基于NB-IOT的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施 浩，王憲偉，楊龍標(biāo)，丁笑穎

（長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)這種大型機(jī)械廣泛應(yīng)用于煤礦挖掘中，機(jī)械破巖、出碴和支持連續(xù)的操作，發(fā)揮了不可替代的作用。礦下的工作情況復(fù)雜、溫度高、瓦斯?jié)舛雀?，掘進(jìn)設(shè)備容易發(fā)生故障。故障主要分為機(jī)械類故障和液壓系統(tǒng)故障兩大類，由于事故的頻發(fā)，現(xiàn)在對(duì)井下機(jī)械的安全檢測(cè)越來(lái)越重視，運(yùn)用了很多技術(shù)監(jiān)控礦下情況和機(jī)械的運(yùn)行情況。

近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)在遠(yuǎn)程水表、智慧停車場(chǎng)、智能路燈及農(nóng)田檢測(cè)等行業(yè)的應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用［1］。本文提出了一種基于NB-IOT的掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用于實(shí)時(shí)的監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、周圍瓦斯?jié)舛群碗姎庠O(shè)備狀況，對(duì)應(yīng)對(duì)事故的發(fā)生有重要的意義。

1 NB-IOT介紹

NB-IOT是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT），是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IOT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)，UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

NB-IOT是IOT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IOT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。NB-IOT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋［2］。

目前，NB-IOT應(yīng)用場(chǎng)景有：智慧鎖、智慧城市、智慧水表、智慧氣表、智慧跟蹤器、智慧倉(cāng)儲(chǔ)、智慧路燈等，都是把原始的數(shù)據(jù)訴求給平臺(tái)方，云平臺(tái)通過(guò)NB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合，傳遞給用戶進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的分析使用。

2 系統(tǒng)框架介紹

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。根據(jù)每個(gè)模塊的功能，大致把物聯(lián)網(wǎng)分為感知、通信、應(yīng)用3個(gè)層次。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Fig.1 System design framework

第一層是以各類傳感器為基礎(chǔ)的感知層。瓦斯傳感器負(fù)責(zé)采集礦下瓦斯?jié)舛?，加速度傳感器?fù)責(zé)采集傳動(dòng)軸，截割減速器機(jī)械的震動(dòng)的數(shù)據(jù)以及液壓油溫度和壓力傳感器對(duì)液壓油數(shù)據(jù)的采集。

第二層為通信層，利用NB-IOT無(wú)線通信技術(shù)把傳感器采集到的信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)上。

第三層為應(yīng)用層，包括把傳輸來(lái)的信息解碼并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行整理展示，方便工作人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀況進(jìn)行查看并做出及時(shí)處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由各類傳感器構(gòu)成的傳感器模塊、電源模塊、NB-IOT模塊、MCU微控制器組成了本文檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of hardware design

3.1 微處理器和NB-IOT模塊的選擇

微處理器采用STM32L1系列，采用了超低漏電流制程，在不犧牲性能的前提下，具有自主動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能和5種低功耗模式［4］。

NB-IOT通信模塊選用移遠(yuǎn)公司的BC95-B5模塊，其是一款高性能、低功耗的單頻段NB-IOT無(wú)線通信模塊［5］。體積小巧，安裝方便，能最大程度滿足終端設(shè)備對(duì)體積小的需求，有效幫助客戶優(yōu)化產(chǎn)品成本［6］。在設(shè)計(jì)上兼容移遠(yuǎn)通信NB-IOT系列的BC95模塊，能方便快捷的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和升級(jí)，是目前使用很廣泛的一款NB-IOT模塊。模塊主要性能見(jiàn)表1。

表1 BC95-B5模組主要性能Tab.1 Main performance of BC95-B5 module

3.2 瓦斯傳感器的選擇

在煤礦生產(chǎn)中，隨著每層采動(dòng)，煤層中往往能夠會(huì)涌出很多礦井瓦斯［7］。一旦超過(guò)一定濃度容易產(chǎn)生重大事故，所以對(duì)瓦斯的檢測(cè)是必不可少的。氣體傳感器采用滿足用于監(jiān)視地下煤礦甲烷濃度的GJC4低濃度甲烷傳感器，可以自動(dòng)地將井下采集到的甲烷濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給配接設(shè)備。GJC4的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 GJC4性能指標(biāo)Tab.2 GJC4 performance index

3.3 振動(dòng)傳感器模塊

在實(shí)際掘進(jìn)工作中，掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期工作磨損或者不當(dāng)操作而造成損壞和斷裂。礦下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)機(jī)器檢修不便，設(shè)備故障會(huì)造成工作進(jìn)度的延誤。為了保障掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行需要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。本文選用BZ11振動(dòng)傳感器，利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，電壓值和振動(dòng)速度值成正比［8］。其被直接安裝在機(jī)器外部對(duì)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)機(jī)械的綜合情況做出檢測(cè)，所以維修十分方便，產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 BU11振動(dòng)傳感器產(chǎn)品參數(shù)Tab.3 BU11 Vibration sensor product parameters

