MG200/500-WD型采煤機狀態監控系統研究

賀君鵬

(西安外事學院，陜西 西安 710077)

安全問題始終是煤礦生產環節中一個非常重要的關注領域，近年來隨著各種監控技術的不斷發展，使得煤礦開采的無人監控變得更加便利、科學[1]。采煤機是一種多用途的大型生產設備，主要集成了電氣、液壓控制、機械結構等部件，且采煤機工作環境濕度大、粉塵多，容易導致設備出現各類故障。一旦設備出現故障，則會造成大面積的停工停產，從而產生比較嚴重的經濟損失[2]。

采煤機工作時承受的工作載荷也比較復雜，由于采煤機需要不斷前行，同時其截割臂上的截割頭會做旋轉運動，不同的運動綜合作用于采煤機機身，加之在采煤過程中巖層對設備所產生的沖擊載荷，都容易導致設備產生故障。監控系統可以提前發現潛在的故障，減小萬一發生故障帶來的危害，同時降低了井下作業人員的工作強度。對采煤機狀態的安全監控對提高煤礦的安全生產以及人員安全具有重要意義[3-4]。為此，在分析采煤機中監控系統當前現狀基礎上，以MG200/500-WD型采煤機為分析對象，開展了采煤機中監控系統的總體設計及關鍵分系統研究，并將此監控系統進行實際應用測試，可知該監控系統運行正常，達到了預期效果，提高采煤機的運行效率及安全性。研究對進一步提高采煤機的工作效率及作業安全性，減少井下人員的勞動強度具有重要作用，推動了井下智能化礦山升級改造的發展。

1 采煤機狀態監測研究現狀分析

國內對于采煤機的狀態監控等方面的研究相較于國外仍有較大的差距，國外由于監控系統的研究起步較早，其中有幾家具有代表性的企業如德國的BMT公司以及Mickhof公司、美國的TOSY公司以及英國的Airdox公司都有自己典型的監控應用系統。在歐洲工業革命開始后，人類加大了對煤礦的開采，煤礦對采煤機的需求量也在不斷增加，而煤礦的安全事故也時有發生，這就提高了人們對于監控系統的重視[5]。

國內的采煤機監控系統的研究一般由一些高校與企業聯合開發而來，如中國礦業大學研究設計的以DFS為核心的采煤機動態監測系統，主要是通過采煤機上的振動信號來識別設備的狀態，系統提高了設備監控能力，但是仍然具有較大的不準確性，需要人工憑經驗去判斷和識別。之后采煤機監控系統不斷發展，在總結了采煤機常見故障的基礎上，結合故障診斷與疲勞壽命理論，使得監控系統也日趨完善。但由于井下環境惡劣，常常導致監控系統的信號傳輸質量受到影響，給設備的監控帶來了諸多不便[6]。

2 監測系統總體方案設計

安全監控對于保護井下作業人員以及設備的安全具有重要意義，采煤機是一種綜合性的大型機械設備，在重載以及井下環境中容易產生故障。因此，對于采煤機設備狀態的監控可以有效降低設備故障率，為企業的安全高效生產提供重要保障[7]。

2.1 狀態監測系統設計原則

采煤機監控系統的設計原則是監控系統構建的基礎原則，任何子系統以及軟硬件的設計都需要圍繞著其設計原則來開展，由此極大地提高設計效率。監控系統的硬件模塊是系統中非常重要的部件，其設計需考慮如下幾點：硬件模塊的體積大小、能耗高低、信號傳輸能力等方面。因為在井下作業環境中需要將硬件模塊布置到巷道內比較窄的區域，功耗低其工作時間就長，信號傳輸距離越長越能適應井下環境。硬件模塊的可擴展性，因系統可能在后期增加其他功能模塊。

2.2 系統總體方案設計

監控系統由于需在上位機上對采煤機進行實時監控，并可在遠程對其進行控制，這就要求監控系統界面直觀、性能穩定，通信能力良好，通過通信系統綜合連接各項硬件設備，由此設計出了監控系統的總體結構設計方案，如圖1所示。

圖1 監控系統總體結構設計Fig.1 Overall structure design of monitoring system

整套系統主要采煤機地面監控分系統、采煤機巷道監控系統、采煤機機載監控系統等組成；在采煤機機載監控系統中，設置了各類溫度傳感器、角度傳感器、速度傳感器等部分，通過各類傳感器將采集的數據傳輸至機載控制器中的輸入模塊進行數據的分析、計算及處理等，利用輸出模塊將處理信號傳輸至終端的各類電磁閥執行單元，完成相關動作的執行操作。監控系統的重要功能就是將采煤機的實時工況參數傳輸到井上的控制計算機中，機載PC1上安裝有數據采集程序，可直接采集采煤機的狀態參數，信號經過A/D轉換后，由ZigBee無線通信模塊傳輸。信號的傳輸可能會經過若干路ZigBee來傳輸，最后由總線傳遞到CAN節點1之后，再通過通信通道將數據傳遞給CAN節點2，最后傳遞給地面控制計算機。

