田 坤,呂兆海,陳德勇,張建超
(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000; 2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001)
煤炭資源對(duì)人們的日常生活和社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)有非常大的作用,煤炭資源的穩(wěn)定供應(yīng)直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[1]。采煤機(jī)是煤礦開采中關(guān)鍵的設(shè)備,其運(yùn)行狀態(tài)會(huì)對(duì)采煤效率產(chǎn)生決定性的影響[2]。隨著電子及通信技術(shù)的發(fā)展,煤炭領(lǐng)域的自動(dòng)化水平越來越高,對(duì)于采煤機(jī)同樣如此。但是煤礦開采環(huán)境過于復(fù)雜和惡劣,導(dǎo)致煤礦開采設(shè)備不可避免地出現(xiàn)各種故障問題,對(duì)煤礦開采設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)造成不良影響,從而降低煤礦開采效率[3],給煤礦企業(yè)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。采煤機(jī)作為開采環(huán)節(jié)最重要的設(shè)備,有必要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)存在的故障問題和安全隱患,進(jìn)而及時(shí)采取措施解決問題[4]。針對(duì)采煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求,已有技術(shù)人員和學(xué)者[5]開展了相關(guān)的研究,但是建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常為有線通信方式,此類系統(tǒng)難以適應(yīng)復(fù)雜的礦井環(huán)境、穩(wěn)定性不強(qiáng)。針對(duì)該問題,本研究中基于無線數(shù)據(jù)通信方式構(gòu)建采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中,效果良好,對(duì)于提升采煤機(jī)的自動(dòng)化水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,當(dāng)前無線通信方式已經(jīng)非常穩(wěn)定,與有線傳輸相比較表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)。①礦井的工況環(huán)境比較復(fù)雜,給布線造成了很大難度,而無線通信方式可以規(guī)避布線的問題;②有線通信方式信號(hào)在傳輸時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象,且容易受到外部環(huán)境影響,如大功率機(jī)電設(shè)備啟停時(shí)電流突變會(huì)在附近產(chǎn)生磁場(chǎng),進(jìn)而影響信號(hào)的傳輸,而無線信號(hào)傳輸不存在此問題。就當(dāng)前技術(shù)水平而言,能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)形式有多種,常見的包括藍(lán)牙、紅外、WiFi和ZigBee[6]。常用無線通信技術(shù)的比較見表1。從表1中可以看出,不同的無線通信技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是考慮到礦井復(fù)雜的工作環(huán)境以及不同技術(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定性,最終選用ZigBee無線通信技術(shù)。
表1 常用無線通信技術(shù)的比較分析Tab.1 Comparison and analysis of commonly used wirelesscommunication technologies
采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用是對(duì)井下運(yùn)行中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。結(jié)合煤礦實(shí)際情況對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì),在充分分析有線通信和無線通信優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案如圖1所示。
圖1 采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall scheme of monitoring system for operation state of shearer
由圖1可知,整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為井上部分和井下部分。其中,井上的是監(jiān)測(cè)中心,作用是對(duì)井下采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示,以便工作人員能夠掌握采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。另外,還需要基于狀態(tài)數(shù)據(jù)信息采集結(jié)果分析采煤機(jī)的運(yùn)行情況,判斷設(shè)備是否存在故障或安全隱患。井下部分主要包括安裝在采煤機(jī)設(shè)備中的各類傳感器以及機(jī)載計(jì)算機(jī),設(shè)備中還配置有1個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間通過串口進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。工作面附近設(shè)置有多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn),各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,還配置有CAN總線節(jié)點(diǎn),且與其中一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)連接。井上部分和井下部分基于CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。井上監(jiān)測(cè)中心可以結(jié)合實(shí)際情況向井下設(shè)備下達(dá)控制指令,比如對(duì)調(diào)高運(yùn)動(dòng)和牽引運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行控制。
