基于ZigBee技术的带式输送机保护系统研究

徐 凯

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

煤炭在我国能源生产和消费结构中占比约为70%，在未来相当长的时间内，煤炭仍将是我国的主要能源。煤矿井下带式输送机一般运送距离较远，生产环境恶劣，不便于人工监测和检修，导致时有事故发生。按规范要求井下带式输送机都装有带式输送机保护系统，保护系统目前仍以有线方式进行连接, 以实现各种控制及保护功能。有线连接方式的带式输送机保护装置通信可靠性高、保护响应速度灵敏，适用于固定安装的带式输送机。但在井下采煤及掘进工作面，由于带式输送机长度随着采掘作业不断变化，增加或者减少传感器时需敷设大量电缆，且线路接点质量难以保障，发生故障时排查困难。因此,在采煤及掘进工作面采用可靠的无线通信带式输送机保护系统成为各个矿井的现实需求。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，具有很强的实际应用价值。ZigBee技术作为信息监测的手段，目前主要用于工业控制领域，另外在家用电器、汽车传感、楼宇消防及监控自动化等领域也有较多的应用。在煤矿领域主要用于井下人员定位系统、安全监测系统，瓦斯监测系统等，但在井下应用实例还比较少。

ZigBee技术具有以下特点：①数据传输速率低，模块集成度高，协议简单，整体成本较低；②模块发射功率小，且待机时可处于休眠模式，设备耗电量低；③网络容量大，且可以方便地进行网络扩展；④通常时延都在15～30 μs之间，延时短；⑤对数据进行完整性检查，采用加密算法，安全性高；⑥采取了避开发送数据的竞争和冲突的策略，可靠性较高。

2 ZigBee无线网络技术

ZigBee支持多种网络拓扑结构，可以组成星型、簇状型和网状型拓扑结构。

星型网是其中最简单的一种网络，其核心为一个网络协调器，网络协调器具有较大的存储容量和强大的计算能力，可同时连接多个全功能设备或精简功能设备，可以与任何其它设备对话，星型网中所有数据需要通过网络协调器进行转发。

簇状型网络由多个星型网通过路由连接构成，也叫做树形网，覆盖的物理面积更大，可容纳更多的子节点。网状型网络更为复杂，在网状型网络中一个节点不但能发送、接收一条信息，还具有路由的功能，能将信息传递给临近的节点。网状网的覆盖范围比簇状型网络更大，拥有更多的网络节点。网络中的每个节点都具有路由器的功能，在其中一个节点出现故障时，能自动根据预设的路由协议跳转至其他路径，实现网络的自愈功能，提高网络的稳定性。

3 ZigBee无线网络的带式输送机保护系统

带式输送机保护系统包括控制主机及现场传感器两部分，控制主机设在带式输送机机头控制台位置，各传感器沿带式输送机沿线分布，有跑偏传感器、堆煤传感器、烟雾传感器、撕裂传感器、打滑传感器、断带传感器、超温传感器等，数据类型也含有模拟量及开关量两种。该系统是在有线带式输送机保护装置的基础上，在控制主机及各传感器处增加无线通信模块，实现无线传输保护信号的功能。

3.1 系统网络结构

现场设备的分布采用分层结构,在井下带式输送机巷道内每隔一段距离布置一台全功能设备作为网络的基本节点，这些节点在巷道内形成了系统的基本网络架构。每个节点均采用全功能设备，具备路由功能,节点之间可进行双向数据传输, 所有数据汇集到网络协调器，连接至上层控制设备。

在各保护传感器内集成精简功能设备作为网络的子节点，负责将现场传感器采集到的数据发送至巷道内布置的全功能设备，全功能设备间通过点对点通信，逐步将数据发向网络协调器，通过网络协调器送至带式输送机保护系统控制主机，其网络结构如图1所示。

图1 网络结构图

系统网络协调器设于带式输送机保护系统主机处，可通过以太网与上位机相连；使用全功能设备作为网络路由器，保障主节点和其他子节点间的数据通信；使用精简功能设备作为终端设备，终端设备带有可编辑的输入、输出接口，接口的工作方式可通过模块上拨码开关来选择。终端设备的输入接口用于接收现场带式输送机跑偏、撕裂、烟雾开关等传感器输出信号，输出接口用于控制命令的输出，外接继电器用来控制超温洒水系统各个电磁阀的开启。

为防止系统中因全功能设备故障而引起的网络故障，可在巷道中根据实际需要增设部分全功能设备，或将部分现场传感器中精简功能设备改为全功能设备，形成网络的冗余回路，使网络中任意单一模块退出时能自动修复网络，不影响整个系统的稳定性。

3.2 电源管理模式

系统采用需求时唤醒的网络拓扑模式，一般情况下传感器节点处于待机状态，采用低功率监测信道，消耗功率小，在带式输送机发生跑偏等故障时，传感器节点才自动从待机模式进入工作模式，并与汇节点进行通信，将设备故障信息发送到网络协调器，通过带式输送机保护系统主机进行相应的处理，发出报警信号或紧急停机。网络中每个节点均采用电池供电，设计有电池电压监控回路对电池的输出电压进行监控，当电池电压不满足系统要求或达到预设报警值时，可发出报警信号，提醒系统维护人员及时更换电池。

4 系统优势

系统基于ZigBee技术，其网络结构是一个对等网，网络中的节点在一定意义上地位相同，不存在严格的主从关系，网络中的任意一个节点加入或者退出时都不影响整个网络的正常运行。所以需要增加或者删除一个或多个节点，或者节点位置发生变动、故障等时，网络都能够自动恢复，并自动寻找最优路径对拓扑结构进行相应调整，快速形成新的网络结构，保证整个系统仍然能正常工作。

在井下采煤或掘进工作面等生产地点，可伸缩带式输送机保护系统需要有较强的机动性，基于ZigBee技术的带式输送机保护系统具有很大的优势。在采煤过程中顺槽带式输送机的长度一直在变短，安装时设置的许多保护传感器需要撤掉，而在掘进过程中，顺槽带式输送机的长度一直在增加，需要增设保护传感器，采用该网络结构的保护方式，可方便地增加或减少传感器数量，系统网络自动添加或者剔除相应的网络节点，不影响保护系统的正常工作。而且采用无线传输方式不需要布置大量的线缆，具有很强的便捷性。

5 结语

井下采煤工作面或掘进工作面可伸缩带式输送机随着生产的进行需要不断缩短和延长，给有线带式输送机保护系统带来很多不便，因此，将ZigBee技术引入井下带式输送机保护系统具有一定的研究和应用价值。ZigBee技术或将改变井下带式输送机保护领域以有线为主的接线方式, 进一步改善系统的性能,降低设备和维护成本，未来ZigBee网络还可以扩展到井下环境信息监测等领域，使ZigBee技术在井下控制系统领域得到更广泛应用。