基于Zigbee 的采煤機運行參數監測系統設計與研究

劉 宏

（西山煤電西銘礦機電科， 山西 太原 030052）

引言

受井下惡劣工作環境及復雜地質情況的影響，采煤機在運行過程中其電氣系統、截割部及牽引部等重要部分極易出現液壓漏損、油溫升高、軸承損毀等異常及故障，嚴重影響井下煤炭開采效率及安全性。因此通過建立監控系統對采煤機運行狀態進行實時監測，可及時發現采煤機異常狀態，從而排查故障及事故隱患，對于提高井下生產效率及安全性具有重要意義[1-3]。

目前國內針對采煤機的運行監控系統大多采用RS232、RS485 及CAN 總線等有線通信方式對采煤機監測數據進行傳輸，由于井下環境惡劣，有線監測在布線方面會耗費大量時間及人力，且電纜極易發生破損甚至斷裂，造成信號中斷。同時有線方式靈活性較差，系統擴展難度大，數據的傳輸距離、容量及速度均受到限制，造成監測系統性能較差，無法滿足目前機械自動化煤礦對采煤機的監測要求。針對采煤機有線監控系統存在的上述不足，本文在有線通信的基礎上采用Zigbee 無線通信技術對監測系統的通信網絡進行重新架構，利用多個Zigbee 節點對采煤機運行數據進行采集，最終通過CAN 總線與地面監控上位機實現通信，有效縮短了有線傳輸距離，大大提高了系統的靈活性及數據傳輸的速度和容量。

1 系統設計總體方案

1.1 采煤機監測方案確定

目前針對采煤機運行狀態的監測方案可大致分為離線定期監測、在線監測離線數據處理及自動遠程在線監測三類，其中前兩種方案由于實時性較差，無法做到及時掌握采煤機運行狀態及故障預測。自動遠程在線監測系統作為目前的主流監測手段，其性能主要與通信網絡的傳輸容量、效率及可靠性緊密相關。為了進一步提高通信網絡的效率及可靠性，本文選擇區別于傳統光纖以太網、CAN 總線等有線通信方式的Zigbee 無線通信協議對系統通信網絡進行架構。

Zigbee 無線網絡主要由若干個Zigbee 節點構成，其網絡拓撲結構按照連接方式的不同可分為星型結構、樹型結構及網狀結構三大類[4-6]，如圖1 所示。系統通信網絡結構的選擇需按照系統監測對象的數量及類型進一步確定。

圖1 Zigbee 通信網絡拓撲結構圖

采煤機主要由截割部、牽引部、電氣部、液壓部等組成，具體組成結構如圖2 所示。

圖2 采煤機基本結構圖（單位：mm）

作為采煤機四個主要部件，其常見故障集中于截割部及牽引部齒輪、軸承振動磨損、斷裂為主的機械故障，電氣部截割及牽引電機溫度過高及堵轉、電磁閥電流異常為主的電氣故障，液壓部油溫過高、油壓異常為主的液壓故障。因此監測系統的主要監測點應設置為上述易故障處，系統具體監測點設置如下頁表1 所示。

由表1 系統監測對象及監測參數的設置可知，本監測系統的規模較小，且通信網絡的傳輸距離通常≤15 m，出于方便管理及經濟性考慮，根據三種Zigbee網絡拓撲結構的特點，本文最終選擇星型拓撲結構對監測系統的Zigbee 通信網絡進行架構[7-8]。

表1 系統監測對象及監測參數設置

1.2 系統架構

本文采用有線+無線組合通信模式對監測系統的通信網絡進行架構，整個系統按功能模塊可劃分為上位機監控模塊、CAN 總線通信模塊、單片機主控模Zigbee 無線通信模塊及參數采集模塊等部分，系統總體結構如圖3 所示。

圖3 采煤機遠程監測系統總體結構圖

系統各功能模塊按照位置不同可分為井上及井下兩部分，系統井下部分主要由參數采集模塊、Zigbee無線通信網絡及CAN 總線節點構成。由于監測系統采用星型Zigbee 拓撲結構，因此整個無線通信網絡不包含路由器節點，協調器節點作為通信網絡的中心用于匯聚各終端設備節點的運行參數數據，并與上位機通過CAN 總線方式進行數據交互。參數采集模塊作為無線網絡中的終端設備節點，可對采煤機的電機振動、油箱油溫、電機電壓電流等主要運行參數進行實時采集。為了保證數據傳輸的可靠性，系統采用兩條CAN 總線通信通道分別用于上位機控制指令下達及下位機運行參數上傳，Zigbee 無線通信網絡傳輸井下各類數據及指令，通過該組合通信模式可有效提高監測系統的傳輸距離及靈活性。