(1)芯片的選型。對(duì)于ZigBee無線模塊而言,芯片是最為關(guān)鍵和核心的部分,其性能好壞會(huì)對(duì)無線傳輸過程的性能與穩(wěn)定性產(chǎn)生非常重要的影響。結(jié)合實(shí)際情況,最終選用CC2530型芯片,該芯片不僅支持ZigBee通信協(xié)議,還支持2.4GIEEE802.15.4協(xié)議[8]。芯片屬于標(biāo)準(zhǔn)的51內(nèi)核,提供了多個(gè)I/O引腳,能夠與其他硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)連接。CC2530芯片的電路原理如圖2所示。芯片整體上主要由3大模塊構(gòu)成,以下分別對(duì)此進(jìn)行介紹。①CPU與內(nèi)存。CPU的內(nèi)核為8051系列,具有很好的兼容性,性能良好,完全能夠滿足該系統(tǒng)的使用需要,設(shè)置有3條內(nèi)存總線,分別為SFR、DATA、CODE/XDATA,不同形式的內(nèi)存總線可以實(shí)現(xiàn)與不同物理元件之間的連接。②時(shí)鐘及電源管理。該模塊利用1.8C DC穩(wěn)壓器進(jìn)行供電,此模塊的作用是對(duì)ZigBee無線模塊所有電源進(jìn)行管理,確保能夠輸出穩(wěn)定的電壓并延長(zhǎng)電池的使用壽命。③無線射頻模塊。此模塊主要包含無線收發(fā)器RF,基于該收發(fā)器可以向外發(fā)射或者接收來自外部的無線信號(hào),實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的無線傳輸。
圖2 CC2530芯片的電路原理Fig.2 Circuit schematic diagram of CC2530 chip
(2)天線及巴倫匹配電路。對(duì)于ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)而言,天線以及巴倫匹配電路會(huì)對(duì)通信的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響,重點(diǎn)會(huì)影響系統(tǒng)的功率損耗、無線通信距離等。為了確保線路的穩(wěn)定運(yùn)行,需要在電纜與天線之間添加轉(zhuǎn)換器。天線類型主要有倒F天線、PCB天線和SMA接口型桿狀天線。為了確保無線信號(hào)傳輸性能,使用SMA接口型桿狀天線,天線以及巴倫匹配電路如圖3所示。
(3)電源電路。電源電路中使用HT7533型芯片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能,在該芯片的作用下,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗運(yùn)行并且確保電壓穩(wěn)定。該芯片的輸入電壓達(dá)到了30 V,輸出電流為100 mA,輸出電壓可以在2.1~12.0 V,可以結(jié)合實(shí)際情況在多個(gè)電壓檔次之間調(diào)整。電源電路原理如圖4所示。
圖3 天線以及巴倫匹配電路Fig.3 Antenna and balun matching circuit diagram
圖4 電源電路原理Fig.4 Block diagram of power supply circuit
從圖1所示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案可以看出,CAN總線通信模塊中共包含有2個(gè)節(jié)點(diǎn),分別分布在井上部分和井下部分。其中,井下的CAN節(jié)點(diǎn)1與ZigBee節(jié)點(diǎn)n進(jìn)行連接,井上的CAN節(jié)點(diǎn)2與地面計(jì)算機(jī)連接,2個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了井上和井下部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。
(1)主控電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CAN總線模塊中使用的處理器型號(hào)為STM32F103VET6,已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,該型號(hào)處理器具有很好的運(yùn)行穩(wěn)定性,運(yùn)行速度相對(duì)較快。CPU屬于32位處理器,運(yùn)行時(shí)頻率可以達(dá)到72 MHz,可以滿足很多場(chǎng)景的工業(yè)應(yīng)用,內(nèi)存空間可以根據(jù)實(shí)際使用需要在32~512 KB范圍內(nèi)合理調(diào)節(jié)。擁有13個(gè)不同類型的通信接口,包括常見的USART接口、CAN接口和USB接口等,可以滿足控制器與其他類型硬件設(shè)施的通信需要。該控制器中共包含有3個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,屬于微米級(jí)別,性能優(yōu)越,基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以對(duì)芯片運(yùn)行時(shí)的溫度及參考電壓值進(jìn)行讀取,以掌握芯片運(yùn)行狀態(tài)。擁有11個(gè)不同類型的定時(shí)器,可以應(yīng)用在不同的場(chǎng)合,因此芯片具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。
系統(tǒng)供電電壓通常為5 V,但STM32F103VET6處理器正常運(yùn)行時(shí)的電壓需要3.3 V。因此要設(shè)計(jì)專門的電路,將系統(tǒng)提供的5 V電壓轉(zhuǎn)變成為3.3 V電壓,這樣處理器才能夠正常穩(wěn)定工作。電壓轉(zhuǎn)變電路原理如圖5所示。
(2)CAN總線通信電路。對(duì)于1個(gè)完備的CAN節(jié)點(diǎn)而言,內(nèi)部包含有3個(gè)主要的硬件設(shè)施,分別為CAN控制器、CAN收發(fā)器和微處理器[9]。其中,控制器主要有2種形式,分別為內(nèi)置和外置MCU,不同結(jié)構(gòu)形式有各自的優(yōu)缺點(diǎn),本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際情況將控制器采用內(nèi)置方法進(jìn)行配置。在外圍電路中單獨(dú)設(shè)置一個(gè)CAN收發(fā)器,具體型號(hào)為TJA1050,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使整個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)變得更加簡(jiǎn)單,降低成本。
圖5 電壓轉(zhuǎn)變電路原理Fig.5 Schematic diagram of voltage conversion circuit
