采煤機運行狀態監測系統的設計與應用研究

田 坤，呂兆海，陳德勇，張建超

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000； 2.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750001)

煤炭資源對人們的日常生活和社會工業生產有非常大的作用，煤炭資源的穩定供應直接關系到國民經濟發展和社會穩定[1]。采煤機是煤礦開采中關鍵的設備，其運行狀態會對采煤效率產生決定性的影響[2]。隨著電子及通信技術的發展，煤炭領域的自動化水平越來越高，對于采煤機同樣如此。但是煤礦開采環境過于復雜和惡劣，導致煤礦開采設備不可避免地出現各種故障問題，對煤礦開采設備的連續運轉造成不良影響，從而降低煤礦開采效率[3]，給煤礦企業造成了嚴重的經濟損失。采煤機作為開采環節最重要的設備，有必要對其運行狀態進行監測，以便及時發現設備運行時存在的故障問題和安全隱患，進而及時采取措施解決問題[4]。針對采煤機的狀態監測需求，已有技術人員和學者[5]開展了相關的研究，但是建立的監測系統通常為有線通信方式，此類系統難以適應復雜的礦井環境、穩定性不強。針對該問題，本研究中基于無線數據通信方式構建采煤機的運行狀態監測系統，并將其應用到工程實踐中，效果良好，對于提升采煤機的自動化水平具有一定的現實意義。

1 監測系統方案設計

1.1 無線通信方式確定

隨著通信技術的快速發展，當前無線通信方式已經非常穩定，與有線傳輸相比較表現出了很大的優勢。①礦井的工況環境比較復雜，給布線造成了很大難度，而無線通信方式可以規避布線的問題；②有線通信方式信號在傳輸時不可避免地會產生衰減的現象，且容易受到外部環境影響，如大功率機電設備啟停時電流突變會在附近產生磁場，進而影響信號的傳輸，而無線信號傳輸不存在此問題。就當前技術水平而言，能夠實現無線信號傳輸的技術形式有多種，常見的包括藍牙、紅外、WiFi和ZigBee[6]。常用無線通信技術的比較見表1。從表1中可以看出，不同的無線通信技術各有優缺點。但是考慮到礦井復雜的工作環境以及不同技術運行的穩定性，最終選用ZigBee無線通信技術。

表1 常用無線通信技術的比較分析Tab.1 Comparison and analysis of commonly used wirelesscommunication technologies

1.2 整體方案設計

采煤機運行狀態監測系統的主要作用是對井下運行中的設備狀態進行實時監測[7]。結合煤礦實際情況對監測系統進行了規劃設計，在充分分析有線通信和無線通信優缺點的基礎上，對監測系統進行了整體設計。采煤機運行狀態監測系統整體方案如圖1所示。

圖1 采煤機運行狀態監測系統整體方案Fig.1 Overall scheme of monitoring system for operation state of shearer

由圖1可知，整個監測系統劃分為井上部分和井下部分。其中，井上的是監測中心，作用是對井下采集到的數據信息進行實時展示，以便工作人員能夠掌握采煤機的運行狀態。另外，還需要基于狀態數據信息采集結果分析采煤機的運行情況，判斷設備是否存在故障或安全隱患。井下部分主要包括安裝在采煤機設備中的各類傳感器以及機載計算機，設備中還配置有1個ZigBee節點，該節點與計算機之間通過串口進行連接，實現數據的傳輸。工作面附近設置有多個ZigBee節點，各個節點之間通過無線通信的方式實現數據傳輸，還配置有CAN總線節點，且與其中一個ZigBee節點連接。井上部分和井下部分基于CAN總線實現數據通信。井上監測中心可以結合實際情況向井下設備下達控制指令，比如對調高運動和牽引運動等進行控制。

2 硬件設施選型與設計

2.1 ZigBee無線模塊硬件設計

(1)芯片的選型。對于ZigBee無線模塊而言，芯片是最為關鍵和核心的部分，其性能好壞會對無線傳輸過程的性能與穩定性產生非常重要的影響。結合實際情況，最終選用CC2530型芯片，該芯片不僅支持ZigBee通信協議，還支持2.4GIEEE802.15.4協議[8]。芯片屬于標準的51內核，提供了多個I/O引腳，能夠與其他硬件設施實現連接。CC2530芯片的電路原理如圖2所示。芯片整體上主要由3大模塊構成，以下分別對此進行介紹。①CPU與內存。CPU的內核為8051系列，具有很好的兼容性，性能良好，完全能夠滿足該系統的使用需要，設置有3條內存總線，分別為SFR、DATA、CODE/XDATA，不同形式的內存總線可以實現與不同物理元件之間的連接。②時鐘及電源管理。該模塊利用1.8C DC穩壓器進行供電，此模塊的作用是對ZigBee無線模塊所有電源進行管理，確保能夠輸出穩定的電壓并延長電池的使用壽命。③無線射頻模塊。此模塊主要包含無線收發器RF，基于該收發器可以向外發射或者接收來自外部的無線信號，實現不同節點之間數據的無線傳輸。

