董 建

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦的機(jī)械系統(tǒng)屬于集電氣、機(jī)械以及液壓為一體的協(xié)同，此系統(tǒng)的特點(diǎn)是規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中比較容易受到環(huán)境以及煤粉、水霧等因素的影響，并且采煤機(jī)械在使用時(shí)也會(huì)受到巖石或者煤等的沖擊，進(jìn)而造成采煤機(jī)械發(fā)生軸承、系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng)故障等情況，這一類系統(tǒng)故障主要體現(xiàn)在振動(dòng)狀態(tài)以及溫度的變化，并且若出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件壞損的情況，就會(huì)比較容易造成工傷或者二次損傷的安全事故。所以，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠預(yù)防意外停機(jī)或者惡性事故發(fā)生，還可以提高設(shè)備的利用率、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性，對(duì)于降低生產(chǎn)成本有著非常重要的意義。旋轉(zhuǎn)型采煤機(jī)械的特點(diǎn)是強(qiáng)振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，對(duì)在線狀態(tài)的檢測(cè)系統(tǒng)有很高的要求。信息采集的線路以及有線電源因?yàn)槔p繞的問題不能進(jìn)行安裝，因此，其監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)應(yīng)該采取獨(dú)立的能源供給，并使用無(wú)線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息收發(fā)。監(jiān)測(cè)、處理并分析溫度信號(hào)以及振動(dòng)，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)械設(shè)備所產(chǎn)生的故障來(lái)源以及類型進(jìn)行識(shí)別，所有的監(jiān)測(cè)信息對(duì)于機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行有著非常關(guān)鍵的作用。此次研究所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在比較低能耗的情況下完成相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，并且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在較小的空間中就可以完成相應(yīng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)控制包含了電源模板、中央控制模板、數(shù)據(jù)采集模板和無(wú)線發(fā)射。

1 硬件設(shè)計(jì)

面向采煤機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含了數(shù)據(jù)采集模板設(shè)計(jì)、電源電路的設(shè)計(jì)、無(wú)線發(fā)射設(shè)計(jì)以及中央控制模板設(shè)計(jì)。

1.1 電源電路

此次研究所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是MSP430，其屬于單片機(jī)，工作電壓屬于低電壓進(jìn)行供電，其電壓的范圍在1.8～3.6 V。電源電路的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)部分，振動(dòng)能源采集和ASM1117 穩(wěn)壓?jiǎn)卧渲姓駝?dòng)能源采集主要應(yīng)用的是納米發(fā)電機(jī)，其把機(jī)械振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電；穩(wěn)壓?jiǎn)卧梢赃_(dá)到硬件系統(tǒng)對(duì)電源的相關(guān)要求，如紋波小、穩(wěn)壓等。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要包含了兩個(gè)模板，其一是對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集，其二是對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。進(jìn)行溫度的數(shù)據(jù)采集主要使用DS18B20 溫度傳感器，該傳感器可通過(guò)DQ 協(xié)議來(lái)進(jìn)行信息的發(fā)送或者接受，所以，在此傳感器以及微控制中間只需要連接一條線路來(lái)完成溫度測(cè)量，一條指令對(duì)應(yīng)一次測(cè)量，所得結(jié)果存儲(chǔ)于暫存器中，用戶只要使用一條讀取的指令就能夠把暫存器中的相關(guān)數(shù)據(jù)讀取，傳感器再以數(shù)字的形式將數(shù)據(jù)輸出，這樣不僅簡(jiǎn)單易操作，還能夠節(jié)省片上的資源。對(duì)于振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，使用ADXL345三軸加速數(shù)字傳感器，其特點(diǎn)是超低能耗，該傳感器經(jīng)過(guò)I2C 協(xié)議來(lái)和微控制中心實(shí)現(xiàn)通信，此類芯片的存儲(chǔ)管理可使用32 極FIFO 的緩沖器，數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程中，該緩沖器能夠最大限度地降低主機(jī)處理器的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)降低整體功耗的目的[1]。

