基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

駱小紅 趙祉友

（1.南陽理工學院，河南省南陽市，473004；2.山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西省晉城市，048204）

目前對刮板輸送機的檢測手段比較單一，技術含量較低，很多時候甚至依賴于維修人員的經(jīng)驗。為了保證刮板輸送機工作的穩(wěn)定可靠以及提高其工作效率，減少因為意外故障而導致的企業(yè)減產(chǎn)或者安全生產(chǎn)事故，建立一套穩(wěn)定和實時的智能化遠程刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

1 基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的設計思路

為了提高刮板輸送機的可靠性和穩(wěn)定性，借助當前流行的無線傳感器網(wǎng)絡 （Wireless Sensor Networks，簡稱WSN）技術和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，簡稱FCS）技術，并將其融合到企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)中，圍繞刮板輸送機建立一套集智能檢測、遠程控制、智能保護、預警提示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能于一體的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構，通過總線控制器連接現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并通過無線網(wǎng)管連接無線傳感器網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點，進而將整個無線傳感器網(wǎng)絡融入到整個監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對刮板輸送機的遠程控制和監(jiān)控?？紤]到礦井的特殊工作環(huán)境，采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構不會因為某一節(jié)點故障而導致整個網(wǎng)絡的癱瘓，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)負責對刮板輸送機的控制，無線傳感器網(wǎng)絡負責將各傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給中心服務器，中心服務器對數(shù)據(jù)進行處理，控制中心以可視化的界面實時顯示當前刮板輸送機的工作狀況和周邊環(huán)境狀況。基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構圖

2 基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構分析

從圖1可以看出，刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構包括企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡3個部分。

2.1 企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)

企業(yè)骨干工業(yè)以太網(wǎng)分為兩個部分，一部分是地面以太網(wǎng)絡，另一部分是防爆型井下以太網(wǎng)絡?？紤]到礦井的特殊工作環(huán)境，這兩部分以太網(wǎng)絡均采用獨立的環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構，這樣不會因為某一節(jié)點出現(xiàn)問題而導致整個網(wǎng)絡的癱瘓，從而提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。井下以太網(wǎng)絡主要負責連接各類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡，作為井下各類數(shù)字化設備和地面以太網(wǎng)絡信息指令交換的橋梁。地面以太網(wǎng)絡主要負責接收來自井下以太網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信息，相關服務器對這些數(shù)據(jù)信息進行存儲分析，并將分析結果實時展示給控制中心?？刂浦行目赏ㄟ^地面的以太網(wǎng)絡向指定的傳感器或者現(xiàn)場總線控制器發(fā)送操控指令，從而實現(xiàn)對刮板輸送機的遠程控制。

2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線控制器接入企業(yè)的骨干網(wǎng)絡，并通過企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)絡實現(xiàn)對刮板輸送機的遠程控制。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要包括軟啟動裝置、灑水裝置、減速裝置、停車裝置以及報警裝置。軟啟動裝置主要是為了保護刮板輸送機在啟動時減小機械沖擊，同時也減輕對電網(wǎng)的沖擊，從而達到保護電網(wǎng)內(nèi)其他元器件的目的。通過在電動機上安裝變頻器實現(xiàn)刮板輸送機的軟啟動?？刂破髟谙蜍泦友b置發(fā)送啟動指令的同時也會向灑水裝置發(fā)送灑水噴霧的指令，并可通過控制器實現(xiàn)對水流量的控制，從而在實現(xiàn)除塵目的的同時也節(jié)約了水資源?？刂破鬟€可以實現(xiàn)對刮板輸送機的減速停車操作。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡利用其自組織和多跳的特性通過匯聚節(jié)點接入到企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)，并實現(xiàn)對刮板輸送機的全方位檢測。該網(wǎng)絡主要包含測速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器和氣敏傳感器。

（1）測速傳感器。測速傳感器主要負責實時采集刮板輸送機電動機以及鏈板轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過對比鏈板轉(zhuǎn)速和電動機的轉(zhuǎn)速來檢測刮板輸送機的傳動部分和動力部分是否出現(xiàn)故障。

（2）溫度傳感器。溫度傳感器主要負責實時采集刮板輸送機電動機的溫度和周邊環(huán)境的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)電動機溫度或周邊環(huán)境溫度異常，立即對刮板輸送機采取減速、制動以及停車等措施，防止因為過熱而導致對電動機或其他裝置的損毀。

（3）壓力傳感器。壓力傳感器主要負責采集作用在溜槽上的壓力，防止由于超載而給電動機造成過載，同時也防止鏈板因為過載而導致疲勞失效。

（4）超聲波傳感器。超聲波傳感器主要對鏈板和鏈條進行探傷，防止因為疲勞失效而導致鏈板和鏈條的斷裂。

（5）氣敏傳感器。氣敏傳感器主要采集刮板輸送機周邊的瓦斯等有害和可燃氣體的濃度數(shù)據(jù)，防止因為這些有害和可燃氣體超標而導致的安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

為了更精確地獲取刮板輸送機及其周邊環(huán)境的信息，上述傳感器根據(jù)需要會被頻繁地安裝或者卸載。無線傳感器網(wǎng)絡結構圖見圖2。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡結構圖

如圖2所示，在刮板輸送機上安裝幾個固定的傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡的二級簇首，這些二級簇首在實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的同時也負責將接收到的廣播數(shù)據(jù)發(fā)送給一級簇首，并由一級簇首通過無線網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)給相關服務器進行數(shù)據(jù)的存儲和分析。

3 基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，結合當前數(shù)據(jù)挖掘技術，為控制中心提供合理的解決方案。該系統(tǒng)的軟件總體架構圖見圖3。從圖中可以看出，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、遠程控制、數(shù)據(jù)分析和可視化表達4 個部分。

