采煤機電氣運行數據獲取系統的應用研究

武棟棟

（華陽一礦機電工區信息中心， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機作為煤礦開采中的關鍵設備，已廣泛應用于各大煤礦，且整體裝機量呈逐年增加趨勢。由于井下環境惡劣，加上煤礦開采過程中所遇到的煤層硬度具有較大波動性，致使當前所設計的采煤機裝機功率越來越大，電氣控制系統也更加復雜，這也增加了采煤機運行時的故障率[1]。若采煤機運行時出現了電氣故障，并且故障難以排除，將嚴重影響采煤機的工作效率及井下作業安全[2]。因此，根據采煤機的結構特點，開展了采煤機設備電氣運行數據獲取系統的總體方案設計及關鍵模塊研究，通過采煤機的現場應用驗證了該系統的可靠性，具有重要的實際應用及推廣價值。

1 采煤機結構特點分析

目前市場上應用較為成熟的采煤機包括電動牽引式、液壓式和滾筒式等結構類型，割煤方式包括單向割煤和雙向割煤。采煤機結構組成基本相同，包括截割部、電動機、牽引部、滾筒、搖臂、滑靴、調高油缸、牽引鏈和減速器等部分，通過各部件的相互配合，實現對井下多種厚度及硬度煤層的開采作業[3]。其中，電氣控制部分是整個采煤機的關鍵部分，而且采煤機的電氣控制系統相對復雜，基本是基于CAN 總線及RS232 接口進行信號通信，并能將數據傳輸至上機位中。但在實際運行時存在采煤機電氣數據獲取的速度較慢、數據準確率較低和數據存儲量較小等問題，且數據傳輸過程中也經常出現信號失真、干擾信號較多等，導致所處理的信號準確性相對較差，無法對采煤機運行參數及狀態進行實時顯示[4]。因此，設計一套自動化程度更高、精度更好的數據獲取系統，提高采煤機運行狀態的實時監控性能，已成為當前提升采煤機綜合性能的重要發展方向。

2 采煤機電氣運行數據獲取系統總體設計

鑒于采煤機實際結構復雜，內部電氣數據較多，故設計了一套電氣運行數據獲取系統，主要負責對整個采煤機中電氣數據進行實時獲取、運算及故障診斷，以確保整個采煤機運行過程中的電氣安全。所設計的控制系統包括采用了ZigBee 無線傳感器網絡、網關部分和上機位等部分，處理器則選用了西門子的S7-300 型PLC 控制器進行控制，采用了CAN 總線方式及RS485 通信接口進行數據傳輸[5]。底層的信號獲取元件配備了電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器等，并與ZigBee 無線傳感器網絡進行連接，能實時對采煤機的運行參數進行采集，通過無線網絡方式在基站節點處進行匯聚。而ZigBee 無線傳感器網絡則負責協調及建立維護整個系統網絡，并將數據發送至ZigBee 協調器中進行數據的匯總、處理，最后經過GPRS 網關模塊，把數據傳輸至指定的上機位中，全面完成對采煤機電氣數據的實時顯示及故障診斷。上機位中設計了觸屏式液晶顯示功能、數據處理及存儲功能等，所設計的采煤機電氣運行數據獲取系統總體框架圖如下頁圖1 所示。

圖1 采煤機電氣運行數據獲取系統總體框架

3 診斷系統關鍵部分設計

3.1 GPRS 網關模塊設計

為實現對采煤機作業位置的實時監控，需在數據獲取系統中設計一套ZigBee-GPRS 網關模塊。GPRS網關模塊主要以現有成熟的GSM 模塊為設計基礎，由電平轉換、CPU 和無線射頻等部分組成，如下頁圖2 所示。

圖2 ZigBee-GPRS 網關模塊結構框架

整個模塊采用封裝方式進行端到端的廣域無線IP 連接，其核心模塊選用了SIM900A 模塊，SIM900A模塊采用雙頻GSM 模塊EGSM900 MHz 和DCS1800 MHz，具有利用率高、接入時間短、傳輸速率快等優勢，能支持GPRS CLASS8 和GPRS 編碼格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4 等[6]。同時，該模塊還包括天線接口電路、卡槽電路、串口電路及供電電源等部分，能以NetLight 信號作為驅動信號，使得LED 進行閃爍提示，以實現對GPRS 模塊工作狀態的實時提示。

3.2 Zstack 協議棧設計

Zstack 協議棧設計主要負責解決系統中的通信問題，包括了物流層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡層（TL）及應用層（APL）等部分，其內部采用了基于優先級的輪詢式OSAL 操作系統，能提供時間管理、任務同步、任務管理、電源管理和內存管理等做多方面的管理服務，整個協議棧的運行必須依靠此OSAL 操作系統方可正常運行，能根據任務的優先級情況逐級向下，對系統中各個任務事件情況進行查詢，若有情況發生，則執行相應的運算函數。若沒有，則繼續循環查詢。最終，經過此協議棧后，向終端輸出安全服務信息。整個Zstack 協議棧的框架圖如圖3 所示。

圖3 Zstack 協議棧框架

3.3 協調器電路設計

協調器主要負責整個數據獲取系統的正常運行及維護，在其運行過程中，需保證整個ZigBee 協調器能持續供電和作業，故設計了協調器電路。整個協調器所采用的電壓為DC3.3 V，主要通過井下的DC18 V本安電源，經過整流器和濾波電路的轉換后，直接將電壓輸入LM7805 芯片中，在芯片中又將電壓轉換為DC5 V，經過MAX1675 穩壓后，最后在濾波電路的作用下降電壓轉換為協調器所需的DC3.3 V。整個電路中的濾波元件選用了電容部件，并在整流電路的輸出端并聯一個電容，即可實現整個電路的充放電及電壓轉換作用。另外，采用了PL2303 芯片來將串口數據轉換USB 串口，以實現對多數據的導入輸出作用。協調器電路圖如圖4 所示。

圖4 協調器電路圖

4 數據采集系統應用評價

在完成采煤機電氣數據獲取系統的總體設計后，為掌握整套系統的運行性能及功能特點，將其集成在采煤機中進行了實際的運行測試。在測試過程中，系統的各項功能運行良好，自動化程度較高，所獲取的數據準確性較好，基本未出現數據錯誤及誤報現象。系統中GPRS 模塊中的接收信號強度相對較高，在70m范圍的丟包率僅為10%。針對所采集的相關數據，該系統能通過內部的高效運行能力進行數據的分析、處理及判斷。針對采煤機運行時出現的故障，也能在顯示界面中顯示故障位置，并發出故障報警提示，工作人員可通過故障顯示內容快速對采煤機進行故障排查及維修操作。整套系統的各項功能基本達到了設計要求，具有一定的可行性。