據以及加速值根據通信的協議進行打包之后發送[3]。

2 軟件設計

2.1 傳輸節點程序和數據采集

系統數據采集以及傳輸節點程序的相關設計有一部分是在IAR 軟件平臺來進行編譯并調試完成的。系統通電之后，最開始要實行時鐘與射頻的相關硬件初始化，在實行傳感器的初始化，并創建微控中心以及傳感器數據通道，然后開始采集數據，把所采集的相關數據使用串口發送到無線射頻，然后進入到循環的模式。進行循環的過程中，無線射頻就會把所采集到的相關數據進行打包并發送出去，循環完成之后，系統便自動進入到低耗能的模式，只有下一次的工作開始時再運行并耗能[4]。

2.2 監測報警中心程序

對于上位機的用戶界面相關軟件設計，主要是在LabVIEW 平臺的基礎之上，用戶界面可以隨時顯示監測點所發送回來的信息，還會通過曲線形式來對這些數據進行展示，如果監測到的數據超過所設定的報警值，報警燈就會從紅色變成綠色并報警。與此同時，監測報警中心還可以查看數據庫所保存下來的各階段相關數據，也可對這些數據進行管理，還能查看報表。報警中心的程序設計有主界面、數據監控、用戶登錄、警報等[5]。

此次研究中所設計的采煤機械在線監測系統主要是按照大型機械的在線監測要求來實現的，其要求是滿足獨立的能源供應，實現無線數據的收發。其中，數據采集發送主要運用的是動態功耗的管理方式，數據以及通信的傳輸是在Zig-Bee 的基礎之上實現無線傳輸，用戶可通過用戶界面來觀看機械的相關情況，如果運行的過程中出現偏差，上位機就會立即報警。通過實驗證明，此系統的數據顯示以及傳輸、功耗測試等均已達到設計的要求。此次研究的成果有助于煤炭采量的提升，在一定程度上減少安全事故的發生，提升采煤機械的智能化。

3 結論

此次研究發現，就采煤機械在線監測系統的低功耗方面還有一定的進步空間，隨著相關技術的發展以及應用，未來的采煤機械在線狀態監測系統的設計還會加入更多高科技、智能化的成分，為采煤工作打下堅實的基礎。