采煤机运行状态监测系统的设计与应用研究

2022-08-02吕兆海陈德勇张建超

能源与环保 2022年7期

田坤，吕兆海，陈德勇，张建超

(1.陕西能源职业技术学院，陕西咸阳 712000； 2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川 750001)

煤炭资源对人们的日常生活和社会工业生产有非常大的作用，煤炭资源的稳定供应直接关系到国民经济发展和社会稳定[1]。采煤机是煤矿开采中关键的设备，其运行状态会对采煤效率产生决定性的影响[2]。随着电子及通信技术的发展，煤炭领域的自动化水平越来越高，对于采煤机同样如此。但是煤矿开采环境过于复杂和恶劣，导致煤矿开采设备不可避免地出现各种故障问题，对煤矿开采设备的连续运转造成不良影响，从而降低煤矿开采效率[3]，给煤矿企业造成了严重的经济损失。采煤机作为开采环节最重要的设备，有必要对其运行状态进行监测，以便及时发现设备运行时存在的故障问题和安全隐患，进而及时采取措施解决问题[4]。针对采煤机的状态监测需求，已有技术人员和学者[5]开展了相关的研究，但是建立的监测系统通常为有线通信方式，此类系统难以适应复杂的矿井环境、稳定性不强。针对该问题，本研究中基于无线数据通信方式构建采煤机的运行状态监测系统，并将其应用到工程实践中，效果良好，对于提升采煤机的自动化水平具有一定的现实意义。

1 监测系统方案设计

1.1 无线通信方式确定

随着通信技术的快速发展，当前无线通信方式已经非常稳定，与有线传输相比较表现出了很大的优势。①矿井的工况环境比较复杂，给布线造成了很大难度，而无线通信方式可以规避布线的问题；②有线通信方式信号在传输时不可避免地会产生衰减的现象，且容易受到外部环境影响，如大功率机电设备启停时电流突变会在附近产生磁场，进而影响信号的传输，而无线信号传输不存在此问题。就当前技术水平而言，能够实现无线信号传输的技术形式有多种，常见的包括蓝牙、红外、WiFi和ZigBee[6]。常用无线通信技术的比较见表1。从表1中可以看出，不同的无线通信技术各有优缺点。但是考虑到矿井复杂的工作环境以及不同技术运行的稳定性，最终选用ZigBee无线通信技术。

表1 常用无线通信技术的比较分析Tab.1 Comparison and analysis of commonly used wirelesscommunication technologies

1.2 整体方案设计

采煤机运行状态监测系统的主要作用是对井下运行中的设备状态进行实时监测[7]。结合煤矿实际情况对监测系统进行了规划设计，在充分分析有线通信和无线通信优缺点的基础上，对监测系统进行了整体设计。采煤机运行状态监测系统整体方案如图1所示。

图1 采煤机运行状态监测系统整体方案Fig.1 Overall scheme of monitoring system for operation state of shearer

由图1可知，整个监测系统划分为井上部分和井下部分。其中，井上的是监测中心，作用是对井下采集到的数据信息进行实时展示，以便工作人员能够掌握采煤机的运行状态。另外，还需要基于状态数据信息采集结果分析采煤机的运行情况，判断设备是否存在故障或安全隐患。井下部分主要包括安装在采煤机设备中的各类传感器以及机载计算机，设备中还配置有1个ZigBee节点，该节点与计算机之间通过串口进行连接，实现数据的传输。工作面附近设置有多个ZigBee节点，各个节点之间通过无线通信的方式实现数据传输，还配置有CAN总线节点，且与其中一个ZigBee节点连接。井上部分和井下部分基于CAN总线实现数据通信。井上监测中心可以结合实际情况向井下设备下达控制指令，比如对调高运动和牵引运动等进行控制。

2 硬件设施选型与设计

2.1 ZigBee无线模块硬件设计

(1)芯片的选型。对于ZigBee无线模块而言，芯片是最为关键和核心的部分，其性能好坏会对无线传输过程的性能与稳定性产生非常重要的影响。结合实际情况，最终选用CC2530型芯片，该芯片不仅支持ZigBee通信协议，还支持2.4GIEEE802.15.4协议[8]。芯片属于标准的51内核，提供了多个I/O引脚，能够与其他硬件设施实现连接。CC2530芯片的电路原理如图2所示。芯片整体上主要由3大模块构成，以下分别对此进行介绍。①CPU与内存。CPU的内核为8051系列，具有很好的兼容性，性能良好，完全能够满足该系统的使用需要，设置有3条内存总线，分别为SFR、DATA、CODE/XDATA，不同形式的内存总线可以实现与不同物理元件之间的连接。②时钟及电源管理。该模块利用1.8C DC稳压器进行供电，此模块的作用是对ZigBee无线模块所有电源进行管理，确保能够输出稳定的电压并延长电池的使用寿命。③无线射频模块。此模块主要包含无线收发器RF，基于该收发器可以向外发射或者接收来自外部的无线信号，实现不同节点之间数据的无线传输。

