狹窄受限空間下掘進機數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)

甘松柏

(西山煤電集團 東曲礦，山西 太原 030200)

1 概 述

掘進機是煤礦井下重要的采掘設(shè)備，在生產(chǎn)過程中掘進機運行參數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)對于了解掘進機工作狀態(tài)、解決故障以及改進掘進機功能設(shè)計等都有重要的意義。目前，掘進機的數(shù)據(jù)信息有的存儲在本機電控系統(tǒng)中，有的通過無線通信傳送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)[1]. 但是，煤礦井下環(huán)境惡劣，地面起伏不平，時有煤壁阻擋，導致無線通信信號的強度衰落較大，影響通信數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。針對煤礦井下實際生產(chǎn)情況，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析理論，對無線AP的分布進行合理規(guī)劃，保證無線通信質(zhì)量，使得掘進機運行參數(shù)實時、準確、快速地傳送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

狹窄受限空間下掘進機數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要是數(shù)據(jù)采集平臺，在該平臺中包含一個PLC控制器，一個CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，兩個CAN通信隔離模塊。其中，PLC控制器是系統(tǒng)的控制核心，用于以CAN通信的方式接收掘進機運行時的參數(shù)信息以及故障信息，然后將接收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，以無線的方式發(fā)送給安裝在巷道內(nèi)的無線WIFI AP. PLC與掘進機電氣控制系統(tǒng)以及PLC與CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊都需要用CAN隔離模塊對通信數(shù)據(jù)進行隔離，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。無線AP接收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)后發(fā)送到礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。需要注意的是，無線AP需要根據(jù)煤礦井下的實際情況，在巷道轉(zhuǎn)彎、巷道有遮擋、巷道狹窄等地方增加中繼節(jié)點，以保證無線信號傳輸質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

數(shù)據(jù)采集平臺中的CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊集成2.4GWLAN接口，符合IEEE802.11a/b/g/n標準，支持AP以及Station模式，支持64位、128位的加密/解密和256位的WEP、TKIP或AES密鑰[2]. TCP Client模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式圖見圖2.

圖2 TCP Client模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式圖

CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊的工作模式有3種，即TCP Server模式、TCP Client模式以及UDP模式。在TCP Client模式下工作時，1個TCP幀包含若干個CAN幀，最多為50個，最少為1個CAN幀。1個CAN幀的數(shù)據(jù)格式定義見圖2，包含20個字節(jié)，其中第1～2字節(jié)為幀頭，標示一個幀的開始，固定值為0xFE、0xFD；第3字節(jié)為發(fā)送模式，0x00為正常發(fā)送，0x01為自發(fā)自收；第4字節(jié)為幀信息，標示該CAN幀的信息，如類型、長度等；第5～8字節(jié)為幀ID，其中，標準幀為11bits，擴展幀為29bits；第9～16字節(jié)為幀數(shù)據(jù)，即傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，最少可以傳送0個字節(jié)，最多可以傳送8個字節(jié)；第17～19為幀接收時間戳，單位為ms，溢出后歸零循環(huán)計時；第20字節(jié)為校驗字節(jié)，保證前述數(shù)據(jù)的正確性。

選定的WIFI無線基站能夠支持4*4MIMO智能天線波束賦形技術(shù)和3個空間的WIFI接入點，其覆蓋性更廣，吞吐量更高，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達1.3 Gbps. 該接入點還提供2.4 GHz和5 GHz天線上允許的最大RF輻射功率，即只需采用最低數(shù)量的接入點，即可實現(xiàn)最廣的覆蓋面和最高的吞吐率，進而降低總擁有成本[3]. 該WIFI無線基站與網(wǎng)關(guān)以TCP/IP的方式進行數(shù)據(jù)傳送。

3 軟件設(shè)計

3.1 CAN通信程序設(shè)計

CAN通信是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，通過ISO11898和ISO11519進行標準化，是歐洲汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。CAN通信標準數(shù)據(jù)幀格式見圖3，包含1個bit的幀起始位，表示數(shù)據(jù)幀開始的段；12 bits的仲裁段，用于表示該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級；6 bits的控制段，用于表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及保留位；0～64 bits的數(shù)據(jù)段，為數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可以發(fā)送0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)；16 bits的CRC段，用于檢查該數(shù)據(jù)幀的傳輸錯誤的段；2 bits的ACK段，用于表示確認正常接收的段；7 bits的幀結(jié)束段，用于表示該數(shù)據(jù)幀結(jié)束[4-5].

圖3 CAN通信標準幀格式圖

在PLC控制器的CAN通信程序設(shè)計中，需要對CAN通信參數(shù)進行設(shè)置，如通信時的CAN通信端口、幀格式、波特率、CAN-ID等。掘進機電氣控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集平臺需要定義CAN通信協(xié)議格式，在該協(xié)議格式中需要制定發(fā)送的數(shù)據(jù)及其所占的字節(jié)，示例見表1. 通信協(xié)議格式確定后，通信雙方就可以按照該協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進行打包和解包操作。

表1 CAN通信協(xié)議格式示例表

3.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

在數(shù)據(jù)處理中，將數(shù)據(jù)分為4個優(yōu)先級，即故障類數(shù)據(jù)為第一優(yōu)先級，傳感器類數(shù)據(jù)為第二優(yōu)先級，系統(tǒng)類數(shù)據(jù)為第三優(yōu)先級，其他數(shù)據(jù)為第四優(yōu)先級，其中第一優(yōu)先級最高，第四優(yōu)先級最低。按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級級別，PLC控制器分別對接收到的掘進機電氣控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分類存儲。另外，為對數(shù)據(jù)進行快速處理，針對上述4個優(yōu)先級數(shù)據(jù)分別啟動4個進程，每一個進程處理一個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，如啟動故障類數(shù)據(jù)進程，該進程不斷地對故障類數(shù)據(jù)專用空間進行監(jiān)測，一旦監(jiān)測到該空間內(nèi)有數(shù)據(jù)，立即將數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，使該數(shù)據(jù)能夠以無線的形式發(fā)送到礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。PLC程序中數(shù)據(jù)處理流程見圖4.

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 結(jié) 論

針對煤礦井下狹窄受限空間的實際工況，設(shè)計用于掘進機數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中采集平臺，并且根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論在合適的位置安裝無線AP，保證無線信號質(zhì)量。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，對數(shù)據(jù)進行分類，并同時啟動4個專用進程進行數(shù)據(jù)傳輸，最大限度地使數(shù)據(jù)傳輸實時、準確、快速。該設(shè)計方案已經(jīng)在某煤礦井下布網(wǎng)并完成工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸時延較小、準確度高、無線信號穩(wěn)定，值得推廣。