CAN總線的通信電路原理如圖6所示。
圖6 CAN總線的通信電路原理Fig.6 Schematic diagram of CAN buscommunication circuit
研究基于EW軟件對(duì)ZigBee模塊的軟件程序進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。以下主要對(duì)ZigBee模塊中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程進(jìn)行介紹。
(1)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì)。對(duì)于ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)而言,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)揮著非常重要的作用,屬于組織者的身份。一方面要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立,還要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置與管理,另外還要接收來自終端節(jié)點(diǎn)輸送的數(shù)據(jù)信息。節(jié)點(diǎn)通電以后開始啟動(dòng)工作,系統(tǒng)需要對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含的所有模塊進(jìn)行初始化處理,檢測(cè)所有硬件設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài),確保能夠穩(wěn)定工作。完成初始化工作后,開始建立ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò),然后進(jìn)入工作狀態(tài)。協(xié)調(diào)器直接與車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接,并接收計(jì)算機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),將其通過無線方式傳輸給其他的路由節(jié)點(diǎn)。另外,也需要接收其他路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并將其輸送到車載計(jì)算機(jī)上。
(2)路由節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì)。路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站,作用是延長(zhǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸長(zhǎng)度,具體數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況合理確定[10]。通常相鄰路由節(jié)點(diǎn)之間的距離越近,無線傳輸過程越可靠。路由節(jié)點(diǎn)通電后即可開始工作,工作時(shí)首先需要對(duì)路由節(jié)點(diǎn)中所有的硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理,確保無誤后開始在周圍中搜索無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。搜索到網(wǎng)絡(luò)后即可向協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng),待協(xié)調(diào)器同意后可以建立無線網(wǎng)絡(luò)連接。路由節(jié)點(diǎn)需要將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn),同樣的也要將終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)返回到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中。路由節(jié)點(diǎn)基本工作流程如圖7所示。
圖7 路由節(jié)點(diǎn)基本工作流程Fig.7 Basic working flow chart of routing node
(3)終端節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì)。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中,終端節(jié)點(diǎn)的作用是建立無線網(wǎng)絡(luò)與CAN總線有線網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系。終端節(jié)點(diǎn)要接收無線網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息,然后將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)骄系腃AN節(jié)點(diǎn)中。終端節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)需要用到兩個(gè)函數(shù),分別為消息處理函數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。可以利用消息處理函數(shù)對(duì)設(shè)備的類型進(jìn)行讀取,并對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)的作用是將接收到的數(shù)據(jù)信息通過有線或者無線方式向外發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)的基本工作流程如圖8所示。由圖8可知,終端節(jié)點(diǎn)通電后開始工作,首先需要對(duì)各項(xiàng)硬件設(shè)施和協(xié)議棧進(jìn)行初始化處理,然后需要申請(qǐng)加入無線網(wǎng)絡(luò),成功入網(wǎng)后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
圖8 終端節(jié)點(diǎn)的基本工作流程Fig.8 Basic working flow chart of terminal node