3 監測系統硬件設計

監控系統由多種硬件組成，現對監控系統中的主要硬件如通信網關模塊、ZigBee信號傳輸模塊、存儲器設計等硬件的結構設計進行簡要介紹。

3.1 網關模塊硬件設計

網關模塊的主要功能是接收整個監控系統所采集的數據，并將其進行轉化、處理、存儲，最后通過CAN總線發送到監控分站。網關模塊主要由STM32F103RCT6型微處理器、信號處理微型芯片、CAN收發器、CAN總線接口等，而微處理器則選擇了STM-CT6型微處理器以及CC2530芯片等硬件。電源電路模塊通過輸出電源，保證了微型處理器的正常運行，信號經過分析處理后通過CAN收發器及總線接口，將信號實時輸出；另外，分析處理后的數據信息通過CH376、CC2530轉換模塊，輸出至外部存儲器中進行數據保存。網關模塊的硬件結構如圖2所示[8]。

圖2 網關模塊硬件結構Fig.2 Hardware structure of gateway module

3.2 ZigBee網絡模塊

ZigBee模塊節點的功能主要負責信號的接收與發送，這種節點的無線發射功率大且接收信號的靈敏度比較高，通信傳輸距離較長，適用于煤礦井下通信使用。ZigBee模塊采用的是CC2530芯片，該型芯片是專門用于信號采集與發送的單芯片，該芯片具有高頻收發器、低成本、內存較大、可拓展性強等特點。

3.3 天線及巴倫匹配電路

監控系統在運行過程中會受到外部信號的干擾及自身元器件的影響，導致較多信號指標無法達到設計要求。為此，設計了一套天線及巴倫匹配電路，通過此電路可有效解決系統中的射頻通路指標較大、通信距離短、系統功耗高等問題，提高了整個監控系統的運行精度。在該電路中設計了C10、C11、C13等電容元器件，L3、L4等電感器件，通過各電氣元件之間的串聯及并聯，在天線與電纜之間的形成了一個不平衡轉換器，能將流入電纜屏蔽層外部的無線電流進行截斷和去除，避免了外部的電路信號對電纜內部的傳輸信號造成影響。天線及巴倫匹配電路的電路如圖3所示。

圖3 天線及巴倫匹配電路Fig.3 Antenna and balun matching circuit

3.3 存儲器設計

存儲器主要負責收集存儲系統臨時產生的數據，為系統的數據傳輸提供安全保障，本系統連接外部存儲的芯片采用CH376，該芯片處理器具有較好的存儲功能，可提供12 MHz的SPI通信接口以及最高3 Mb/s速度的異步串口[9]。

3.4 JTAG程序下載電路設計

JTAG程序下載電路是實現監控系統中各數據信息實時傳輸下載的重要分電路，故在設計此電路時，燒錄口選擇了市場上成熟的Header 10X2下載處理模塊，該模塊中包含了20個信號接口，可分析與外部的輸入信號進行通信連接，經過分析處理后，在將需要下載的信號命令發送至下一個執行模塊。整個電路采用了DC3V供電操作，在電路中也預留了STM32F103RCT6調試接口，可保證此電路與JTAG及J-link仿真器進行通信連接；同時，內部采用了JTAG掃描方式，減少了對下載目標的存儲操作，也減少了存儲器，優化了目標系統的輸出端口。 JTAG程序下載電路如圖4所示。

圖4 JTAG程序下載電路Fig.4 JTAG program download circuit

3.5 CAN總線通信結構

系統中CAN總線模塊有2個節點，包括CAN-high和CAN-Low，其中1個節點與ZigBee模塊相連，方便數據的傳輸，另外一個節點是與監控系統的上位機相連，負責對上位機信號的輸入與輸出。CAN控制器利用2個節點上的電網差來顯示信號的顯示或隱性情況，并在其起止端設置了1個120 Ω的終端電阻，以減少信號傳輸過程出現的回波反射現象。CAN總線結構設計如圖5所示。利用此CNA總線能有效保證整個監控系統中信號的高速傳輸及穩定性，避免信號受到外部干擾。

圖5 CAN總線結構設計Fig.5 Structure design of CAN bus

3.6 電源電路設計

電源是保證整個監控系統的采煤機監控系統正常運行的關鍵電路，設計了1個穩壓HT7533芯片，內部通過1個CMOS技術來實現三端低功能的電壓轉換，同時能輸出較低電壓輸出和較低電流輸出，HT7533芯片內部輸出電流一般為100 mA，最高輸出電壓可達30 V，最低電壓能降至2.1 V。整個電源電路中也匹配設計了多個電容，電路中也預留了USB接口，外部的獨立電源能通過此USB接口對電源電路進行供電。通過此電源電路能為整個監控系統中的相關電氣元件提供正常所需的工作電壓，包括3.3、5、12、24 V等，保證了系統正常運行。整個電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路Fig.6 Power circuit