圖3 基于WSN 和FCS的刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體架構圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

（1）溫度采集模塊。該模塊主要通過溫度傳感器采集指定區(qū)域的溫度信息，包括電動機的工作溫度和刮板輸送機周邊的溫度信息，并將信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（2）轉(zhuǎn)速采集模塊。該模塊主要通過測速傳感器采集電動機、鏈板和鏈條的速度信息，并將信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（3）壓力采集模塊。該模塊主要通過壓力傳感器采集作用于溜槽和鏈板上的壓力信息，并將這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（4）探傷采集模塊。該模塊主要通過超聲波傳感器對易疲勞元器件進行無損探傷，這些元器件包括鏈板和鏈條等，并將探測結果保存到數(shù)據(jù)庫中。

（5）視頻采集模塊。該模塊主要通過無線視頻采集設備對指定區(qū)域進行視頻監(jiān)控，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可視化表達部分進行顯示，同時將視頻數(shù)據(jù)保存到視頻服務器進行存檔。

（6）氣體濃度采集模塊。該模塊主要通過氣敏傳感器對有害易燃易爆的氣體和粉塵濃度進行采集。由于煤礦的特殊工作環(huán)境，瓦斯等有害氣體和煤炭粉塵濃度超標極易導致安全事故的發(fā)生，所以必須予以嚴密的監(jiān)控。該模塊將采集的有害氣體和粉塵信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的可視化表達部分。

通過數(shù)據(jù)采集部分對刮板輸送機及其周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握當前刮板輸送機的工作狀況和周邊環(huán)境狀況，為后期數(shù)據(jù)的分析和可視化展示打下堅實基礎。

3.2 遠程控制

（1）刮板輸送機管理模塊。該模塊包括刮板輸送機的注冊，注冊信息應包含刮板輸送機的型號、生產(chǎn)廠家、出廠日期、當前所在位置以及刮板輸送機自身的一些額定功率和最大負載等工作參數(shù)信息。

（2）編程控制模塊。該模塊按照事先設定的模式，實時向數(shù)據(jù)采集模塊請求某一類型或某幾種類型的數(shù)據(jù)信息，并在滿足指定條件的情況下，自動向刮板輸送機的控制器發(fā)送指令。該模塊借助當前發(fā)達的無線3G 網(wǎng)絡，能夠按照要求向指定的移動終端設備發(fā)送刮板輸送機工作狀態(tài)變化信息，以方便工作人員不在控制中心也能實時掌握刮板輸送機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)刮板輸送機的自動運行。例如可以讓刮板輸送機在達到某一條件后減速或者停機，并自動觸發(fā)報警裝置。編程控制模塊允許工作人員保存制定好的運行模式，以方便在下次啟動的時候直接使用該模式。

（3）人工控制模塊。該模塊分為兩類，一類是遠程人工控制，工作人員通過可視化表達部分實時獲取當前刮板輸送機的工作狀態(tài)，根據(jù)需要對刮板輸送機進行適當?shù)倪h程操作；另一類是通過現(xiàn)場總線控制器直接手動控制刮板輸送機。為了避免兩種操作相沖突，通過現(xiàn)場總線控制器控制刮板輸送機有著較高的優(yōu)先級，它的介入可以中斷并接管遠程人工控制，直到把控制權通過現(xiàn)場總線控制器重新交換給遠程人工控制。

（4）檢修管理模塊。該模塊負責對刮板輸送機的重要模塊進行檢修管理，根據(jù)用戶手冊或使用手冊等信息將這些元器件的檢修周期錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動計算最近一次將要檢修的時間，并通過3G移動網(wǎng)絡向指定的檢修人員發(fā)送檢修提醒信息，該提醒信息包括檢修的刮板輸送機所在的位置、編號、元器件類型以及型號等信息。對逾期沒有檢修的元器件，系統(tǒng)會向相關的負責人自動發(fā)送郵件，并向其移動終端設備發(fā)送告警信息。

3.3 數(shù)據(jù)分析

（1）檢修分析模塊。對于一些沒有提供檢修周期而又比較重要的元器件，該模塊根據(jù)檢修元器件的故障頻率和使用壽命，給出一個合理的檢修周期參考值，相關負責人可根據(jù)這個參考值對元器件進行檢修，從而在最大程度上節(jié)省了檢修的人力和物力成本。

（2）故障分析模塊。該模塊主要針對出現(xiàn)的故障，通過向數(shù)據(jù)采集部分請求相關的數(shù)據(jù)信息，比對那些工作數(shù)據(jù)或環(huán)境數(shù)據(jù)不在合理范圍內(nèi)的參數(shù)，從而定位故障的原因，并給出相應的故障排除方案。

（3）故障統(tǒng)計模塊。該模塊主要對故障類型和故障數(shù)量進行各類統(tǒng)計，包括對某一類型故障的發(fā)生頻率以及一段時間內(nèi)的故障發(fā)生率等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結果以報表的形式顯示出來。這些數(shù)據(jù)可以為相關元器件的采購提供數(shù)字支持。如果某一品牌的元器件在某一段時間的故障率高于別的品牌，則有理由懷疑該元器件的質(zhì)量可能存在一些問題。

3.4 可視化表達

（1）多媒體數(shù)據(jù)模塊。該模塊主要是實時顯示指定區(qū)域內(nèi)的視頻信息，這些信息可以為遠程控制刮板輸送機提供直觀的視頻信息。

（2）運行狀態(tài)模塊。該模塊通過定時向數(shù)據(jù)采集部分請求采集的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息以圖表的形式動態(tài)展現(xiàn)出來，相關工作人員通過該模塊可以方便的獲取當前刮板輸送機的運行狀態(tài)及準確的運行參數(shù)。

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