MG500/1300 型采煤機電氣部件運行狀態(tài)感知系統(tǒng)的設計

祁冬元

（陽泉市南莊煤炭集團有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在煤礦行業(yè)，MG500/1300 型采煤機以其獨有的優(yōu)勢得到了很大范圍的應用。該種型號采煤機的運行功率很大，電機在運行過程中需要承受很大的載荷[1-2]，在正常工作時，會遇到各種沖擊和阻礙，導致電機輸出負荷非常不穩(wěn)定，容易引發(fā)各種故障問題，比如短路故障等[3-4]。大量的實踐經驗表明，采煤機所有的故障類型中，電氣部件故障出現頻率較高，因此，設計研究電氣部件運行數據感知系統(tǒng)，以有效保障電氣部件的安全運行。

1 采煤機電氣部件運行狀態(tài)感知系統(tǒng)的總體設計

準確獲取采煤機電氣部件在工作過程中的運行工作狀態(tài)數據信息，是判斷電氣部件運行狀態(tài)是否存在故障問題的重要依據。因此，如何獲知MG500/1300 型號采煤機電氣部件運行數據是非常重要的問題。以電機為例，需要獲得的數據信息主要包括電機運行過程中的電壓值、電流值以及溫度值，可以基于這些數據信息判斷電機的工作狀態(tài)。綜合考慮多方面情況，本文基于ZigBee 和GPRS 無線傳輸技術來建立電氣部件運行數據感知系統(tǒng)。如圖1所示為采煤機電氣部件運行數據感知系統(tǒng)結構圖，ZigBee 網絡、網關以及上位機是系統(tǒng)的三大主要構成部分。

電氣部件運行中產生的數據通過專業(yè)傳感器收集，所有的傳感器直接和ZigBee 終端直接連接，無線傳輸網絡通過ZigBee 協調器來建立并維護，終端在獲得數據后通過無線傳輸網絡將其傳輸給協調器，協調器將收集得到的數據信息進行整理打包后利用GPRS 網關模塊以及網絡傳輸到上位機中。數據的存儲、分析以及顯示全部在上位機中完成。

圖1 采煤機電氣部件運行數據感知系統(tǒng)結構圖

2 采煤機電氣部件運行狀態(tài)感知系統(tǒng)硬件的設計

2.1 ZigBee 模塊

當前階段市場上有很多ZigBee 芯片可供選用，本研究在充分考慮實際情況的基礎上，最終選擇CC2530 型號的芯片。ZigBee 模塊主要包含兩部分，分別為路由器部分和協調器部分。而路由器部分又由傳感器以及終端部分構成，主要實現電氣部件運行過程數據信息的采集，并將數據信息傳輸到協調器部分。ZigBee 路由器通過電池進行供電。協調器是整個系統(tǒng)的中心，負責接收路由器傳輸過來的數據，并將其傳輸到上位機中，必須保證該部分運行的穩(wěn)定性和安全性。因此，需要設計專門的電源對其持續(xù)供電。路由器和協調器兩者的硬件電路設計基本相同，存在兩處不同之處：供電方式不同、數據采集接口存在差異。

2.2 網關模塊

本系統(tǒng)基于GPRS 無線傳輸技術對相關數據信息進行整理并傳輸?；谀壳暗募夹g，GPRS 移動網絡的傳輸速度可以達到114 kbps。該項技術具備有接入時間短、傳輸速度快等顯著優(yōu)勢，本研究選用SIM1000A 型號的設備作為網關模塊的硬件，該設備具備有兩個工作頻段，分別為DCS2000MHz 和EGSM1000MHz，見下頁圖2。電平轉換部分選用MAX232 型號的芯片，該芯片和GPRS 模塊進行直接連接，主要作用是對信號進行轉換，具體而言是將ZigBee 模塊中輸出的電平信號轉換成為TTL 的電平信號。GPRS 網關模塊由多個部分構成，主要包括供電、串口、接口和卡槽電路。

圖2 ZigBee-GPRS 網關框架圖

2.3 外部實時時鐘

系統(tǒng)在運行過程中，要求對采煤機電氣部件的運行狀態(tài)數據進行實時采集，為了確保數據信息采集的實時性，本系統(tǒng)額外添加了一個外部實時時鐘模塊。該模塊的主要作用就是為協調器部分提供精準的時鐘數據信息。外部實時時鐘模塊選用的芯片為SD2200 型號，該型號的芯片具備有I2C 總線接口功能，包含有內部晶振，確保了計時的精確性，每年的計時誤差不超過2.5 min。通過內置的電池進行供電運行，不需要額外提供電源，內置的電池能夠保證其正常運行超過5 年。如圖3 所示為SD2200 型號芯片實時時鐘的電路原理圖。

圖3 SD2200 型號芯片實時時鐘的電路原理圖

3 采煤機電氣部件運行狀態(tài)感知系統(tǒng)軟件的設計

3.1 總體程序的設計

系統(tǒng)的軟件部分通過Keil5 平臺進行開發(fā)，采用的語言為VB 語言。軟件程序實現的功能主要包括傳感器數據信息的采集、I/O 接口控制、數據信息的整理傳輸等。Keil5 平臺中已經包含有很多種函數庫，在編譯過程中可以對這些函數庫進行調用，大大簡化了編譯流程，軟件程序的運行效率也得到了顯著提升。如圖4 所示為電氣部件運行數據感知系統(tǒng)軟件設計流程，由圖中可以看出，軟件程序實現的主要功能是對傳感器采集得到的數據信息進行簡要處理并發(fā)送。

圖4 電氣部件運行數據感知系統(tǒng)軟件設計流程

3.2 上位機的設計

設計的電氣部件運行數據感知系統(tǒng)在VB 平臺上進行程序開發(fā)設計。以經常出現故障的電機為例，可以將電機在現場運行過程中的電流數據、電壓數據以及溫度數據進行采集并傳輸到上位機中，上位機可以對這些數據信息進行實時顯示并繪制曲線變化圖。同時可以對數據信息進行存儲，以備后續(xù)的查詢和研究。通過這些數據信息可以準確地判斷電氣部件運行狀態(tài)。在上位機中可以選擇顯示何種電氣部件的運行狀態(tài)數據。如圖5 所示為上位機運行界面示意圖。

圖5 上位機運行界面示意圖

4 結論

本文設計的MG500/1300 型號的采煤機電氣部件運行狀態(tài)感知系統(tǒng)，通過對運行數據信息的實時采集，判斷電氣部件的運行狀態(tài)，實現故障診斷的功能，為采煤機電氣部件的安全運行奠定了堅實的基礎。雖然本系統(tǒng)基本能夠達到設計的需要，但在實踐過程中仍然存在一些問題，需要進一步完善，如上位機的界面需要進一步優(yōu)化等。