采煤机远程监控系统关键技术的研究现状分析

李 平，张晓宇

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

采煤机远程监控系统关键技术的研究现状分析

李 平，张晓宇

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

采煤机是煤矿井下煤炭开采的重要设备之一。传感器技术和通信技术的不断发展，以及近年来煤矿对安全生产的重视，推动了采煤机远程监控技术的不断发展和提高。本文对近年来采煤机远程监控系统中的关键技术进展进行了研究分析，并对系统中通信方式的选择、监控方式的选择以及数据采集方式的选择等问题进行了阐述说明。在此基础上，最后提出对采煤机远程监控系统的展望。

采煤机;远程监控；关键技术

0 前言

随着科学技术的发展，远程监控系统在煤矿中的应用越来越广泛，它可以把井下的各种工作参数、画面及时的反馈给监控室的工作人员，为煤炭开采工作提供便利及安全保障。目前，国内外监控系统在井下工况监控方面都取得了较大的成效，且差距不明显，但是在采煤机的远程控制方面，国内比国外的技术落后许多[4]。在国内，一些露天煤矿已经实现了采煤工作面的无人/少人操作，但是对于大多数地下开采煤矿来说，因为煤矿井下恶劣的工作环境，实现井下无人/少人操作，是目前煤矿技术研究中的一个难点问题。尤其是对于采煤机来说，因为它的运动复杂，影响其工作状态的变量也比较多，使它成为影响远程监控系统研究技术的关键[4]。目前，研究人员采用各种不同的技术方法组建采煤机的远程监控系统，但因为井下环境的复杂性，这些技术都有各自的先进性和不足。

本文通过综合现有的采煤机远程监控系统文献资料，对现有的应用于采煤机远程监控系统的几种关键技术，进行了研究分析，并提出自己的观点见解。其中，通信方式的选择，现采用的技术有有线通信、无线通信以及两种通信方式相结合；监控采用的方式有PLC与Quest3D技术的结合、PLC与组态软件的结合以及通过嵌入式技术来实现；数据采集方式中，通过传感器实现对采煤机工作环境以及工作参数的采集，通过摄像仪或者借助3DVR技术实现采煤机工作画面的监测。

本文主要内容分为三个部分，第一部分对采煤机远程监控系统做了一个简单的介绍，随后第二部分对该系统中几个关键技术中现已提出的方法和应用进行论述分析，并提出自己的评述，最后作出总结，并提出对未来的展望。

1 采煤机远程监控系统

采煤机，作为煤矿采煤技术中的关键设备，负责工作面的煤炭采割工作。在现代化煤矿中，监控系统是采煤技术的核心，尤其是远程监控技术的发展，很大程度上减轻了工作面工人的劳动量，也为他们的安全提供了很大的保障。

煤矿远程监控系统主要包括通信模块、监控模块和数据采集模块三大模块。其中，通信模块主要负责井上与井下之间的数据传输，是实现采煤机远程监控的技术基础。监控模块又分为井上监控和井下监控两部分，通过通信模块实现二者之间的数据传输。井上监控模块主要指的是煤矿地面监控中心，它负责实现井下工作面设备工作的各项参数及状态的显示，使工作人员及时了解工作面的工作状况。同时，工作人员可以根据需要，通过监控中心发出对采煤机的控制指令，实现对采煤机的控制。井下监控模块主要负责将地面传送过来的控制信号转换成相应的控制指令实现对采煤机的控制。数据采集模块负责对采煤机各项工作参数的采集以及井下工作环境各项参数、井下工作环境状态的采集。

图1 系统总体框图

2 采煤机远程监控系统中的关键技术

2.1 通信模块

通信模块是远程监控系统的技术基础，是联系井上监控中心和井下采煤机的桥梁[3]。由于煤矿井下环境的复杂性，所以在实现对采煤机的远程控制的过程中，通信模块也成了有待解决和研究的热点。近几年，随着科学技术的不断发展，在通信模块采用的技术也在不断改进。但总体上，从采用的介质上来说，主要有三类，一种是有线通信，一种是无线通信，还有一种就是无线与有线的结合。