4 監控系統軟件設計

4.1 上位機系統LabVIEW總體設計

本套監控系統中共有2個地方使用到了PC機，1個是井下機載PC機，該控制計算機功能相對比較簡單，主要負責井下采煤機的數據狀態的采集；另外1臺PC機則是地面中央控制計算機，該計算機是控制系統的中樞單位，負責顯示設備的狀態信息，同時可在計算機上遠程對采煤機進行控制[10]。

本系統中上位機系統的設計基于LabVIEW軟件進行開發的，LabVIEW同樣是基于C語言開發而來，但是它與其他的計算機設計語言有明顯的區別，LabVIEW使用的是基于圖形化的編輯語言來寫程序，并可將各條程序之間的相互關系表示得清清楚楚，極大地降低了計算機語言編程的難度，整個程序直觀顯示，方便學習掌握。LabVIEW總體結構設計如圖7所示。

圖7 上位機系統LabVIEW總體設計Fig.7 Overall design of upper computer system LabVIEW

4.2 協調器節點程序設計

在此軟件分系統中，協調器節點是整個監控系統中ZigBee網絡中的組織者，負責建立起整個網絡系統，并對ZigBee網絡網絡進行管理及信號匹配，利用內部接收模塊實現對終端節點信號的接收[11]。系統運行后，協調器節點上電，開始對ZigBee網絡網絡系統中的通信模塊、時鐘模塊、存儲模塊、電源模塊等進行硬件和協議棧的初始化操作，在檢測合格后，開始建立整個網絡系統，之后進行系統的查詢狀態，在判斷網絡組建完成后，程序進行等待狀態，并判斷是否運行其他節點的進入，在同意其他節點加入后，開始進行節點物理地址的分配，各地址最后發送至路由節點中，執行下一步信號傳輸操作，由此完成整個ZigBee網絡網絡的組建及信號傳輸。協調器節點程序如圖8所示。

圖8 協調器電路Fig.8 Coordinator circuit

4.3 路由節點程序設計

為保證此監控系統具有更長的通信距離，在系統中設置了1個通信的中繼器路由節點，通過此節點可實現數據的中間轉換和延長通信距離。在實際運行過程中，通過路由節點上的硬件及協議棧的初始化操作進行網絡搜索，當搜索到相應網絡后，即可將其輸入至協調器中進行申請，若同意進入網絡，則將信號數據直接傳輸至協調器和終端節點，終端節點的信息則最后發送至路由節點中，實現整個監控系統中數據的中轉和傳輸，路由節點中信號傳輸流程如圖9所示。

圖9 路由節點中信號傳輸流程Fig.9 Signal transmission process in routing node

5 實驗調試測試

對系統的各項功能進行模擬測試是檢驗一套系統設計是否合理以及功能是否符合設計要求的重要手段，在各項系統設計好后需對子系統進行測試與評估，由于篇幅所限在此只對通信模塊以及系統總體測試做簡要描述。

5.1 ZigBee模塊通信測試

首先需要搭建起通信測試實驗平臺，準備的硬件設備包括ZigBee模塊、電源、GWSD/100型傳感器、計算機、SD存儲卡等。測試2個ZigBee模塊在不同距離下信號傳遞情況，需滿足設計要求即300 m范圍內可高質量傳遞信號，無丟包現象。將其中1個ZigBee模塊與微處理器相連接，另外1個ZigBee模塊通過USB數據接收線與中央控制計算機進行連接。然后將傳感器監測到的溫度信息進行無線傳輸，并測試2個ZigBee模塊數據傳輸能力。將每次測試的數據結果做好詳細的記錄，移動ZigBee模塊模塊的距離重復實驗多次，驗證ZigBee模塊的信號傳輸能力，并計算其信號傳輸過程中的丟包率。測試實驗結果表明所選ZigBee模塊達到設計目標。

5.2 系統總體測試

采煤機監控系統的總體測試是系統測試的最后一步，在各項子系統都連接好的情況下，測試主要包括2個步驟：①由傳感器采集設備的信號經過無線通信網絡傳遞至中央控制計算機；②由中央控制計算機對井下控制系統發出指令，最后測試結果顯示采煤機監控系統總體性能達到了設計目標，可以提高井下采煤機的有效監控。

6 結論

針對目前采煤機監控系統存在不穩定、測量精度低、信號傳輸質量差等問題，根據現有的某采煤機的應用特點，結合目前較為先進的CAN總線與ZigBee通信模塊技術，設計出了一套采煤機狀態監控系統。對監控系統的總體結構設計與軟件設計、硬件設計等進行了較為詳細的介紹，然后對搭建好的監控系統進行了測試。測試內容包括模塊的分別測試以及監控系統的整體測試。測試結果表明，該監控系統具有遠程查看、控制采煤機狀態的能力，達到了監控系統的設計目標，對煤礦安全生產具有重要理論意義。