礦用掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究

黃玉冬，房新亮

(河南能源集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦資源是非常重要的能源形式，在人們生活和工業(yè)領域有非常廣泛的應用。為順應人們生活水平的不斷提升和工業(yè)領域的不斷發(fā)展，我國每年會開采大量煤炭資源[1]。礦用掘進機是煤礦開采過程中關鍵的機電裝備，其運行過程的穩(wěn)定性會對煤礦開采過程的安全和效率產(chǎn)生非常重要的影響。隨著煤礦開采向著縱深方向發(fā)展，礦井工作環(huán)境越來越復雜，給掘進機的運行帶來了更大的挑戰(zhàn)和難度[2]。另一方面，隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，采掘工作面正朝著自動化、智能化和無人化方向發(fā)展，構建智能化采掘工作面是煤礦領域當前研究的熱點問題[3]。針對礦用掘進機構建遠程監(jiān)測系統(tǒng)以掌握設備的運行狀態(tài)，是實現(xiàn)智能化采掘工作面的基礎[4]。本文主要以煤礦中經(jīng)常使用的EBZ220型掘進機為對象，對其遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計與研究。對于提升采掘工作面的智能化水平、促進煤礦領域發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體結構設計

1.1 系統(tǒng)整體方案設計

礦用掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體方案如圖1所示。由圖1可知，整個監(jiān)測系統(tǒng)可以分為2大部分，分別為井上部分和井下部分。其中，井下部分設置有多個分站，分站主要沿著采掘工作面布置安裝。所有監(jiān)測分站均與CAN總線進行連接。井下還設置有傳感器節(jié)點，主要設置在EBZ220型礦用掘進機設備中，對設備的運行狀態(tài)，比如溫度、壓力、振動狀態(tài)等進行實時監(jiān)測，另外傳感器還可以對周圍環(huán)境參數(shù)進行檢測，比如瓦斯?jié)舛鹊?，并通過無線網(wǎng)絡傳輸至附近的監(jiān)測分站。井上設置有上位機，上位機與井下監(jiān)測分站之間通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。上位機可以對井下采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行收集，判斷掘進機的工作狀態(tài)，以便分析設備是否存在安全隱患或者故障問題。所有數(shù)據(jù)都會存儲到數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)可以對數(shù)據(jù)信息進行查詢與打印。采集到的狀態(tài)信息會通過顯示大屏實時顯示，工作人員能實時掌握井下掘進機的工作狀態(tài)，若出現(xiàn)了安全隱患或故障問題，監(jiān)測系統(tǒng)會向外發(fā)出警告。

圖1 掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體方案Fig.1 Block diagram of the overall scheme of remote monitoring system of roadheader

1.2 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構設計

傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的構成部分，作用是對掘進機設備的運行狀態(tài)信息進行采集。本研究針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用模塊化思想進行設計。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的主要結構如圖2所示。從圖2中可以看出，整體上可以劃分成為5大模塊。以下對各個模塊的主要功能進行介紹。

圖2 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要結構Fig.2 Main structure block diagram of sensor network node

(1)傳感器模塊。此模塊主要由不同類型的傳感器和A/D轉換器構成。傳感器的作用是對掘進機工作時的狀態(tài)信息參數(shù)進行采集。由于部分傳感器檢測得到的是電壓或電流模擬量信號，需要利用A/D轉換器將其轉換成為數(shù)字量信號才能傳輸?shù)教幚砥髦羞M行分析。

(2)處理器模塊。作用是通過通信接口接收來自傳感器模塊的數(shù)字量信號，并對信號進行對比分析。然后將處理后的數(shù)字信息發(fā)送給通信模塊。另外，位于井上的上位機也可通過通信模塊向處理器發(fā)送控制信號。

(3)通信模塊。作用是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與各個分站之間的連接，將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息，通過通信模塊上傳到井上的上位機監(jiān)控系統(tǒng)中。

(4)供電模塊。作用是對傳感器節(jié)點的其他模塊進行供電，確保各硬件設施的可靠穩(wěn)定運行，本系統(tǒng)中利用小型可充電電池對整個節(jié)點進行供電。