2 硬件方案設計

本監測系統的硬件設計內容主要包括對單片機主控模塊、參數采集模塊及Zigbee 無線通信模塊的選型及設計。其中CAN 總線通信模塊采用集成式內置于單片機主控模塊中，參數采集模塊內部主要包含溫度、振動傳感器及電參數采集模塊三部分。

監測系統具體硬件選型設計方案如下：本文選用STM32F103C8T6 型32 位MCU 作為監控系統的主控器，STM32F103C8T6 單片機內置多達80 個快速I/O接口，程序存儲器容量為64 kB，內置3 個16 位定時器、1 個16 位PWM 高級控制定時器、2 個看門狗定時器及1 個24 位自減計數器，內部通信接口多達9個，具備2.0 主動CAN 接口及USB2.0 接口，可滿足本系統的CAN 總線通信需求，還可通過在MCU 外圍電路上增設CAN 收發器完成系統的CAN 總線通信，組網方式較為靈活。

Zigbee 無線通信網絡是監測系統的架構基礎，因此選用性能優良、可靠性高的無線通信模塊對于系統的功能實現至關重要。本文選用WLT2408NZ 型Zigbee 無線通信模塊實現Zigbee 通信網絡，WLT2408NZ 模塊的數據傳輸距離可達500 m，無線傳輸速率可達1 Mbit/s，其發送峰值功耗和接收功耗分別為0.11 W 和0.078 W，功耗極低。WLT2408NZ 采用串口三線制與MCU 直接相連，工作時無需任何外圍器件，模塊內嵌Zigbee 透傳協議，可支持本系統的星型拓撲結構，滿足本系統的無線通信組網需求。

數據采集模塊主要由溫度傳感器、針對傳感器及電參數采集單元組成，本文選用PT100 型鉑熱溫度傳感器對采煤機油箱內部溫度進行監測，PT100 的測溫范圍為0～1 200 ℃，基本誤差（FS）≤0.5%，可輸出4～20 mA 及0～5/10 V 標準信號。振動傳感器的選型型號為KH-HZD，其可測量振幅寬度為0～50 mm/s，最大可測加速度10g，其測量靈敏度可穩定維持于20 mV/（mm·s）×（1±5%），可滿足本系統對采煤機主要傳動機構齒輪及軸承的振動量測量。在采煤機電機功率、電壓電流等監測方面，本文選用ZH-40243 型電參數采集模塊對上述電參數進行采集，ZH-40243 采用24路同步采樣獨立A/D，其電流量程為AC0～5/10 A，電壓量程為AC0～10/500 V，測量精度（FS）等級可達0.5%FS，滿足本系統電參數監測需求。

3 軟件方案設計

由于本文所設計的采煤機遠程監控系統的通信網絡采用星型Zigbee 無線傳輸，因此系統軟件方案的設計重點是協調器節點及終端設備節點的無線通信程序設計。本系統中的協調器節點主要負責接收來自各終端設備節點所采集的采煤機運行參數，并上傳至主控模塊的CAN 總線通信模塊中實現數據向上位機的實時傳輸。同時協調器節點還負責接收并下達來自CAN 節點的控制指令，協調器節點程序運行流程如圖4 所示。

圖4 協調器節點程序流程圖

終端設備節點通信程序的主要功能是建立與協調器節點間的連接，在成功進入無線網絡后將參數采集模塊所采集的采煤機各項運行參數實時上傳，相應程序流程如圖5 所示。

圖5 終端設備節點程序流程圖

4 結語

本文針對傳統有線式采煤機監控系統所存在的不足，結合傳感器及Zigbee 無線通信技術對采煤機監控系統的通信網絡進行重新架構，系統采用井下Zigbee 無線數據傳輸及井上井下CAN 總線通信結構實現了對采煤機的遠程運行狀態監測及遠程控制功能，通過該通信網絡有效提高了采煤機監控系統的數據傳輸距離、傳輸容量及傳輸速率，從而進一步提高了采煤機運行監測的智能化水平。