礦用掘進機遠程監測系統的應用研究

黃玉冬，房新亮

(河南能源集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦資源是非常重要的能源形式，在人們生活和工業領域有非常廣泛的應用。為順應人們生活水平的不斷提升和工業領域的不斷發展，我國每年會開采大量煤炭資源[1]。礦用掘進機是煤礦開采過程中關鍵的機電裝備，其運行過程的穩定性會對煤礦開采過程的安全和效率產生非常重要的影響。隨著煤礦開采向著縱深方向發展，礦井工作環境越來越復雜，給掘進機的運行帶來了更大的挑戰和難度[2]。另一方面，隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，采掘工作面正朝著自動化、智能化和無人化方向發展，構建智能化采掘工作面是煤礦領域當前研究的熱點問題[3]。針對礦用掘進機構建遠程監測系統以掌握設備的運行狀態，是實現智能化采掘工作面的基礎[4]。本文主要以煤礦中經常使用的EBZ220型掘進機為對象，對其遠程監測系統進行了設計與研究。對于提升采掘工作面的智能化水平、促進煤礦領域發展具有重要的現實意義。

1 掘進機遠程監測系統整體結構設計

1.1 系統整體方案設計

礦用掘進機遠程監測系統整體方案如圖1所示。由圖1可知，整個監測系統可以分為2大部分，分別為井上部分和井下部分。其中，井下部分設置有多個分站，分站主要沿著采掘工作面布置安裝。所有監測分站均與CAN總線進行連接。井下還設置有傳感器節點，主要設置在EBZ220型礦用掘進機設備中，對設備的運行狀態，比如溫度、壓力、振動狀態等進行實時監測，另外傳感器還可以對周圍環境參數進行檢測，比如瓦斯濃度等，并通過無線網絡傳輸至附近的監測分站。井上設置有上位機，上位機與井下監測分站之間通過CAN總線實現數據信息的傳輸。上位機可以對井下采集的狀態數據信息進行收集，判斷掘進機的工作狀態，以便分析設備是否存在安全隱患或者故障問題。所有數據都會存儲到數據庫中，后續可以對數據信息進行查詢與打印。采集到的狀態信息會通過顯示大屏實時顯示，工作人員能實時掌握井下掘進機的工作狀態，若出現了安全隱患或故障問題，監測系統會向外發出警告。

圖1 掘進機遠程監測系統整體方案Fig.1 Block diagram of the overall scheme of remote monitoring system of roadheader

1.2 傳感器網絡節點結構設計

傳感器網絡節點是監測系統中非常重要的構成部分，作用是對掘進機設備的運行狀態信息進行采集。本研究針對無線傳感器網絡節點采用模塊化思想進行設計。無線傳感器網絡節點的主要結構如圖2所示。從圖2中可以看出，整體上可以劃分成為5大模塊。以下對各個模塊的主要功能進行介紹。

圖2 傳感器網絡節點主要結構Fig.2 Main structure block diagram of sensor network node

(1)傳感器模塊。此模塊主要由不同類型的傳感器和A/D轉換器構成。傳感器的作用是對掘進機工作時的狀態信息參數進行采集。由于部分傳感器檢測得到的是電壓或電流模擬量信號，需要利用A/D轉換器將其轉換成為數字量信號才能傳輸到處理器中進行分析。

(2)處理器模塊。作用是通過通信接口接收來自傳感器模塊的數字量信號，并對信號進行對比分析。然后將處理后的數字信息發送給通信模塊。另外，位于井上的上位機也可通過通信模塊向處理器發送控制信號。

(3)通信模塊。作用是實現傳感器網絡節點與各個分站之間的連接，將傳感器采集得到的數據信息，通過通信模塊上傳到井上的上位機監控系統中。

(4)供電模塊。作用是對傳感器節點的其他模塊進行供電，確保各硬件設施的可靠穩定運行，本系統中利用小型可充電電池對整個節點進行供電。

(5)報警指示模塊。作用是向操作人員提示掘進機設備存在安全隱患或故障問題。報警模塊接受處理器模塊的控制，當處理器對采集到的數據信息進行分析處理，并發現掘進機存在問題時，會對報警模塊下達指令。

