面向采煤机械在线状态监测系统的设计研究

董 建

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤矿的机械系统属于集电气、机械以及液压为一体的协同，此系统的特点是规模大、系统复杂，系统在运行的过程中比较容易受到环境以及煤粉、水雾等因素的影响，并且采煤机械在使用时也会受到岩石或者煤等的冲击，进而造成采煤机械发生轴承、系统或者液压系统故障等情况，这一类系统故障主要体现在振动状态以及温度的变化，并且若出现旋转部件坏损的情况，就会比较容易造成工伤或者二次损伤的安全事故。所以，对系统的运行状态进行监测，能够预防意外停机或者恶性事故发生，还可以提高设备的利用率、经济性以及可靠性，对于降低生产成本有着非常重要的意义。旋转型采煤机械的特点是强振动、旋转等，对在线状态的检测系统有很高的要求。信息采集的线路以及有线电源因为缠绕的问题不能进行安装，因此，其监测的系统应该采取独立的能源供给，并使用无线数据实现相关信息收发。监测、处理并分析温度信号以及振动，能够对设备运行的情况进行监测，对机械设备所产生的故障来源以及类型进行识别，所有的监测信息对于机械设备的安全运行有着非常关键的作用。此次研究所设计的采煤机械在线状态监测系统能够在比较低能耗的情况下完成相关设备的监测，并且设计结构相对简单，在较小的空间中就可以完成相应的监测任务。对于硬件设计的数据传输节点控制包含了电源模板、中央控制模板、数据采集模板和无线发射。

1 硬件设计

面向采煤机械在线状态监测系统的硬件设计包含了数据采集模板设计、电源电路的设计、无线发射设计以及中央控制模板设计。

1.1 电源电路

此次研究所设计的监测系统是MSP430，其属于单片机，工作电压属于低电压进行供电，其电压的范围在1.8～3.6 V。电源电路的设计主要有两个部分，振动能源采集和ASM1117 稳压单元，其中振动能源采集主要应用的是纳米发电机，其把机械振动的能量转变为电能，并对系统进行供电；稳压单元可以达到硬件系统对电源的相关要求，如纹波小、稳压等。

1.2 数据采集模块

数据采集主要包含了两个模板，其一是对温度数据的采集，其二是对振动数据的采集。进行温度的数据采集主要使用DS18B20 温度传感器，该传感器可通过DQ 协议来进行信息的发送或者接受，所以，在此传感器以及微控制中间只需要连接一条线路来完成温度测量，一条指令对应一次测量，所得结果存储于暂存器中，用户只要使用一条读取的指令就能够把暂存器中的相关数据读取，传感器再以数字的形式将数据输出，这样不仅简单易操作，还能够节省片上的资源。对于振动数据的采集，使用ADXL345三轴加速数字传感器，其特点是超低能耗，该传感器经过I2C 协议来和微控制中心实现通信，此类芯片的存储管理可使用32 极FIFO 的缓冲器，数据读取的过程中，该缓冲器能够最大限度地降低主机处理器的负荷，实现降低整体功耗的目的[1]。

1.3 中央控制模块

对电路的控制包含了复位电路、微控中心和晶振部分，其中，复位电路主要采取的是上电自复位，按照MSP430 芯片的手册设计属于低电平的复位。晶振有两套时钟机制，其一是16 MHz 有源晶振，其二是32.768 kHz 石英晶振。中央控制板块按照系统的功耗来对相应的算法进行协调匹配，达到系统的动态能耗管理，此能耗管理的方法使得系统的循环处于待机模式以及活动模式。其中活动模式的电量消耗大概是40～50 mA，但待机的模式下，能耗只达到了大约10 μA，每一个系统的运营需求都与相应的功耗相符合，这样的运行不仅不会影响系统的性能，还能够大大降低系统的平均耗能[2]。

1.4 无线发射模块

无线发射的电路主要是负责数据的传输，也就是和上位机通信，无线发射使用的射频单元是基于ZigBee 协议CC2530，其支持串口通信，优势是有很强的抗干扰性，接受信息的灵敏度非常高，其被广泛应用在了低功耗的传感网络当中。MSP430 主要是经过串口给CC2530 进行数据发送，还包括了所接收的温度信息以及三轴加速值，CC2530 再把所接收到的温度数据以及加速值根据通信的协议进行打包之后发送[3]。

2 软件设计

2.1 传输节点程序和数据采集

系统数据采集以及传输节点程序的相关设计有一部分是在IAR 软件平台来进行编译并调试完成的。系统通电之后，最开始要实行时钟与射频的相关硬件初始化，在实行传感器的初始化，并创建微控中心以及传感器数据通道，然后开始采集数据，把所采集的相关数据使用串口发送到无线射频，然后进入到循环的模式。进行循环的过程中，无线射频就会把所采集到的相关数据进行打包并发送出去，循环完成之后，系统便自动进入到低耗能的模式，只有下一次的工作开始时再运行并耗能[4]。

2.2 监测报警中心程序

对于上位机的用户界面相关软件设计，主要是在LabVIEW 平台的基础之上，用户界面可以随时显示监测点所发送回来的信息，还会通过曲线形式来对这些数据进行展示，如果监测到的数据超过所设定的报警值，报警灯就会从红色变成绿色并报警。与此同时，监测报警中心还可以查看数据库所保存下来的各阶段相关数据，也可对这些数据进行管理，还能查看报表。报警中心的程序设计有主界面、数据监控、用户登录、警报等[5]。

此次研究中所设计的采煤机械在线监测系统主要是按照大型机械的在线监测要求来实现的，其要求是满足独立的能源供应，实现无线数据的收发。其中，数据采集发送主要运用的是动态功耗的管理方式，数据以及通信的传输是在Zig-Bee 的基础之上实现无线传输，用户可通过用户界面来观看机械的相关情况，如果运行的过程中出现偏差，上位机就会立即报警。通过实验证明，此系统的数据显示以及传输、功耗测试等均已达到设计的要求。此次研究的成果有助于煤炭采量的提升，在一定程度上减少安全事故的发生，提升采煤机械的智能化。

3 结论

此次研究发现，就采煤机械在线监测系统的低功耗方面还有一定的进步空间，随着相关技术的发展以及应用，未来的采煤机械在线状态监测系统的设计还会加入更多高科技、智能化的成分，为采煤工作打下坚实的基础。