文献[1-12,27-28]均采用光纤/电缆作为通信介质。在文献[1]中，通过比较PROFIBUS总线和CAN总线，采用性能较好、实时性强的CAN总线作为通信基础。从系统的简单化和稳定性出发，系统采用MCU+CAN 收发器，所有的模块均采用了 MCU—C8051F040。同时，通过在各个模块的通信线路之间加光耦隔离的方式来提高系统通信模块的抗干扰性能。文献[27]选择CAN总线与RS485总线的结合。CAN总线实现对监测数据的采集以及控制指令的发送，RS485总线实现与上位机及监控中心的通信。文献[28]选择以太网实现通信。文献[14]是采用CAN总线与以太网结合的方式。机载信息经CAN总线传送，然后经CAN转以太模块将信息经以太网传送给地面监控中心。

采用CAN总线通信的好处就是在数据通信中设置好节点信息的优先级，可以实现一对多节点通信，也可以多节点同时发起通信，它的通信距离也比较远，最远可达10Km，实时性较强，抗干扰性强。但无论是CAN总线还是以太网，它们的传输介质一般都采用的双绞线，光纤或者电缆，给采煤机在井下复杂的工作环境中的工作带来很大的不便。

文献[9-13,33]提出在井上部分采用GPRS技术来实现数据传输。文献[13]中，井下部分依旧采用光纤/电缆将采煤机工作信息传输给地面，随后通过GPRS技术将信息传送给监控中心。文献[33]在井下通信部分加入了ZigBee无线通信方式。传感器节点采集到的数据经无线网络发送给协调器节点，随后经RS-485总线与GPRS模块相连。GPRS技术在数据传输的稳定性方面比其他无线传输方式较好，但是该技术只能用于井上通信部分，对远程监控系统通信部分的主要问题，也就是工作面上因环境恶劣复杂、电缆通信不便等问题帮助不大。

文献[3-25]采用ZigBee技术。文献[3]中作者通过对有线通信技术与无线通信技术，包括红外技术、数字增强无绳电话技术、家庭无线电射频技术、蓝牙技术、超宽带无线通信技术、IEEE 802.11x 技术、射频识别技术、ZigBee技术等的比较，最后从费用、传输速率、稳定性等多角度综合考虑，选择使用无线通信ZigBee技术。文献选择抗干扰性能较好，传输速率较快、开发比较简单的ZICM2410P2模块，选用树形网络拓扑结构组网。开发初期，利用OPNET Modeler仿真软件对无线通信模块进行仿真，选择合适的仿真环境参数，并模拟煤矿井下恶劣的工作环境，加入了干扰信号，验证了该模块的可行性。该系统布局示意图如图2：

图2 遥控采煤机系统布局示意图

该系统从井下至地面均采用无线网络来传输信号，在一定程度上解决了整个系统中线缆使用的问题。但是，由于井下环境比较复杂，对无线信号的干扰性比较强。弯曲错综的巷道环境也使得无线信号的传输以较快的速度衰减。因此为了保证信号传输的实时性，就需要在整条线路上增加许多节点。但是每增加一个节点势必也就相当于增加了一个隐性的故障点，增加了信号传输的故障可能性[5]。而且针对图像等数据量较大的信号，ZigBee的承载能力有限，也会降低其传输速度，实时性得不到保障。

文献[11]考虑到了图像数据传输的问题，采用的是ZigBee与WiFi结合的方式，组网选择分簇式链状无线传感器网络结构，在数据采集部分的终端选用ZigBee技术来实现数据的传输，随后选用WiFi技术将数据采集器中的信息传送给监控中心。该系统解决了图像等大数据传输的实时性问题，但无论是WiFi技术还是ZigBee技术，在长距离的信号传输过程中，都需要增设很多节点，多节点带来的故障隐患仍未得到解决。下图3是该系统网络结构示意图：