2 主要硬件設施的選型設計

2.1 主要芯片的選型

監測系統中，傳感器網絡節點中的2個芯片都會對整個系統運行的質量產生比較重要的影響。①無線網絡模塊中的無線傳輸芯片；②為MCU處理器芯片。充分考慮實際情況，以上2個芯片型號的選擇為CC2420和MSP430F149。

CC2420芯片內部包含有8051處理器，運行時的頻率可以達到2.4 GHz，具有優異的性能[5]。配合使用ZigBee無線收發電路以及RF收發器，可以將傳感器采集到的數據以及MCU處理器的分析結果，通過無線方式進行傳輸。通過實驗測試發現ZigBee無線收發網絡的傳輸速度可達250 Kb/s，完全可以滿足該系統的實際應用需要。

MSP430F149芯片屬于32位微處理器，具有非常強大的運算能力[6]。該處理器可以在低功耗和低電壓的條件下工作，正常供電電壓為3.3 V，當RAM保持休眠狀態時的功耗可以達到0。芯片自帶有模擬/數字量轉換電路，可以直接接收部分模擬量信號，使整個結構的電路大大簡化。其Flash大小為60 Kb + 256 B，RAM存儲大小為2 Kb。由于芯片的功耗相對較低，當其以1 MHa的頻率工作時，電流僅僅只有250 μA。MSP430F149芯片的電路原理如圖3所示，MCU處理器與無線網絡模塊芯片的接口電路如圖4所示。

圖3 MSP430F149芯片的電路原理圖Fig.3 Circuit schematic diagram of MSP430F149 chip

圖4 MCU處理器與無線網絡模塊芯片的接口電路Fig.4 Interface circuit between MCU processor and wireless network module chip

2.2 主要傳感器的選型設計

(1)壓力傳感器。掘進機工作時需要通過液壓油缸提供動力，所以油缸壓力是反映掘進機設備運行狀態信息的重要參量，基于該參量可以分析判斷掘進機存在的故障隱患。研究選用薄膜型壓力傳感器，具體型號為KYB1018，屬于本質安全型設備，可以在復雜的煤礦環境中工作。基本原理是傳感器中的薄膜在壓力作用下發生變形，且變形量與壓力大小成正比，通過檢測薄膜變形量即可分析得到壓力大小。傳感器的檢測信號為4～20 mA的模擬量信號，檢測壓力量程為0～30 MPa，測量精度可以控制在1%范圍內，需要利用4～36 V電壓進行供電。

(2)振動傳感器。掘進機工作時的振動狀態同樣是描述設備運行狀態的參量，利用KTR9200型振動加速度傳感器進行檢測。已有的實踐經驗表明，此型號振動傳感器具有良好的運行穩定性，并且體積較小、質量輕。輸出的信號為4～20 mA的模擬量信號，可以測量的振動頻率范圍為0.5～5 000 Hz，最大振幅達到2 mm，測量靈敏度可以達到0.8 mA/g。掘進機振動狀態與電機運行狀態存在很大關系，通過對掘進機振動相位、方向、幅度、頻率等的分析，可以反推電機的工作狀態，及時發現電機運行時存在的故障問題。

(3)油溫傳感器。液壓油缸中的油溫會對液壓系統運行穩定性產生重要影響，通常不得超過設定的安全閾值，所以需要利用溫度傳感器對液壓油的溫度進行檢測。掘進機中懸臂的水平回轉、上下升降以及鏟板運動等需要利用油缸提供動力，針對上述3個位置，分別利用JCJ100TLB型溫度傳感器進行檢測。可以測量的溫度范圍為0～100 ℃，精度可以達到1℃范圍內，輸出的是4～20 mA的模擬量信號[7]。

