基于物联网的洗煤厂机械设备监测管理系统

周旭 王晴晴 陈开松 石祖超 李贵欧

摘要：基于物联网的洗煤厂机械设备监测管理系统是一个针对目前洗煤厂的现状和随着物联网、无线通信等科学技术的发展提出的。通过选用合适的传感器、节点对洗煤厂机械设备的振动信号、温度信号进行监测，进一步搭建起基于无线传感器网络的信号采集、传输和服务器处理系统。从高效性、能量低功耗方面对设备进行监测管理。

关键词：洗煤厂；传感器；节点；监测管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）16-0276-02

1 引言

随着社会和经济的快速发展，我国对煤炭资源的开发利用也在逐渐增加，为了满足人们生活中对煤炭资源的开发、需求和利用，需要洗煤厂设备高效地完成洗煤工作，同时还要保证其稳定运行并且最大限度地减少环境污染程度。因此，研究对洗煤厂设备的监测管理是一项具有时效性、必要性的工作。随着国家生产规模的扩大和网络技术的发展，以及无线技术构成的无线通信网络日益成熟，无线通信网络在工业现场数据采集、工业控制等领域有了广泛应用；基于无线传感器网络的无线监控系统已经被提出并使用在洗煤厂的监测管理系统中。

2 系统总体设计

本文设计的平台获得了洗煤厂机械设备模型的监测量，并对监测量进行了相关处理。机械设备状态应当进行定期监测、跟踪监测，以便及时的发现设备运行中出现的故障，减少损失以及排除安全问题。

利用节点和传感器进行振动信号和温度信号数据的采集，传感器网络使用ZigBee协议，其优点是低功耗节能。振动大小和温度信号可以最接近设备的运行状况，所以采用振动信号为监测量，其次温度也反映了设备的运行问题，最终的数据都会收集在监测系统平台，进行数据融合及管理。因为监测量直接反映了洗煤设备运行状态，系统选择稳定性高、灵敏度好的传感器及其所放置的位置，以提供可靠性高的数据给工作人员正确的指导。

系统功能模块分为3部分：数据收集模块、数据传输模块和数据处理模块。方案如图1所示，本系统架构主要包括传感器、节点、ZigBee技术、监测系统服务器、人机界面、控制执行单元以及同计算机的通信等。构建一个小型的无线数据传输网络，把洗煤设备的温度和振动频率实时传输送到控制中心，由控制中心根据其具体情况进行处理。

3 系统硬件设计

系统硬件部分包括以下模块：传感器模块、CC2430片上系统、电源转换模块、PC端服务器模块。

电机在运行中存在能量消耗，电机产生的各种消耗最终都转变成热能。电机的额定电容通常是由绝缘材料所能承受的最高温度决定的，超过最高温度运行的话，将使电机绝缘迅速老化，使电机使用寿命降低。所以在这里温度是我们所要监测的另一个参数。本系统中，选择用DS18B20数字温度传感器、PT100热电阻，同时，需要安装到合适的位置，使其达到了防水防尘和稳定性高的特点。

考虑到设备状态监测的准确度和可靠性，以及为以后故障诊断提供大量的数据，外加主洗车间的设备以旋转设备为主，我们在每个监测设备上放置三个传感器。在对振动信号进行采集时，选择正确的测点才能得到正确的有用的信号，放置振动传感器遵循以下原则：尽量靠近振源，尽量在水平、垂直、轴向方向上[1]。CC2430片上系统负责对传感器的数据进行处理，结合低功耗局域网协议ZigBee技术，做到了低成本、低功耗；同时可以进行在线调试。电源转换模块可提供稳定可靠的电压，保证给设备正常供电。其组成模块如图2：

4 软件设计

本系统对设置传感器和节点进行初始化，并成功连接网络。总体设计如图3所示，根据监测的环境和监测得到的数据信息，对主洗车间建立适应若干分支节点的树形拓扑结构满足传感器的需求。

无线通信技术ZigBee与多个传感器、节点以及稳定电源建立联系，然后通过千兆工业以太网，将监测数据直接传输到监控中心，经过系统服务器处理判别设备运行状况。

主要技术指标：

（1）先进的无线传感器技术在传输的过程中利用现代数据融合技术，以降低功耗和提高数据精度。

（2）系统服务器对采集的数据进行智能的分析和处理，方便反馈给工作人员进行设备维护。

（3）在分析和考虑洗煤厂实际生产车间的情况下，设计出符合实际情况的网络分布结构。ZigBee用作通信协议满足了低功耗需求。

（4）采用多传感器进行监测量的采集，达到数据高可靠性的目的，为了确保洗煤设备正常运行，强化了管理理念，在科学管理的过程中，做好维护与管理工作，提高工作效益。

5 结束语

本文的设计结合无线传感器技术，采用了传感器采集洗煤厂设备环境中的温湿度、机械振动信号等，实时反馈了机械运行及周围环境情况。通过汇聚节点，协议转换器传输到监测系统服务器中，达到了较好的监测效果，实用性较高。其次，服务器与PC机和控制中心建立连接处理数据，及时给工作人员发出机械设备出现故障的警报，可最大限度地提供安全保障，减轻经济。该系统成本低、功耗低、监测量可靠性高，实时性好等特点还可用于大部分的机械系统中。此外，由于温度传感器在线测出传感器所处环境的温度，将传感器的输出经过放大和A/D变换传到微处理器处理，可实现误差的校正。设计模型方便于对设备进行监测和管理。

参考文献：

[1] 王晴晴， 郭龙， 熊伟程. 基于WSN的洗煤厂监测平台振动信号采集系统的设计与实现[J]. 贵州师范学院学报， 2016， 32（12）：32-36.

[2]张方哲. 中国煤矿资源评估与开發可行性研究[D]. 北京：中国地质大学， 2010.

[3]杨正山. 煤矿资源评估与开发研究[J]. 大科技·科技天地， 2011（6）.

[4] 赵天妤. 提高煤矿洗煤厂自动化水平的措施[J]. 能源与节能， 2017（2）：191-192.

[5] 汤宝平， 黄庆卿， 邓蕾，等. 机械设备状态监测无线传感器网络研究进展[J]. 振动、测试与诊断， 2014， 34（1）：1-7.

[6] 于文海， 韩树章， 黄成麟，等. 选煤厂集中监控系统的设计与实现[J]. 煤矿安全， 2013， 44（3）：122-124.

[7] 蔡巍巍， 汤宝平， 黄庆卿. 面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计[J]. 振动与冲击， 2013， 32（1）：73-77.

[8]曾超， 汤宝平， 肖鑫，等. 低功耗机械振动无线传感器网络节点结构设计[J]. 振动与冲击， 2017， 36（14）：33-37.

[9]王永刚. 洗煤厂机械设备的管理维护[J]. 机械管理开发， 2017， 32（7）：185-186.

[10]李兴. 机械设备状态监测及诊断技术[J]. 技术与市场， 2012， 19（12）： 45-46