图3 智能无线传感器网络总体结构

文献[8-16,18-19,30-32]考虑到无线网络在长距离的传输信号过程中的信号衰减问题，采用无线+有线的信号传输模式。文献[30]采用WiFi与以太网的结合，在通信不方便的区域用无线通信来实现。文献[16]在无线部分采用的是ZigBee与WiFi的结合，实现各传感器采集到的信号与摄像仪采集到的图像信息的传送，无线信号传输到协调器节点经处理后由电缆/光纤传输给地面监控中心。

文献[32]在无线部分引入了WLAN无线通信方式来实现，WLAN是WiFi的扩展，确切的说WiFi是WLAN所包含的协议标准中的一种。较WiFi来说，WLAN的无线通信距离更远，通信范围更宽。

文献[18]中地面与井下之间的数据通信通过设在两处的交换机来实现，两者之间的通信方式选择传输速度较快的光纤通信，以确保井下与地面之间信息传输的实时性。地面与井下系统各分站之间通过以太网实现数据通信。在对采煤机的机载控制部分通过无线控制方式实现。无线控制模块由ATmega16单片机和PT2262/PT2272编解码芯片共同实现。整个系统通过有线与无线的结合，在很大程度上减少了采煤机附近的光纤、电缆的使用，同时也确保了控制系统的高效、实时以及抗干扰的性能。

2.2 监控模块

在采煤机远程监控系统中，监控模块是系统的神经中枢[3]。监测部分将采集到的数据传送给井下或地面监控中心，使工作人员可以远程看到采煤机的工作状态，同时监控中心发出相应的控制指令给机载控制模块，实现对采煤机远程操作控制。监控方式的选择，直接影响着采煤机的工作质量，是采煤机安全有效工作的保障。

文献[10]在监控部分采用的是Quest3D和PLC监控系统，PLC选用继电器输入输出方式的FX2N-64MR，当它对控制指令产生相应动作的时候，反应较慢，一定程度上不利于系统的实时性的实现。在监测部分选用Quest3D虚拟软件设计，根据接收到的控制指令模拟井下工作面的工作画面，同时根据接收到的存储在MySQL数据库井下工作面的数据信息对画面进行及时矫正，使工作人员更直观地看到井下的一个工作状态。

文献[2-6,21-24]在监控模块采用的是PLC机载控制与WinCC组态软件监控平台。控制器多选用西门子S7-300或S7-400PLC。文献[6]用STEP7的SCL结构化编程语言实现软件编程设计，缩短语句循环周期，从软件部分提高系统的实时性。组态软件选用兼容性好的SIMATIC WinCC，为不同设备的接入以及系统的扩展带来很大的便利。WinCC监控平台对采集到的采煤机的各项工作参数于上位机进行组态，同时，工作人员也可以根据需要在该平台对采煤机的各项参数进行修改，实现对采煤机的远程控制。

文献[3]在控制模块采用的是单片机控制，针对控制部分处理数据量较大这一需求，主控制器选用一款集DSP与ARM处理器于一体的TMS320DM6446 芯片，可实现对采集到的视频图像等信息的快速处理，提高系统实时性。

2.3 数据采集模块

采煤机远程监控系统的数据采集模块主要分为温度、甲烷、CO等环境参数的采集以及工作环境的图像采集两个部分。在环境参数采集部分，目前大多数系统均采用各类传感器采集，所以在大多数论文中没有做过多的论述。在图像采集模块多直接用摄像仪采集。

文献[17-20,29]对工作环境的监控采用视频摄像仪摄像的方式。文献[20]选用可实现多角度取景的监控器601LD，可以实现现场直接取景。文献[29]结合工作面环境以及摄像仪的可视范围，综合考虑到摄像仪的费用问题以及在随后工作中的检修维护问题，通过计算选取最优布置点。在采用摄像仪直接采集图像画面方面，存在着一个很大的弊端，那就是井下潮湿、多粉尘的工作环境，容易损坏摄像头，另外，工作一定时间后粉尘会附着在摄像仪镜头上，影响画面采集的质量。