在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中使用的主控芯片為單片機(jī),具體型號(hào)為STM32,所以只需要對(duì)選用的單片機(jī)進(jìn)行編程就能實(shí)現(xiàn)所有功能,使用的編程平臺(tái)為Keil MDK。對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要?jiǎng)澐譃閮刹糠诌M(jìn)行單獨(dú)考慮。①針對(duì)協(xié)議控制器的初始化設(shè)置,主要是對(duì)波特率大小、CAN模式等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或選擇;②對(duì)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送子程序進(jìn)行初始化處理。需要說明的是,以上2個(gè)步驟必須在系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)才能進(jìn)行操作。CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)的基本工作流程如圖9所示。
為了分析設(shè)計(jì)的采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)性與合理性,將以上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案部署到煤礦開采工程實(shí)踐中,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,對(duì)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄。重點(diǎn)對(duì)ZigBee無線通信效果進(jìn)行了測(cè)試分析,測(cè)試過程中分別將ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為40、50、60、70、80、90、100 m,每種距離情況下又設(shè)置2種工況,分別為中間無間隔和中間有間隔,所有情況下均發(fā)送1 000條報(bào)文,統(tǒng)計(jì)能夠正常接收到的報(bào)文數(shù)量,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)不同距離、不同工況時(shí)的數(shù)據(jù)丟包率。
不同工況條件下的數(shù)據(jù)丟包率統(tǒng)計(jì)情況如圖10所示。從圖10中可以看出,隨著ZigBee節(jié)點(diǎn)之間距離的不斷增加,數(shù)據(jù)丟包率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì);在相同的節(jié)點(diǎn)距離情況下,節(jié)點(diǎn)之間有間隔時(shí)的丟包率比無間隔時(shí)的丟包率要高很多。但是在ZigBee結(jié)節(jié)間距為40 m時(shí),無論中間有無間隔,都能夠確保數(shù)據(jù)丟包率為0。因此,系統(tǒng)中將ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離控制在40 m以內(nèi),以確保無線數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性與穩(wěn)定性。
圖9 CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)的基本工作流程Fig.9 Basic working flow chart of CAN bus data receiving and sending
圖10 不同工況條件下的數(shù)據(jù)丟包率統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of data packet loss rate under different working conditions
結(jié)果發(fā)現(xiàn),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定,整個(gè)測(cè)試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題,各項(xiàng)功能都能夠?qū)崿F(xiàn),可對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制,有效保障了煤礦開采效率及安全性。與使用運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用,煤礦企業(yè)可以減少采煤機(jī)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)人員3~4人,設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本與前期相比降低了15%左右,采煤機(jī)的運(yùn)行效率提升了10%左右。經(jīng)過專家的初步論證,認(rèn)為該系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用每年可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造200萬元的經(jīng)濟(jì)效益。
綜上所述,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益,還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了很好的安全效應(yīng),值得其他煤礦企業(yè)借鑒。
本文主要以煤礦中使用的采煤機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),所得結(jié)論主要如下。
(1)設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為井上和井下部分,其中井下部分采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸,井上和井下部分之間基于CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸,充分發(fā)揮了不同數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)形式的優(yōu)點(diǎn)。
(2)對(duì)ZigBee無線模塊以及CAN總線模塊中使用的硬件設(shè)施進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。其中,ZigBee無線模塊主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。CAN總線模塊中使用的處理器型號(hào)為STM32F103VET6。
(3)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到采煤機(jī)工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為40 m時(shí),可以確保無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)功能都正常,為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。