(5)報警指示模塊。作用是向操作人員提示掘進機設備存在安全隱患或故障問題。報警模塊接受處理器模塊的控制，當處理器對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，并發(fā)現(xiàn)掘進機存在問題時，會對報警模塊下達指令。

2 主要硬件設施的選型設計

2.1 主要芯片的選型

監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中的2個芯片都會對整個系統(tǒng)運行的質量產(chǎn)生比較重要的影響。①無線網(wǎng)絡模塊中的無線傳輸芯片；②為MCU處理器芯片。充分考慮實際情況，以上2個芯片型號的選擇為CC2420和MSP430F149。

CC2420芯片內部包含有8051處理器，運行時的頻率可以達到2.4 GHz，具有優(yōu)異的性能[5]。配合使用ZigBee無線收發(fā)電路以及RF收發(fā)器，可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及MCU處理器的分析結果，通過無線方式進行傳輸。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)ZigBee無線收發(fā)網(wǎng)絡的傳輸速度可達250 Kb/s，完全可以滿足該系統(tǒng)的實際應用需要。

MSP430F149芯片屬于32位微處理器，具有非常強大的運算能力[6]。該處理器可以在低功耗和低電壓的條件下工作，正常供電電壓為3.3 V，當RAM保持休眠狀態(tài)時的功耗可以達到0。芯片自帶有模擬/數(shù)字量轉換電路，可以直接接收部分模擬量信號，使整個結構的電路大大簡化。其Flash大小為60 Kb + 256 B，RAM存儲大小為2 Kb。由于芯片的功耗相對較低，當其以1 MHa的頻率工作時，電流僅僅只有250 μA。MSP430F149芯片的電路原理如圖3所示，MCU處理器與無線網(wǎng)絡模塊芯片的接口電路如圖4所示。

圖3 MSP430F149芯片的電路原理圖Fig.3 Circuit schematic diagram of MSP430F149 chip

圖4 MCU處理器與無線網(wǎng)絡模塊芯片的接口電路Fig.4 Interface circuit between MCU processor and wireless network module chip

2.2 主要傳感器的選型設計

(1)壓力傳感器。掘進機工作時需要通過液壓油缸提供動力，所以油缸壓力是反映掘進機設備運行狀態(tài)信息的重要參量，基于該參量可以分析判斷掘進機存在的故障隱患。研究選用薄膜型壓力傳感器，具體型號為KYB1018，屬于本質安全型設備，可以在復雜的煤礦環(huán)境中工作?；驹硎莻鞲衅髦械谋∧ぴ趬毫ψ饔孟掳l(fā)生變形，且變形量與壓力大小成正比，通過檢測薄膜變形量即可分析得到壓力大小。傳感器的檢測信號為4～20 mA的模擬量信號，檢測壓力量程為0～30 MPa，測量精度可以控制在1%范圍內，需要利用4～36 V電壓進行供電。

(2)振動傳感器。掘進機工作時的振動狀態(tài)同樣是描述設備運行狀態(tài)的參量，利用KTR9200型振動加速度傳感器進行檢測。已有的實踐經(jīng)驗表明，此型號振動傳感器具有良好的運行穩(wěn)定性，并且體積較小、質量輕。輸出的信號為4～20 mA的模擬量信號，可以測量的振動頻率范圍為0.5～5 000 Hz，最大振幅達到2 mm，測量靈敏度可以達到0.8 mA/g。掘進機振動狀態(tài)與電機運行狀態(tài)存在很大關系，通過對掘進機振動相位、方向、幅度、頻率等的分析，可以反推電機的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電機運行時存在的故障問題。

(3)油溫傳感器。液壓油缸中的油溫會對液壓系統(tǒng)運行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，通常不得超過設定的安全閾值，所以需要利用溫度傳感器對液壓油的溫度進行檢測。掘進機中懸臂的水平回轉、上下升降以及鏟板運動等需要利用油缸提供動力，針對上述3個位置，分別利用JCJ100TLB型溫度傳感器進行檢測。可以測量的溫度范圍為0～100 ℃，精度可以達到1℃范圍內，輸出的是4～20 mA的模擬量信號[7]。

