矿井主皮带输送机自动监控系统研究

赵国鹏

（潞安集团漳村矿自动化中心， 山西 长治 046032）

引言

现阶段矿井带式输送机沿线布置的各类传感器大多采用有线传输方法，当带式输送机随着采面推移不断收缩时，有效传输布置的传感器拆装等过程较为繁琐，影响皮带输送机出煤效率，同时传输电缆接线过程中有一定的安全隐患。针对上述问题，提出一套基本Zigbee的皮带输送低能耗无线自动监控系统，实现皮带输送机运行状态实时监控。

1 监控系统总体构成

设计的皮带输送机无线自动监控系统包括有跑偏、急停、速度、纵向撕裂、温度、堆煤、烟雾等无线安全传感器，各类传感器布置在皮带输送机沿线预设位置，识别皮带输送机运行状态。传感器监测到的皮带输送机运行状态以无线传输方式传输给无线基站，由可编程控制箱对监测数据进行解析及处理，最后通过环状以太网将数据存储在数据中心，以便监控系统综合管理平台调用相关监测数据。具体监控系统监测数据无线传输结构见图1。

图1 监控系统监测数据无线传输结构

无线保护传感器发出Zigbee信号，无线基站Zigbee接收发出的无线信号并通过MESH（无线基站）将信号传输至带式输送机机头监控基站，随后通过Modbus总线传输方式将信息传输至可编程控制向内，在控制箱内对信号进行解析，识别安全传感器监测信号及位置，通过工业以太网一方面将数据传输至动态软件，一方面经由环网交换机将数据传输至数据中心[1-2]。

2 监控系统关键技术

2.1 无线传输基站

皮带输送机运行监控采用无线传输网络实现，通过组建WIFI网络、Zigbee网络，实现多个基站间数据的无线跳转。其中Zigbee网络采用多射频设计，用以传输无线传感器监测数据；WIFI网络通过MESH传输技术用以实现视频传输、移动终端信息互传、无人监控以及无线链路桥接等功能。

无线传输网络通过无线基站搭接实现，在皮带输送机沿线每隔200 m布置一个无线基站，具体无线基站中包含有Zigbee通信模块、WIFI覆盖模块、RS485转Modbus-TCP模块、MESH跳转模块以及以太网采集接口、RS485接口等。Zigbee通信模块接收到皮带输送机沿途布置的无线传感器，采用RS485总线输出，并经过Modbus-TCP转换模块数据转换后，传输至MESH跳转模块，实现无线路由传输；WIFI覆盖模块直接接入至MESH跳转模块路由。以太网接口用以接入临近电源箱运行数据、输送煤流断面超声扫描仪等可扩展设备，通过MESH跳转模块无线路由传输。

无线传输基站在皮带输送机机头、机尾两端接入到井下环状工业以太网交换机，并将监测信息通过环网传输，同时可以大幅减少MESH跳转距离，提高数据传速率及稳定性。具体井下布置的无线传输基站结构见下页图2。

图2 无线传输基站结构

2.2 Zigbee网络

依据井下安全传感器数据采集及传输需要，将Zigbee网络模块内置于无线基站内，并交叉间隔布置，确保无线安全传感器均位于无线基站数据接收模块附近，提升数据传输、接收可靠性。同时为了提升无线传感器使用时间，MESH无线跳转模块以休眠状态为主，周期性唤醒以便接收无线传感器监测数据，并进行无线转发。无线传感器内部的无线跳转模块与微控制单元（MCU）采用板级连接，避免中间环节，从而降低设备能耗。

2.3 WIFI网络

监控系统WIFI网络信号传输通过MESH网络实现多跳传，并将WIFI模块集成布置于无线基站中，具体实现下述2种功能：WIFI模块用以采集覆盖范围内的WIFI设备，包括有网络摄像仪、扩音电话、手持移动终端等；多跳传输链路桥接，将采用到的WIFI设备信号、Zigbee模块信号、煤流断面信号等传输至皮带输送机监控系统[3-4]。

3 无线网络性能测试

3.1 网络分析

将MESH网络接入到皮带输送机机头、机尾处布置的光纤环网，从而形成冗余稳定的环网结构，避免单点故障造成传输网络中断。无线基站开始运行后，各个基站按照预先设定程序规划连接到有线网络的最佳路径，构建的拓扑结构以传输网络流量为依据确保负载平衡。当任何一个无线传输基站出现故障时，与无线基站相邻基站自动对无线链路进行调整，将流量传输至另外一侧基站或者跳过故障基站直接将流量传输至下一基站，整个调整过程自动、快速进行。例如矿井井下布置皮带输送机长度为6 000 m，每隔200 m布置一个无线基站，共计布置30个基站，形成环状闭网。正常情况中间无线基站通过两侧无线基站跳传传输，从而降低流量跳传次数，提升传输网络稳定性。若沿线布置的某个无线基站故障，造成WIFI链路断开，无线网络按照预先设定逻辑顺序自动更新路由，向反向方向进行流量跳传，从而确保整个无线传输网络链路通畅。

3.2 网络传输性能测试

测试点选择在矿井皮带运输巷内，该运输巷内长为7 000 m，宽、高分别为4.0 m、3.9 m，主要用于行人以及煤炭运输。在运输巷内布置25台无线基站从而构建MESH网络，实现直线传输，共计有24个传输节点，节点间间距约为200 m。

现场无线传输网络测试共分三个阶段，具体为：

1）无线传输设备通电，调整无线传输天线角度及高度，使得节点内邻近天线间有40～50 cm间距，从而确保节点间无线信号强度处于峰值；

2）调整各个无线节点设备功率、通道，并依次调整各节点带宽，使其尽可能最大化；

3）整网并调试。

各个无线节点间信号强度通过设备内置的GLI命令获取，带宽通过IPERF测试软件获取，具体测试到的2组数据带宽曲线见图3。

图3 现场无线传输网络测试结果

从测试结果看出，两组测试数据中每跳间的带宽波动均在1 Mbps以内，无规律，符合无线传输体特性，同时两组测试结果在变化规律上具有一致性，可以为后续的无线传输网络性能分析提供可靠数据。

从测试的2组数据可以看出，数据经过24跳后带宽在4～5 Mbps,测试结果符合预先测试期望要求。从带宽曲线变化曲线看出，前6跳以内带宽衰减较为明显，后续跳传带宽曲线变化较为平缓，15跳以后带宽曲线接近水平发展，测试得到的带宽变化曲线符合无线传输多跳低衰减规律。

通过测试发现，文中提出的无线网络监控系统具有显著的传输性能，可以满足现场监测数据传输需要。通过现场数据测试及调试，可以进一步对传输网络进行优化，解决某些阶段带宽衰减过快问题，从而使得24跳带宽值更高[5-7]。

4 结论

采用本文设计的一种基于无线传输的皮带输送机自动化监控系统对皮带输送机的运行状态进行实时监控。经过对无线网络稳定性以及网络性能进行测试分析，表明构建的皮带输送机无线网络监控系统可靠性、实时性可以满足对皮带输送机的监控需要。