图2 CC2530芯片的电路原理Fig.2 Circuit schematic diagram of CC2530 chip

(2)天线及巴伦匹配电路。对于ZigBee无线传输网络而言，天线以及巴伦匹配电路会对通信的质量产生很大的影响，重点会影响系统的功率损耗、无线通信距离等。为了确保线路的稳定运行，需要在电缆与天线之间添加转换器。天线类型主要有倒F天线、PCB天线和SMA接口型杆状天线。为了确保无线信号传输性能，使用SMA接口型杆状天线，天线以及巴伦匹配电路如图3所示。

(3)电源电路。电源电路中使用HT7533型芯片实现稳压功能，在该芯片的作用下，可以实现设备的低功耗运行并且确保电压稳定。该芯片的输入电压达到了30 V，输出电流为100 mA，输出电压可以在2.1～12.0 V，可以结合实际情况在多个电压档次之间调整。电源电路原理如图4所示。

图3 天线以及巴伦匹配电路Fig.3 Antenna and balun matching circuit diagram

图4 电源电路原理Fig.4 Block diagram of power supply circuit

2.2 CAN总线通信模块设计

从图1所示的监测系统整体方案可以看出，CAN总线通信模块中共包含有2个节点，分别分布在井上部分和井下部分。其中，井下的CAN节点1与ZigBee节点n进行连接，井上的CAN节点2与地面计算机连接，2个节点实现了井上和井下部分数据的传输。

(1)主控电路设计。系统设计的CAN总线模块中使用的处理器型号为STM32F103VET6，已有实践经验表明，该型号处理器具有很好的运行稳定性，运行速度相对较快。CPU属于32位处理器，运行时频率可以达到72 MHz，可以满足很多场景的工业应用，内存空间可以根据实际使用需要在32～512 KB范围内合理调节。拥有13个不同类型的通信接口，包括常见的USART接口、CAN接口和USB接口等，可以满足控制器与其他类型硬件设施的通信需要。该控制器中共包含有3个模数转换器，属于微米级别，性能优越，基于模数转换器可以对芯片运行时的温度及参考电压值进行读取，以掌握芯片运行状态。拥有11个不同类型的定时器，可以应用在不同的场合，因此芯片具有很好的环境适应性。

系统供电电压通常为5 V，但STM32F103VET6处理器正常运行时的电压需要3.3 V。因此要设计专门的电路，将系统提供的5 V电压转变成为3.3 V电压，这样处理器才能够正常稳定工作。电压转变电路原理如图5所示。

(2)CAN总线通信电路。对于1个完备的CAN节点而言，内部包含有3个主要的硬件设施，分别为CAN控制器、CAN收发器和微处理器[9]。其中，控制器主要有2种形式，分别为内置和外置MCU，不同结构形式有各自的优缺点，本系统结合实际情况将控制器采用内置方法进行配置。在外围电路中单独设置一个CAN收发器，具体型号为TJA1050，这种结构设计可以使整个CAN节点变得更加简单，降低成本。

图5 电压转变电路原理Fig.5 Schematic diagram of voltage conversion circuit

CAN总线的通信电路原理如图6所示。

图6 CAN总线的通信电路原理Fig.6 Schematic diagram of CAN buscommunication circuit

3 监测系统软件部分设计

3.1 ZigBee模块软件设计

研究基于EW软件对ZigBee模块的软件程序进行开发设计。以下主要对ZigBee模块中的协调器节点、路由节点和终端节点的软件工作流程进行介绍。

(1)协调器节点软件程序设计。对于ZigBee无线传输网络而言，协调器节点发挥着非常重要的作用，属于组织者的身份。一方面要负责网络建立，还要对网络进行配置与管理，另外还要接收来自终端节点输送的数据信息。节点通电以后开始启动工作，系统需要对节点内包含的所有模块进行初始化处理，检测所有硬件设施的运行状态，确保能够稳定工作。完成初始化工作后，开始建立ZigBee无线传输网络，然后进入工作状态。协调器直接与车载计算机进行连接，并接收计算机传输的数据，将其通过无线方式传输给其他的路由节点。另外，也需要接收其他路由节点传输的数据，并将其输送到车载计算机上。