(4)電流傳感器。當掘進機截割的煤巖硬度相對較大時，會使得電機的電流值急劇上升。為了對電機進行保護，延長電機使用壽命，必須對電機的運行電流進行檢測。選用的電流傳感器型號為GAV-200/1 140。該設備可以檢測的電流范圍為0～400A AC，輸出信號為模擬量信號，大小為4～20 mA。正常工作時的電壓和電流分別為12～24 V和100 mA以內，測量精度可以達到1%。

2.3 信號處理電路

通過關于傳感器的介紹，可知本系統(tǒng)中使用的各種類型傳感器輸出的均為4～20 mA的模擬量信號。通常情況下，模擬量信號無法直接輸入到芯片中進行分析與處理，需要通過A/D轉換電路將其轉換成對應的數(shù)字量信號，才能夠被處理器接收[8]。輸入信號的處理電路原理如圖5所示。

利用處理電路可以將4～20 mA的模擬量信號轉變?yōu)?～5 V的電壓數(shù)字量信號。可以看出，設置了1個濾波電容和1個穩(wěn)壓二極管，作用是防止外部信號對傳感器信號的干擾，提升信號處理過程的可靠性。

圖5 信號處理模塊的電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of signal processing module

2.4 供電模塊的電路

由于監(jiān)測系統(tǒng)涉及很多元器件，不同元器件需要不同大小電壓進行供電。因此，需要設計專門的供電模塊，主要作用是對電壓進行處理，輸出不同形式的電壓對不同硬件設施進行供電，確保各硬件能夠可靠穩(wěn)定運行。系統(tǒng)中選用的供電模塊芯片型號為LM2596，該供電模塊的電路原理如圖6所示。此芯片具有良好的性能，穩(wěn)定性較好。可以持續(xù)向外提供穩(wěn)定的電壓，改善硬件設施的外部運行環(huán)境，為監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行奠定了堅實的基礎。

圖6 供電模塊的電路原理Fig.6 Schematic diagram of power supply module

3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序的設計

對于掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)而言，軟件部分和硬件部分具有相同的作用，都是系統(tǒng)的重點和核心[9]。只有在軟件程序的作用下，硬件設施的各項功能才能夠順利實現(xiàn)。為了提升軟件程序編寫的便捷性，降低程序后期維護時的難度，本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化設計，即不同功能單獨進行程序編寫，每個程序構成1個子程序，然后編寫1個主程序，將所有子程序串聯(lián)起來。主程序運行時根據(jù)需要調用不同的子程序，完成整個遠程監(jiān)測系統(tǒng)的運行工作。

3.1 軟件基本工作流程

(1)主程序的工作流程。為了降低遠程監(jiān)測系統(tǒng)運行時的功耗，本系統(tǒng)采用休眠—喚醒機制運行。掘進機設備中安裝的各類傳感器并不是時刻連續(xù)對設備運行狀態(tài)進行檢測，而是每間隔一段時間進行檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線網(wǎng)絡和CAN總線傳輸?shù)骄系纳衔粰C中。完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作后，監(jiān)測系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。等到計時器發(fā)出中斷信號，系統(tǒng)又重新開始運行。監(jiān)測系統(tǒng)主程序的工作流程如圖7所示。由圖7可知，系統(tǒng)上電后各設備開始運行，首先對程序進行初始化處理，并對各硬件模塊進行自檢，確保無誤后基于CAN總線實現(xiàn)井上和井下部分的網(wǎng)絡通信。井上主機下達控制指令后，井下各節(jié)點可以構建無線網(wǎng)絡，節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸。計時器時間到時，系統(tǒng)下達收集掘進機運行狀態(tài)的指令，井下控制器廣播數(shù)據(jù)采集指令，各傳感器開始對設備狀態(tài)進行采集，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C中進行存儲分析。