文献[7-22,26]在工作画面的监视部分均借助3DVR技术来实现。文献[22]在WinCC组态软件的基础上，加入了3DVR技术。3DVR监控平台提前对采煤机进行3D建模。采煤机各类传感器将采集到的采煤机的状态参数上传给WinCC监控系统，3DVR平台根据这些状态参数对模拟采煤机进行3D驱动，将井下采煤机的工作状态以画面的形式呈现给工作人员。文献[26]是在XNA的平台上开发3DVR平台，实现对工作面工装状态的监控。

采用3DVR技术建模，在一定程度上解决了画面清晰度问题，但是毕竟各类传感器采集的数据是有限的，不能将工作面的工作状态完整准确地还原出来，存在一定的误差。

文献[23]是综合采用视频摄像与3DVR虚拟现实技术实现对采煤机工作状态的画面再现，一定程度上实现了现实与虚拟的互补，但是现场摄像头取景的问题并没有得到解决。因此，在图像采集技术方面，图像画面质量与画面采集的全面性的实现，还需要进一步的研究。

3 结论与展望

采煤机远程监控的问题是近几年来煤矿技术方面一直在研究的一个重要问题和热点问题。目前，在国内外煤矿的采煤机的远程监控方面已经取得了很大的进展，但仍存在许多问题：(一)在通信模块,现在一种比较好的方法是采用无线通信与有线通信方式的结合，但是怎样确保在无线传输部分信号的稳定性以及针对多节点设备中各节点的设备可靠性保障，这是有待解决的问题；(二)在监控模块，怎样确保检测的准确性；(三)怎样提高系统的实时性问题。这些问题都需要更深入的研究，以取得更好的监控效果。未来在数据监测模块，检测性能更高、更可靠的光纤传感器是很有前景的应用，它不仅可以实现对CO、甲烷、温度等环境参数的监测，也可以实现对煤层中煤矸石的监测；在数据通信模块，可以通过智能物联通信方式的融合，将井下采煤机的远程监控、供电系统以及其他通信方式融合在一起，减少井下光纤/电缆的使用。

[1] 徐柏松.基于嵌入式与现场总线原理的采煤机通信系统[J].煤炭与化工，2016，39(01)：135-137.

[2] 权国通.采煤机远程监控技术研究[J].内江科技，2011(8)：94.

[3] 张靖.基于紫蜂技术的采煤机遥控系统设计[D].成都:西华大学，2012.

[4] 姜俊英,马宏伟.采煤机监控技术研究现状及发展趋势[J].煤矿机械，2015，36(8)：1-3.

[5] 李胜.采煤机监控系统的现状及组成原理研究[J].科技资讯，2009(12)：97.

[6] 刘军,王忠宾,牛可,等.采煤机远程监控系统关键技术研究[J].煤炭科学技术，2010，38(06)：67-69.

[7] 张岩军,王忠宾,权宁.采煤机远程监控系统研究与分析[J].制造业自动化，2012，34(6)：100-101.

[8] 缪蕾,刘国巍,廖玲娟.基于ZigBee技术的采煤机状态监控系统的设计[J].煤矿机械，2015，36(01)：32-34.

[9] 韩哲.浅析CAN总线技术在采煤机监控系统设计中的运用[J].科技与创新，2015，(22)：146.

[10] 吴海雁,王天龙,张旭辉,等.基于Quest3D和PLC的采煤机远程监控系统[J].工矿自动化，2015， 41(11)：14-16.

[11] 王丽娜,黄友锐,唐超礼,等.基于ZigBee+WiFi的井下监控系统设计和实现[J].煤炭工程，2014，46(06)：138-140.

[12] 何广东.基于PLC控制的采煤机自动割煤技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2015，43(z)：100-103.

[13] 王建军.对远程监测系统应用于采煤机维修的探究[J].机械管理开发，2012(01)：198-200.