(2)路由节点软件程序设计。路由节点是整个ZigBee无线传输网络的中转站，作用是延长无线网络的传输长度，具体数量可以根据实际情况合理确定[10]。通常相邻路由节点之间的距离越近，无线传输过程越可靠。路由节点通电后即可开始工作，工作时首先需要对路由节点中所有的硬件设施进行初始化处理，确保无误后开始在周围中搜索无线网络信号。搜索到网络后即可向协调器发送网络申请，待协调器同意后可以建立无线网络连接。路由节点需要将协调器节点发送的数据传输到终端节点，同样的也要将终端节点传输的数据返回到协调器节点中。路由节点基本工作流程如图7所示。

图7 路由节点基本工作流程Fig.7 Basic working flow chart of routing node

(3)终端节点软件程序设计。在ZigBee无线网络中，终端节点的作用是建立无线网络与CAN总线有线网络之间的联系。终端节点要接收无线网络路由节点传输的数据信息，然后将数据通过CAN总线传输到井上的CAN节点中。终端节点正常工作时需要用到两个函数，分别为消息处理函数和数据发送函数。可以利用消息处理函数对设备的类型进行读取，并对传输的数据进行判断。数据发送函数的作用是将接收到的数据信息通过有线或者无线方式向外发送。终端节点的基本工作流程如图8所示。由图8可知，终端节点通电后开始工作，首先需要对各项硬件设施和协议栈进行初始化处理，然后需要申请加入无线网络，成功入网后可以实现数据的传输。

图8 终端节点的基本工作流程Fig.8 Basic working flow chart of terminal node

3.2 CAN总线模块软件部分设计

在CAN总线网络中使用的主控芯片为单片机，具体型号为STM32，所以只需要对选用的单片机进行编程就能实现所有功能，使用的编程平台为Keil MDK。对CAN总线数据传输模块进行设计时，需要划分为两部分进行单独考虑。①针对协议控制器的初始化设置，主要是对波特率大小、CAN模式等各项参数进行设置或选择；②对数据的接收与发送子程序进行初始化处理。需要说明的是，以上2个步骤必须在系统处于复位状态时才能进行操作。CAN总线数据收发的基本工作流程如图9所示。

4 监测系统的应用研究

为了分析设计的采煤机运行状态监测系统的科学性与合理性，将以上设计的系统方案部署到煤矿开采工程实践中，对系统运行状态进行了连续6个月时间的现场测试，对相关运行状态进行记录。重点对ZigBee无线通信效果进行了测试分析，测试过程中分别将ZigBee节点之间的距离设置为40、50、60、70、80、90、100 m，每种距离情况下又设置2种工况，分别为中间无间隔和中间有间隔，所有情况下均发送1 000条报文，统计能够正常接收到的报文数量，进而统计不同距离、不同工况时的数据丢包率。

不同工况条件下的数据丢包率统计情况如图10所示。从图10中可以看出，随着ZigBee节点之间距离的不断增加，数据丢包率呈现出逐渐增加的趋势；在相同的节点距离情况下，节点之间有间隔时的丢包率比无间隔时的丢包率要高很多。但是在ZigBee结节间距为40 m时，无论中间有无间隔，都能够确保数据丢包率为0。因此，系统中将ZigBee节点之间的距离控制在40 m以内，以确保无线数据传输过程的可靠性与稳定性。

图9 CAN总线数据收发的基本工作流程Fig.9 Basic working flow chart of CAN bus data receiving and sending

图10 不同工况条件下的数据丢包率统计Fig.10 Statistics of data packet loss rate under different working conditions

结果发现，监测系统整体运行稳定，整个测试期间没有出现明显的故障问题，各项功能都能够实现，可对采煤机的运行状态实现远程监测与控制，有效保障了煤矿开采效率及安全性。与使用运行状态监测系统之前的数据进行比较发现，通过监测系统的实践应用，煤矿企业可以减少采煤机设备维护保养人员3～4人，设备维护保养成本与前期相比降低了15%左右，采煤机的运行效率提升了10%左右。经过专家的初步论证，认为该系统的成功实践应用每年可以为煤矿企业创造200万元的经济效益。

综上所述，监测系统的应用不仅为煤矿企业创造了良好的经济效益，还为煤矿企业创造了很好的安全效应，值得其他煤矿企业借鉴。