(4)電流傳感器。當掘進機截割的煤巖硬度相對較大時，會使得電機的電流值急劇上升。為了對電機進行保護，延長電機使用壽命，必須對電機的運行電流進行檢測。選用的電流傳感器型號為GAV-200/1 140。該設備可以檢測的電流范圍為0～400A AC，輸出信號為模擬量信號，大小為4～20 mA。正常工作時的電壓和電流分別為12～24 V和100 mA以內，測量精度可以達到1%。

2.3 信號處理電路

通過關于傳感器的介紹，可知本系統中使用的各種類型傳感器輸出的均為4～20 mA的模擬量信號。通常情況下，模擬量信號無法直接輸入到芯片中進行分析與處理，需要通過A/D轉換電路將其轉換成對應的數字量信號，才能夠被處理器接收[8]。輸入信號的處理電路原理如圖5所示。

利用處理電路可以將4～20 mA的模擬量信號轉變為1～5 V的電壓數字量信號。可以看出，設置了1個濾波電容和1個穩壓二極管，作用是防止外部信號對傳感器信號的干擾，提升信號處理過程的可靠性。

圖5 信號處理模塊的電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of signal processing module

2.4 供電模塊的電路

由于監測系統涉及很多元器件，不同元器件需要不同大小電壓進行供電。因此，需要設計專門的供電模塊，主要作用是對電壓進行處理，輸出不同形式的電壓對不同硬件設施進行供電，確保各硬件能夠可靠穩定運行。系統中選用的供電模塊芯片型號為LM2596，該供電模塊的電路原理如圖6所示。此芯片具有良好的性能，穩定性較好。可以持續向外提供穩定的電壓，改善硬件設施的外部運行環境，為監測系統的穩定運行奠定了堅實的基礎。

圖6 供電模塊的電路原理Fig.6 Schematic diagram of power supply module

3 遠程監測系統軟件程序的設計

對于掘進機遠程監測系統而言，軟件部分和硬件部分具有相同的作用，都是系統的重點和核心[9]。只有在軟件程序的作用下，硬件設施的各項功能才能夠順利實現。為了提升軟件程序編寫的便捷性，降低程序后期維護時的難度，本系統的軟件部分采用模塊化設計，即不同功能單獨進行程序編寫，每個程序構成1個子程序，然后編寫1個主程序，將所有子程序串聯起來。主程序運行時根據需要調用不同的子程序，完成整個遠程監測系統的運行工作。

3.1 軟件基本工作流程

(1)主程序的工作流程。為了降低遠程監測系統運行時的功耗，本系統采用休眠—喚醒機制運行。掘進機設備中安裝的各類傳感器并不是時刻連續對設備運行狀態進行檢測，而是每間隔一段時間進行檢測，并將采集到的數據信息通過無線網絡和CAN總線傳輸到井上的上位機中。完成數據發送工作后，監測系統進入休眠狀態。等到計時器發出中斷信號，系統又重新開始運行。監測系統主程序的工作流程如圖7所示。由圖7可知，系統上電后各設備開始運行，首先對程序進行初始化處理，并對各硬件模塊進行自檢，確保無誤后基于CAN總線實現井上和井下部分的網絡通信。井上主機下達控制指令后，井下各節點可以構建無線網絡，節點之間實現數據信息的無線傳輸。計時器時間到時，系統下達收集掘進機運行狀態的指令，井下控制器廣播數據采集指令，各傳感器開始對設備狀態進行采集，并將數據通過網絡傳輸到上位機中進行存儲分析。

圖7 主程序的工作流程示意Fig.7 Schematic diagram of work flow of main program

(2)信息采集與發送子程序工作流程。信息采集與發送子程序的作用是根據系統指令，對掘進機設備的工作狀態數據信息進行采集，并通過網絡傳輸到上位機中進行存儲和分析。子程序的工作流程如圖8所示。由圖8可知，系統上電以后開始運行，首先對程序進行初始化并對相關硬件模塊進行自檢，然后加入井下的無線網絡。正常情況下各設備處于休眠狀態，直到接收到控制指令后，各設備開始工作采集數據，數據發送完畢后又進入睡眠狀態。

