礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知與控制系統(tǒng)

安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 劉奧川 詹 琳

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礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知與控制系統(tǒng)

安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 劉奧川 詹 琳

【摘要】本文完成了壓風(fēng)機(jī)感知與控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、硬件與軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)感知壓風(fēng)機(jī)的溫度，壓力，并控制壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】壓風(fēng)機(jī)；無(wú)線傳感器；ZigBee

0　引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于環(huán)境和人力的限制，企業(yè)也逐漸借助于網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集重要信息和控制機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)備感知系統(tǒng)大多數(shù)采用預(yù)先布線，通過(guò)有線的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的工作。傳統(tǒng)的設(shè)備感知與控制系統(tǒng)主要存在不足是很依賴人。需要人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制，一方面導(dǎo)致人力的的浪費(fèi)且工作效率低，一般設(shè)備工作的地方環(huán)境都很惡劣，由噪聲污染、空氣污染等對(duì)人體傷害很大，工作人員可能由于疏忽等問題而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。

壓風(fēng)機(jī)是煤礦重要設(shè)備之一，主要輸送壓縮空氣到井下，為風(fēng)鉆、噴漿機(jī)等風(fēng)動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力。因此壓風(fēng)機(jī)對(duì)于整個(gè)煤礦的運(yùn)轉(zhuǎn)起著重要作用。在過(guò)去壓風(fēng)機(jī)機(jī)房通常是人工巡查，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，另一方面壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)熱很大、噪聲也很大，人員不能長(zhǎng)時(shí)間待在里面。所以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)感知壓風(fēng)機(jī)設(shè)備的溫度、壓力等參數(shù)，及時(shí)控制壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是最佳選擇。

1　ZigBee協(xié)議

1.1ZigBee協(xié)議特點(diǎn)

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和網(wǎng)絡(luò)傳感器三種節(jié)點(diǎn)組成。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)都至少需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)需要較多的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，負(fù)責(zé)分配地址、組建網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)等。路由功能的節(jié)點(diǎn)，小范圍組網(wǎng)，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍。終端節(jié)點(diǎn)只具備感知和傳輸信息到上層節(jié)點(diǎn)的功能。

ZigBee協(xié)議可以自組織互聯(lián)，支持星形、簇狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

星形網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只有終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成，所有的終端節(jié)點(diǎn)都與唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信呈現(xiàn)輻射狀。簇型網(wǎng)絡(luò)是有多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)“多跳”信息傳輸，但由于傳輸路徑局限性也不是很好的適應(yīng)環(huán)境變化。在網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，可以實(shí)時(shí)選擇合適的通信路線，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性。

2　無(wú)線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

CC2530是用于ZigBee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它擁有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，模式轉(zhuǎn)換時(shí)間短，使得它尤其適應(yīng)環(huán)境惡劣、超低功率要求的煤礦遠(yuǎn)程感知與控制系統(tǒng)。

由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，路由器處理數(shù)據(jù)工作量也比較大應(yīng)采用固定電源供電，其他感知設(shè)備只采用電池供電就可以。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232芯片與pc數(shù)據(jù)通信，增加按鍵模塊以方便發(fā)送控制命令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的顯示模塊不僅可以用來(lái)顯示節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)的信息，還提供了用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互頁(yè)面。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1壓風(fēng)機(jī)檢測(cè)

壓風(fēng)機(jī)的種類很多，本系統(tǒng)采用的壓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

該壓風(fēng)機(jī)需要檢測(cè)的參數(shù)有：電機(jī)電壓、電流，一級(jí)排氣壓力、溫度，二級(jí)排氣壓力、溫度，風(fēng)包壓力、溫度，水溫、水壓，油溫、油壓，總排氣量等。

主要監(jiān)測(cè)參數(shù)范圍如下：

1、2級(jí)排氣溫度0～200℃, 報(bào)警； 冷卻水溫度0～200℃；電機(jī)溫度0～200℃；風(fēng)包溫度0～110℃；油溫0～70℃；1級(jí)排氣壓力0～0.60MPa；2級(jí)排氣壓力0～1.0MPa冷卻水壓力0～2.50MPa；潤(rùn)滑油壓力0～0.60MPa；

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信息超過(guò)這個(gè)范圍則報(bào)警。

本系統(tǒng)可是實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)及相關(guān)冷卻系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)門閥的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，按程序執(zhí)行啟動(dòng)/停止命令，提高操作系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。

3.2數(shù)據(jù)處理

壓風(fēng)機(jī)是煤礦井下的動(dòng)力源，運(yùn)行情況非常影響井下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全性，所以為了提高檢測(cè)的可靠性，本系統(tǒng)采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

感知節(jié)點(diǎn)是定時(shí)采集數(shù)據(jù)，在時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)入休眠省電模式，定時(shí)器中斷發(fā)生后將采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)。最后所有節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)匯集到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將搜集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存和備份。上位機(jī)采用windows操作系統(tǒng)，軟件采用C#來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用Access2003數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用了目前比較流行的ZigBee協(xié)議構(gòu)建感知網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。為了礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展又進(jìn)了一步，在保證壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性的同時(shí)，達(dá)到無(wú)人現(xiàn)場(chǎng)值守的生產(chǎn)模式。

參考文獻(xiàn)

[1]孫凱.壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤,2015(186):61-74.

[2]林山霖.ZigBee技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].零組件雜志,2004(155).

[3]趙小虎,張申,譚得健.基于礦山綜合自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004(08).