1.3 中央控制模塊

對(duì)電路的控制包含了復(fù)位電路、微控中心和晶振部分，其中，復(fù)位電路主要采取的是上電自復(fù)位，按照MSP430 芯片的手冊(cè)設(shè)計(jì)屬于低電平的復(fù)位。晶振有兩套時(shí)鐘機(jī)制，其一是16 MHz 有源晶振，其二是32.768 kHz 石英晶振。中央控制板塊按照系統(tǒng)的功耗來(lái)對(duì)相應(yīng)的算法進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配，達(dá)到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能耗管理，此能耗管理的方法使得系統(tǒng)的循環(huán)處于待機(jī)模式以及活動(dòng)模式。其中活動(dòng)模式的電量消耗大概是40～50 mA，但待機(jī)的模式下，能耗只達(dá)到了大約10 μA，每一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)需求都與相應(yīng)的功耗相符合，這樣的運(yùn)行不僅不會(huì)影響系統(tǒng)的性能，還能夠大大降低系統(tǒng)的平均耗能[2]。

1.4 無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線發(fā)射的電路主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，也就是和上位機(jī)通信，無(wú)線發(fā)射使用的射頻單元是基于ZigBee 協(xié)議CC2530，其支持串口通信，優(yōu)勢(shì)是有很強(qiáng)的抗干擾性，接受信息的靈敏度非常高，其被廣泛應(yīng)用在了低功耗的傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。MSP430 主要是經(jīng)過(guò)串口給CC2530 進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，還包括了所接收的溫度信息以及三軸加速值，CC2530 再把所接收到的溫度數(shù)據(jù)以及加速值根據(jù)通信的協(xié)議進(jìn)行打包之后發(fā)送[3]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 傳輸節(jié)點(diǎn)程序和數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及傳輸節(jié)點(diǎn)程序的相關(guān)設(shè)計(jì)有一部分是在IAR 軟件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行編譯并調(diào)試完成的。系統(tǒng)通電之后，最開始要實(shí)行時(shí)鐘與射頻的相關(guān)硬件初始化，在實(shí)行傳感器的初始化，并創(chuàng)建微控中心以及傳感器數(shù)據(jù)通道，然后開始采集數(shù)據(jù)，把所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)使用串口發(fā)送到無(wú)線射頻，然后進(jìn)入到循環(huán)的模式。進(jìn)行循環(huán)的過(guò)程中，無(wú)線射頻就會(huì)把所采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并發(fā)送出去，循環(huán)完成之后，系統(tǒng)便自動(dòng)進(jìn)入到低耗能的模式，只有下一次的工作開始時(shí)再運(yùn)行并耗能[4]。

2.2 監(jiān)測(cè)報(bào)警中心程序

對(duì)于上位機(jī)的用戶界面相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，主要是在LabVIEW 平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，用戶界面可以隨時(shí)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)所發(fā)送回來(lái)的信息，還會(huì)通過(guò)曲線形式來(lái)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，如果監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)所設(shè)定的報(bào)警值，報(bào)警燈就會(huì)從紅色變成綠色并報(bào)警。與此同時(shí)，監(jiān)測(cè)報(bào)警中心還可以查看數(shù)據(jù)庫(kù)所保存下來(lái)的各階段相關(guān)數(shù)據(jù)，也可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，還能查看報(bào)表。報(bào)警中心的程序設(shè)計(jì)有主界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控、用戶登錄、警報(bào)等[5]。

此次研究中所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)械在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是按照大型機(jī)械的在線監(jiān)測(cè)要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其要求是滿足獨(dú)立的能源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，數(shù)據(jù)采集發(fā)送主要運(yùn)用的是動(dòng)態(tài)功耗的管理方式，數(shù)據(jù)以及通信的傳輸是在Zig-Bee 的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，用戶可通過(guò)用戶界面來(lái)觀看機(jī)械的相關(guān)情況，如果運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)偏差，上位機(jī)就會(huì)立即報(bào)警。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及傳輸、功耗測(cè)試等均已達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。此次研究的成果有助于煤炭采量的提升，在一定程度上減少安全事故的發(fā)生，提升采煤機(jī)械的智能化。

3 結(jié)論

此次研究發(fā)現(xiàn)，就采煤機(jī)械在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低功耗方面還有一定的進(jìn)步空間，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用，未來(lái)的采煤機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還會(huì)加入更多高科技、智能化的成分，為采煤工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。