圖7 主程序的工作流程示意Fig.7 Schematic diagram of work flow of main program

(2)信息采集與發(fā)送子程序工作流程。信息采集與發(fā)送子程序的作用是根據(jù)系統(tǒng)指令，對掘進機設備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行采集，并通過網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C中進行存儲和分析。子程序的工作流程如圖8所示。由圖8可知，系統(tǒng)上電以后開始運行，首先對程序進行初始化并對相關硬件模塊進行自檢，然后加入井下的無線網(wǎng)絡。正常情況下各設備處于休眠狀態(tài)，直到接收到控制指令后，各設備開始工作采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后又進入睡眠狀態(tài)。

圖8 信息采集與發(fā)送子程序工作流程示意Fig.8 Schematic diagram of workflow of information collection and sending subroutines

3.2 CAN通信接口軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)中的CAN總線利用MCP2510型控制器進行控制[10]。MCP2510型控制器內部包含有3個發(fā)送緩存寄存器，每個寄存器內部占據(jù)14個字節(jié)。其中，第1個字節(jié)的內容會對信息發(fā)送的狀態(tài)及條件產(chǎn)生決定性的影響。第2～6個字節(jié)用來定義發(fā)送信息的存放標準，后面8個字節(jié)用來存放需要發(fā)送信息的具體內容。MCP2510控制器的中斷發(fā)送和接收工作流程如圖9所示。

4 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用情況評價

將設計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)部署到EBZ220型礦用掘進機設備上，并在煤礦中開展工業(yè)試驗測試工作。整個測試期間發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項功能都能夠實現(xiàn)，達到了預期效果。監(jiān)測系統(tǒng)的成功應用，其效果可從下述幾點進行闡述。

(1)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的成功實踐應用，顯著提升了煤礦的自動化水平，為智能采掘工作面建設工作奠定了堅實基礎，提升了企業(yè)在激烈市場競爭中的地位。

(2)遠程監(jiān)測系統(tǒng)可以實時掌握EBZ220型掘進機的運行狀態(tài)信息，基于監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進行分析，可以掌握設備的健康狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)掘進機運行中存在的故障問題和安全隱患，并及時采取措施進行處理，有效提升了設備的維護保養(yǎng)工作質量和效率，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設備維護保養(yǎng)人員和成本。據(jù)初步統(tǒng)計分析，每年可以節(jié)省的維護保養(yǎng)人員成本和費用在60萬元以上。考慮到系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)設備存在的安全隱患，因此也創(chuàng)造了一定的安全效益。

圖9 MCP2510控制器中斷發(fā)送和接收工作流程圖Fig.9 MCP2510 controller interrupt sending work flow chart

(3)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的成功實踐應用，使得掘進機的運行質量和效率均顯著提升。與未使用系統(tǒng)前的情況對比，掘進機每月可以多前進100 m左右。每年按300 d工作日計算，則每年可以多往前推進3萬m。可見，遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用使得煤礦開采效率顯著提升，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。

綜上所述，在礦用掘進機中使用遠程監(jiān)測系統(tǒng)，能顯著提升設備運行的安全性和可靠性。不僅提升了掘進機的掘進效率和巷道成形質量，還降低了工人的勞動強度和設備的故障率。安全效益和經(jīng)濟效益顯著，獲得了企業(yè)技術人員和現(xiàn)場工作人員的一致好評。

5 結論

主要以礦用EBZ220型掘進機為對象，對設備的遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行了分析與研究，所得主要結論如下。

(1)設計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)共分為井上和井下兩部分，井下主要利用各類傳感器對掘進機運行狀態(tài)信息參數(shù)進行檢測并分析，井下基于ZigBee無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，井下和井上之間基于CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。

(2)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中使用的處理器芯片和無線網(wǎng)絡芯片分別為MSP430F149和CC2420，均具有良好的性能。對主要的傳感器類型及作用進行了詳細分析，研究了供電模塊和信息處理模塊的電路原理圖。

(3)軟件部分采用模塊化設計，分別對主程序和子程序進行了介紹，主程序運行時可以調用子程序，完成監(jiān)測系統(tǒng)各項功能。

(4)將監(jiān)測系統(tǒng)部署到EBZ220型掘進機中，對各項性能進行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)整體運行良好，達到了預期效果。系統(tǒng)可以掌握設備的運行狀態(tài)，使設備的運行效率和穩(wěn)定性顯著提升，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟效益。