[14] 邓玉娇,童敏明,王欣,等.基于组态软件的采煤机远程监控系统设计[J].煤矿机械，2012，33(11)：237-239.

[15] 许立华,孙晓全.国内外采煤机远程通讯和集中控制技术的现状分析[J].煤炭技术，2005，24(05).

[16] 黄成玉,李学哲,邓永红,等.基于物联网技术的采煤机智能监控系统设计[J].电气应用，2013，(24).

[17] 范京道,王国法,张金虎,等.黄陵智能化无人工作面开采系统集成设计与实践[J].煤炭工程，2016， 48(1)：84-87.

[18] 林福严,李骏,韩云龙.采煤机网络化远程控制试验系统设计[J].工矿自动化，2014，40(1)：27-30.

[19] 乔钢柱.基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与关键技术研究[D].兰州:兰州理工大学，2012.

[20] 李雪梅.基于无线传感器的煤矿远程安全监控系统研究[J].煤炭技术，2013，32(5)：83-84.

[21] 王山.基于PLC和WinCC的采煤机监控系统[D].合肥:合肥工业大学，2013.

[22] 王长平,张志强,张晓强.基于Virtools以及WinCC的采煤机远程监控平台构建[J].煤矿机械，2009， 30(12)：202-204.

[23] 过秉坤,王京涛,赵松.综采工作面远程智能监控系统的研究[A]//第24届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第6届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C]，2014.

[24] 谭超.电牵引采煤机远程参数化控制关键技术研究[D].徐州:中国矿业大学，2009.

[25] 马建云,袁斌斌,赵彬,等.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监控系统设计与实现[J].测控技术，2012，31(08)：83-86.

[26] 季晓刚,王忠宾,周信.基于XNA的采煤机3DVR远程监控系统研究[J].自动化与仪表，2011(8)：13-16.

[27] 马洪礼,司凯文,吕东跃.无人工作面智能化采煤机监控系统的研发[J].煤炭科学技术，2014，42(09)：67-71.

[28] 王峰.综采无人工作面自动化开采技术研究与应用[J].工矿自动化，2015，41(7)：5-9.

[29] 黄韶杰.数字视频技术在自动化工作面的应用[J].煤炭工程，2014，46(02)：136-138.

[30] 黄曾华.综采工作面自动化控制技术的应用现状与发展趋势[J].工矿自动化，2013，39(10)：17-20.

[31] 莫灼宇.煤矿井下环境参数远程监控系统中嵌入式Web Server的应用[J].煤炭技术，2014，33(02)：163-165.

[32] 曲昀卿.嵌入式技术在采煤机监控系统中的应用[J].煤矿机械，2013(6)：216-217.

[33] 李苗苗,李良光,陈志平,等.基于ZigBee和GPRS煤矿无线数据采集系统的设计[J].煤矿机械，2012，33(12)：239-241.

Analysis of the research on key technology of remote monitoring system of coal winning machine

LI Ping，ZHANG Xiao-yu

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

Shearer is one of the important equipment of coal mining underground coal mines.The continuous development of sensor technology and communication technology，as well as the emphasis on coal mine’s safety production in recent years，has promoted the continuous development of shearer’s remote monitoring and control technology.This paper analyses and researches the development of key technology of shearer’s remote monitoring and control system in recent years，and explains the choice of the ways of communication，monitoring and control，and data acquisition in the system.On this basis，further research development of shearer’s remote monitoring and control system are discussed in details.

coal mining machine; remote monitoring; key technology

2016-07-18

国家自然科学基金(61304024)；河北省高等学校科学技术研究项目(ZC2016072)；中央高校基本科研业务费资助项目(3142015143，3142015101)；廊坊市科技支撑计划项目(2016011015)

李平(1992-)，女，山西长治人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：物联网技术在电气传动系统中的应用。E-mail：1755382002@qq.com

TD421.6

A

1672-7169(2016)05-0043-05