圖2 CC2530芯片的電路原理Fig.2 Circuit schematic diagram of CC2530 chip

(2)天線及巴倫匹配電路。對于ZigBee無線傳輸網絡而言，天線以及巴倫匹配電路會對通信的質量產生很大的影響，重點會影響系統的功率損耗、無線通信距離等。為了確保線路的穩定運行，需要在電纜與天線之間添加轉換器。天線類型主要有倒F天線、PCB天線和SMA接口型桿狀天線。為了確保無線信號傳輸性能，使用SMA接口型桿狀天線，天線以及巴倫匹配電路如圖3所示。

(3)電源電路。電源電路中使用HT7533型芯片實現穩壓功能，在該芯片的作用下，可以實現設備的低功耗運行并且確保電壓穩定。該芯片的輸入電壓達到了30 V，輸出電流為100 mA，輸出電壓可以在2.1～12.0 V，可以結合實際情況在多個電壓檔次之間調整。電源電路原理如圖4所示。

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

圖4 電源電路原理Fig.4 Block diagram of power supply circuit

2.2 CAN總線通信模塊設計

從圖1所示的監測系統整體方案可以看出，CAN總線通信模塊中共包含有2個節點，分別分布在井上部分和井下部分。其中，井下的CAN節點1與ZigBee節點n進行連接，井上的CAN節點2與地面計算機連接，2個節點實現了井上和井下部分數據的傳輸。

(1)主控電路設計。系統設計的CAN總線模塊中使用的處理器型號為STM32F103VET6，已有實踐經驗表明，該型號處理器具有很好的運行穩定性，運行速度相對較快。CPU屬于32位處理器，運行時頻率可以達到72 MHz，可以滿足很多場景的工業應用，內存空間可以根據實際使用需要在32～512 KB范圍內合理調節。擁有13個不同類型的通信接口，包括常見的USART接口、CAN接口和USB接口等，可以滿足控制器與其他類型硬件設施的通信需要。該控制器中共包含有3個模數轉換器，屬于微米級別，性能優越，基于模數轉換器可以對芯片運行時的溫度及參考電壓值進行讀取，以掌握芯片運行狀態。擁有11個不同類型的定時器，可以應用在不同的場合，因此芯片具有很好的環境適應性。

系統供電電壓通常為5 V，但STM32F103VET6處理器正常運行時的電壓需要3.3 V。因此要設計專門的電路，將系統提供的5 V電壓轉變成為3.3 V電壓，這樣處理器才能夠正常穩定工作。電壓轉變電路原理如圖5所示。

(2)CAN總線通信電路。對于1個完備的CAN節點而言，內部包含有3個主要的硬件設施，分別為CAN控制器、CAN收發器和微處理器[9]。其中，控制器主要有2種形式，分別為內置和外置MCU，不同結構形式有各自的優缺點，本系統結合實際情況將控制器采用內置方法進行配置。在外圍電路中單獨設置一個CAN收發器，具體型號為TJA1050，這種結構設計可以使整個CAN節點變得更加簡單，降低成本。

圖5 電壓轉變電路原理Fig.5 Schematic diagram of voltage conversion circuit

CAN總線的通信電路原理如圖6所示。

圖6 CAN總線的通信電路原理Fig.6 Schematic diagram of CAN buscommunication circuit

3 監測系統軟件部分設計

3.1 ZigBee模塊軟件設計

研究基于EW軟件對ZigBee模塊的軟件程序進行開發設計。以下主要對ZigBee模塊中的協調器節點、路由節點和終端節點的軟件工作流程進行介紹。

(1)協調器節點軟件程序設計。對于ZigBee無線傳輸網絡而言，協調器節點發揮著非常重要的作用，屬于組織者的身份。一方面要負責網絡建立，還要對網絡進行配置與管理，另外還要接收來自終端節點輸送的數據信息。節點通電以后開始啟動工作，系統需要對節點內包含的所有模塊進行初始化處理，檢測所有硬件設施的運行狀態，確保能夠穩定工作。完成初始化工作后，開始建立ZigBee無線傳輸網絡，然后進入工作狀態。協調器直接與車載計算機進行連接，并接收計算機傳輸的數據，將其通過無線方式傳輸給其他的路由節點。另外，也需要接收其他路由節點傳輸的數據，并將其輸送到車載計算機上。

(2)路由節點軟件程序設計。路由節點是整個ZigBee無線傳輸網絡的中轉站，作用是延長無線網絡的傳輸長度，具體數量可以根據實際情況合理確定[10]。通常相鄰路由節點之間的距離越近，無線傳輸過程越可靠。路由節點通電后即可開始工作，工作時首先需要對路由節點中所有的硬件設施進行初始化處理，確保無誤后開始在周圍中搜索無線網絡信號。搜索到網絡后即可向協調器發送網絡申請，待協調器同意后可以建立無線網絡連接。路由節點需要將協調器節點發送的數據傳輸到終端節點，同樣的也要將終端節點傳輸的數據返回到協調器節點中。路由節點基本工作流程如圖7所示。