圖8 信息采集與發送子程序工作流程示意Fig.8 Schematic diagram of workflow of information collection and sending subroutines

3.2 CAN通信接口軟件設計

監測系統中的CAN總線利用MCP2510型控制器進行控制[10]。MCP2510型控制器內部包含有3個發送緩存寄存器，每個寄存器內部占據14個字節。其中，第1個字節的內容會對信息發送的狀態及條件產生決定性的影響。第2～6個字節用來定義發送信息的存放標準，后面8個字節用來存放需要發送信息的具體內容。MCP2510控制器的中斷發送和接收工作流程如圖9所示。

4 遠程監測系統的應用情況評價

將設計的遠程監測系統部署到EBZ220型礦用掘進機設備上，并在煤礦中開展工業試驗測試工作。整個測試期間發現監測系統性能穩定，各項功能都能夠實現，達到了預期效果。監測系統的成功應用，其效果可從下述幾點進行闡述。

(1)遠程監測系統的成功實踐應用，顯著提升了煤礦的自動化水平，為智能采掘工作面建設工作奠定了堅實基礎，提升了企業在激烈市場競爭中的地位。

(2)遠程監測系統可以實時掌握EBZ220型掘進機的運行狀態信息，基于監測到的數據信息進行分析，可以掌握設備的健康狀態。發現掘進機運行中存在的故障問題和安全隱患，并及時采取措施進行處理，有效提升了設備的維護保養工作質量和效率，為煤礦企業節省了大量的設備維護保養人員和成本。據初步統計分析，每年可以節省的維護保養人員成本和費用在60萬元以上。考慮到系統可以發現設備存在的安全隱患，因此也創造了一定的安全效益。

圖9 MCP2510控制器中斷發送和接收工作流程圖Fig.9 MCP2510 controller interrupt sending work flow chart

(3)遠程監測系統的成功實踐應用，使得掘進機的運行質量和效率均顯著提升。與未使用系統前的情況對比，掘進機每月可以多前進100 m左右。每年按300 d工作日計算，則每年可以多往前推進3萬m。可見，遠程監測系統的應用使得煤礦開采效率顯著提升，為企業創造了顯著的經濟效益。

綜上所述，在礦用掘進機中使用遠程監測系統，能顯著提升設備運行的安全性和可靠性。不僅提升了掘進機的掘進效率和巷道成形質量，還降低了工人的勞動強度和設備的故障率。安全效益和經濟效益顯著，獲得了企業技術人員和現場工作人員的一致好評。

5 結論

主要以礦用EBZ220型掘進機為對象，對設備的遠程監測系統進行了分析與研究，所得主要結論如下。

(1)設計的遠程監測系統共分為井上和井下兩部分，井下主要利用各類傳感器對掘進機運行狀態信息參數進行檢測并分析，井下基于ZigBee無線網絡進行數據傳輸，井下和井上之間基于CAN總線實現數據信息傳輸。

(2)傳感器網絡節點中使用的處理器芯片和無線網絡芯片分別為MSP430F149和CC2420，均具有良好的性能。對主要的傳感器類型及作用進行了詳細分析，研究了供電模塊和信息處理模塊的電路原理圖。

(3)軟件部分采用模塊化設計，分別對主程序和子程序進行了介紹，主程序運行時可以調用子程序，完成監測系統各項功能。

(4)將監測系統部署到EBZ220型掘進機中，對各項性能進行現場測試，發現整體運行良好，達到了預期效果。系統可以掌握設備的運行狀態，使設備的運行效率和穩定性顯著提升，為煤礦企業創造了良好的安全效益和經濟效益。