3.4 液壓油傳感器模塊及液壓溫度PID控制

3.4.1 溫度傳感器和壓力傳感器模塊

在掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)中，液壓油泵和電機(jī)的損壞會(huì)造成液壓油的壓力異常，需要利用壓力傳感器和溫度傳感器對(duì)油缸的液壓油溫和油壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)溫度或者壓力接近危險(xiǎn)閥值時(shí)及時(shí)修整，以免故障的發(fā)生。本文選擇的液壓油溫度傳感器是接觸式傳感器PT100，直接安裝在液壓系統(tǒng)中，小巧方便，占用空間?。?］，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。壓力傳感器選擇的是HDP501，靈敏度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性好，實(shí)物如圖3所示。

表4 PT100溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of PT100 temperature sensor

圖3 壓力傳感器HDP501 Fig.3 Pressure sensor HDP501

3.4.2 液壓油溫度PID控制

掘進(jìn)機(jī)工作的負(fù)載大，所以發(fā)熱量也很大，往往掘進(jìn)機(jī)工作挖掘時(shí)間不長(zhǎng)，其液壓控制系統(tǒng)就超出了額定工作溫度，只能通過(guò)采取停機(jī)冷卻技術(shù)措施，極大降低了企業(yè)工作管理效率和工程項(xiàng)目進(jìn)度［10］。所以經(jīng)常采用PID控制將掘進(jìn)機(jī)的整體溫度保持在合理范圍內(nèi)。

液壓系統(tǒng)的溫度控制是閉環(huán)控制，工作原理為：將溫度傳感器測(cè)得的數(shù)值和設(shè)定好的溫度閥值比較，由處理器計(jì)算出二者之間的偏差，如果偏差超過(guò)一定數(shù)值就進(jìn)行PID參數(shù)整定，繼而控制液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

PID溫度控制原理框圖如圖4所示。

圖4 PID溫度控制原理框圖Fig.4 Block diagram of PID temperature control principle

離散的PID表達(dá)式（1）、（2）：

其中，K p，K i，K d分別為比例增益，積分增益，微分系數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)而調(diào)整，從而獲得想要的結(jié)果。常規(guī)PID控制器為線性系統(tǒng)控制器［11］，根據(jù)本身給定值r（k）與被控目標(biāo)對(duì)象以及實(shí)際數(shù)據(jù)輸出值y（k）構(gòu)成的偏差e（k）進(jìn)行管理控制。

偏差方程為式（3）：

溫度傳感器開(kāi)始檢測(cè)液壓油的溫度，將采集到的數(shù)據(jù)傳入圖4中的模擬量模塊，運(yùn)用A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，與設(shè)定的溫度閥值進(jìn)行比較，求出偏差值e（k），進(jìn)入PID控制模塊，得到控制器的輸出U（k），經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而穩(wěn)定液壓油溫度，PID程序流程圖如圖5所示。

圖5 PID程序流程圖Fig.5 PID Program flow chart

設(shè)定的液壓油溫度為40℃，在Simulink中搭建的PID控制模型，仿真結(jié)果如圖6所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控云平臺(tái)

為了簡(jiǎn)便開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，減少投入的時(shí)間和金錢，涌現(xiàn)了很多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。本文選用的是華為公司開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)OceanConnect，可以滿足各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用需求，接入各種傳感器、IOT終端，多種行業(yè)應(yīng)用的快速集成。應(yīng)用OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的步驟如圖7所示。

使用OceanConnect主要的工作是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品／設(shè)備模型（Profile）、編解碼插件、設(shè)備的連接和應(yīng)用的集成開(kāi)發(fā)工作。設(shè)備模型（Profile）的建立是用來(lái)定義屬性名稱，數(shù)據(jù)類型和命令的下發(fā)。

圖6 PID仿真結(jié)果圖Fig.6 PID simulation result graph

圖7 OceanConnect開(kāi)發(fā)步驟Fig.7 OceanConnect development steps

硬件系統(tǒng)設(shè)備連接完好后，登陸OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。OceanConnect云平臺(tái)接收檢測(cè)到的溫度、瓦斯值，結(jié)果展示如圖8所示。

圖8 結(jié)果展示Fig.8 Results display

5 結(jié)束語(yǔ)

基于NB-IOT的掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用NB-IOT技術(shù)將各種類型傳感器檢測(cè)到的機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，液壓油溫度、壓力、瓦斯?jié)舛鹊刃畔鬏數(shù)椒?wù)器上，利用華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)機(jī)統(tǒng)一調(diào)度管理和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控有很重要的作用。