面向采煤機械在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦的機械系統(tǒng)屬于集電氣、機械以及液壓為一體的協(xié)同，此系統(tǒng)的特點是規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)在運行的過程中比較容易受到環(huán)境以及煤粉、水霧等因素的影響，并且采煤機械在使用時也會受到巖石或者煤等的沖擊，進而造成采煤機械發(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，就會比較容易造成工傷或者二次損傷的安全事故。所以，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，能夠預(yù)防意外停機或者惡性事故發(fā)生，還可以提高設(shè)備的利用率、經(jīng)濟性以及可靠性，對于降低生產(chǎn)成本有著非常重要的意義。旋轉(zhuǎn)型采煤機械的特點是強振動、旋轉(zhuǎn)等，對在線狀態(tài)的檢測系統(tǒng)有很高的要求。信息采集的線路以及有線電源因為纏繞的問題不能進行安裝，因此，其監(jiān)測的系統(tǒng)應(yīng)該采取獨立的能源供給，并使用無線數(shù)據(jù)實現(xiàn)相關(guān)信息收發(fā)。監(jiān)測、處理并分析溫度信號以及振動，能夠?qū)υO(shè)備運行的情況進行監(jiān)測，對機械設(shè)備所產(chǎn)生的故障來源以及類型進行識別，所有的監(jiān)測信息對于機械設(shè)備的安全運行有著非常關(guān)鍵的作用。此次研究所設(shè)計的采煤機械在線狀態(tài)監(jiān)測系統(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，并且設(shè)計結(jié)構(gòu)相對簡單，在較小的空間中就可以完成相應(yīng)的監(jiān)測任務(wù)。對于硬件設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點控制包含了電源模板、中央控制模板、數(shù)據(jù)采集模板和無線發(fā)射。

1 硬件設(shè)計

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

1.1 電源電路

此次研究所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)是MSP430，其屬于單片機，工作電壓屬于低電壓進行供電，其電壓的范圍在1.8～3.6 V。電源電路的設(shè)計主要有兩個部分，振動能源采集和ASM1117 穩(wěn)壓單元，其中振動能源采集主要應(yīng)用的是納米發(fā)電機，其把機械振動的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并對系統(tǒng)進行供電；穩(wěn)壓單元可以達到硬件系統(tǒng)對電源的相關(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模板，其一是對溫度數(shù)據(jù)的采集，其二是對振動數(shù)據(jù)的采集。進行溫度的數(shù)據(jù)采集主要使用DS18B20 溫度傳感器，該傳感器可通過DQ 協(xié)議來進行信息的發(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完成溫度測量，一條指令對應(yīng)一次測量，所得結(jié)果存儲于暫存器中，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，這樣不僅簡單易操作，還能夠節(jié)省片上的資源。對于振動數(shù)據(jù)的采集，使用ADXL345三軸加速數(shù)字傳感器，其特點是超低能耗，該傳感器經(jīng)過I2C 協(xié)議來和微控制中心實現(xiàn)通信，此類芯片的存儲管理可使用32 極FIFO 的緩沖器，數(shù)據(jù)讀取的過程中，該緩沖器能夠最大限度地降低主機處理器的負荷，實現(xiàn)降低整體功耗的目的[1]。

1.3 中央控制模塊

對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 芯片的手冊設(shè)計屬于低電平的復(fù)位。晶振有兩套時鐘機制，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)的功耗來對相應(yīng)的算法進行協(xié)調(diào)匹配，達到系統(tǒng)的動態(tài)能耗管理，此能耗管理的方法使得系統(tǒng)的循環(huán)處于待機模式以及活動模式。其中活動模式的電量消耗大概是40～50 mA，但待機的模式下，能耗只達到了大約10 μA，每一個系統(tǒng)的運營需求都與相應(yīng)的功耗相符合，這樣的運行不僅不會影響系統(tǒng)的性能，還能夠大大降低系統(tǒng)的平均耗能[2]。

1.4 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射的電路主要是負責數(shù)據(jù)的傳輸，也就是和上位機通信，無線發(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)勢是有很強的抗干擾性，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)當中。MSP430 主要是經(jīng)過串口給CC2530 進行數(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)議進行打包之后發(fā)送[3]。

2 軟件設(shè)計

2.1 傳輸節(jié)點程序和數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及傳輸節(jié)點程序的相關(guān)設(shè)計有一部分是在IAR 軟件平臺來進行編譯并調(diào)試完成的。系統(tǒng)通電之后，最開始要實行時鐘與射頻的相關(guān)硬件初始化，在實行傳感器的初始化，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)送到無線射頻，然后進入到循環(huán)的模式。進行循環(huán)的過程中，無線射頻就會把所采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行打包并發(fā)送出去，循環(huán)完成之后，系統(tǒng)便自動進入到低耗能的模式，只有下一次的工作開始時再運行并耗能[4]。

2.2 監(jiān)測報警中心程序

對于上位機的用戶界面相關(guān)軟件設(shè)計，主要是在LabVIEW 平臺的基礎(chǔ)之上，用戶界面可以隨時顯示監(jiān)測點所發(fā)送回來的信息，還會通過曲線形式來對這些數(shù)據(jù)進行展示，如果監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過所設(shè)定的報警值，報警燈就會從紅色變成綠色并報警。與此同時，監(jiān)測報警中心還可以查看數(shù)據(jù)庫所保存下來的各階段相關(guān)數(shù)據(jù)，也可對這些數(shù)據(jù)進行管理，還能查看報表。報警中心的程序設(shè)計有主界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控、用戶登錄、警報等[5]。

此次研究中所設(shè)計的采煤機械在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是按照大型機械的在線監(jiān)測要求來實現(xiàn)的，其要求是滿足獨立的能源供應(yīng)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，數(shù)據(jù)采集發(fā)送主要運用的是動態(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)之上實現(xiàn)無線傳輸，用戶可通過用戶界面來觀看機械的相關(guān)情況，如果運行的過程中出現(xiàn)偏差，上位機就會立即報警。通過實驗證明，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及傳輸、功耗測試等均已達到設(shè)計的要求。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，提升采煤機械的智能化。

3 結(jié)論

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