圖7 路由節點基本工作流程Fig.7 Basic working flow chart of routing node

(3)終端節點軟件程序設計。在ZigBee無線網絡中，終端節點的作用是建立無線網絡與CAN總線有線網絡之間的聯系。終端節點要接收無線網絡路由節點傳輸的數據信息，然后將數據通過CAN總線傳輸到井上的CAN節點中。終端節點正常工作時需要用到兩個函數，分別為消息處理函數和數據發送函數。可以利用消息處理函數對設備的類型進行讀取，并對傳輸的數據進行判斷。數據發送函數的作用是將接收到的數據信息通過有線或者無線方式向外發送。終端節點的基本工作流程如圖8所示。由圖8可知，終端節點通電后開始工作，首先需要對各項硬件設施和協議棧進行初始化處理，然后需要申請加入無線網絡，成功入網后可以實現數據的傳輸。

圖8 終端節點的基本工作流程Fig.8 Basic working flow chart of terminal node

3.2 CAN總線模塊軟件部分設計

在CAN總線網絡中使用的主控芯片為單片機，具體型號為STM32，所以只需要對選用的單片機進行編程就能實現所有功能，使用的編程平臺為Keil MDK。對CAN總線數據傳輸模塊進行設計時，需要劃分為兩部分進行單獨考慮。①針對協議控制器的初始化設置，主要是對波特率大小、CAN模式等各項參數進行設置或選擇；②對數據的接收與發送子程序進行初始化處理。需要說明的是，以上2個步驟必須在系統處于復位狀態時才能進行操作。CAN總線數據收發的基本工作流程如圖9所示。

4 監測系統的應用研究

為了分析設計的采煤機運行狀態監測系統的科學性與合理性，將以上設計的系統方案部署到煤礦開采工程實踐中，對系統運行狀態進行了連續6個月時間的現場測試，對相關運行狀態進行記錄。重點對ZigBee無線通信效果進行了測試分析，測試過程中分別將ZigBee節點之間的距離設置為40、50、60、70、80、90、100 m，每種距離情況下又設置2種工況，分別為中間無間隔和中間有間隔，所有情況下均發送1 000條報文，統計能夠正常接收到的報文數量，進而統計不同距離、不同工況時的數據丟包率。

不同工況條件下的數據丟包率統計情況如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著ZigBee節點之間距離的不斷增加，數據丟包率呈現出逐漸增加的趨勢；在相同的節點距離情況下，節點之間有間隔時的丟包率比無間隔時的丟包率要高很多。但是在ZigBee結節間距為40 m時，無論中間有無間隔，都能夠確保數據丟包率為0。因此，系統中將ZigBee節點之間的距離控制在40 m以內，以確保無線數據傳輸過程的可靠性與穩定性。

圖9 CAN總線數據收發的基本工作流程Fig.9 Basic working flow chart of CAN bus data receiving and sending

圖10 不同工況條件下的數據丟包率統計Fig.10 Statistics of data packet loss rate under different working conditions

結果發現，監測系統整體運行穩定，整個測試期間沒有出現明顯的故障問題，各項功能都能夠實現，可對采煤機的運行狀態實現遠程監測與控制，有效保障了煤礦開采效率及安全性。與使用運行狀態監測系統之前的數據進行比較發現，通過監測系統的實踐應用，煤礦企業可以減少采煤機設備維護保養人員3～4人，設備維護保養成本與前期相比降低了15%左右，采煤機的運行效率提升了10%左右。經過專家的初步論證，認為該系統的成功實踐應用每年可以為煤礦企業創造200萬元的經濟效益。

綜上所述，監測系統的應用不僅為煤礦企業創造了良好的經濟效益，還為煤礦企業創造了很好的安全效應，值得其他煤礦企業借鑒。

5 結語

本文主要以煤礦中使用的采煤機為研究對象，對其運行狀態監測系統進行了詳細設計，所得結論主要如下。

(1)設計的運行狀態監測系統劃分為井上和井下部分，其中井下部分采用ZigBee無線網絡實現數據信息傳輸，井上和井下部分之間基于CAN總線實現數據信息傳輸，充分發揮了不同數據傳輸網絡形式的優點。

(2)對ZigBee無線模塊以及CAN總線模塊中使用的硬件設施進行了選型設計。其中，ZigBee無線模塊主要包括協調器節點、路由節點和終端節點。CAN總線模塊中使用的處理器型號為STM32F103VET6。

(3)將監測系統應用到采煤機工程實踐中發現，當ZigBee節點之間的距離設置為40 m時，可以確保無線數據傳輸的可靠性。對系統進行現場測試發現各項功能都正常，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和安全效益。