采煤机状态监测系统设计与实现

王 敏

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

采煤机是煤矿井下最为重要的机电设备之一，其能否正常高效运转直接关系到矿井安全高效生产的实现。由于采煤机本身集机械、电气和液压等各部分设备为一体，加之受作业重载和井下煤尘、潮湿等作业条件影响，容易发生机械传动、电子元件等方面的故障。因此，实现实时监测采煤机运行状态，可以提前预判采煤机运行的异常情况，提高采煤机开机率，从而实现井下采煤工作面的安全高效生产。并且通常采煤机发生故障时，其振动和温度会有异常变化，所以本文对采煤机振动和温度参数的实时监测方案进行设计，进而实现对采煤机运行状态的实时监测。

1 监测系统总体方案

目前，采煤机有线监测系统在一些煤矿中已有应用，尽管有线监测方式具有稳定高速等数据传输优势，但是受井下现场环境复杂、作业空间狭窄等因素影响，不能适应采煤工作面现场采煤推进的特点，难以符合现场作业对监测系统灵活流动的要求。本次设计综合考虑有线监测方式、现场作业环境及其空间，基于无线监测的方式对采煤机运行状态中的振动和温度参数进行监测，并具有对采煤机异常运行状态进行报警的功能，主要由采煤机传感器节点部分、数据汇聚节点部分和监控管理节点部分等组成。图1 所示为监测系统组成示意图。

采煤机传感器节点部分。分别将振动、温度传感器布置于采煤机各关键监测部位，对其运行当中的振动、温度数据进行采集。

数据汇聚节点部分。利用多点式无线传输的方式将传感器节点部分采集到的数据信号传递到监控管理节点部分。

图1 监测系统组成示意图

监控管理节点部分。对采煤机运行当中的监测部位的振动、温度情况进行实时显示，并根据采煤机的异常情况进行报警。

2 监测系统硬件设计

与蓝牙、红外和Wi-Fi 等无线传输技术相比较，紫蜂无线传输技术（即ZigBee）具有多点传输、成本低廉、能耗较小、安全可靠以及组网灵活等特点，较为适应煤矿井下现场作业环境。紫蜂无线通信网络主要由协调器、路由器和终端设备等部分组成。由于井下现场采煤机监测系统所需要的传输距离较短，所以本次设计采用具有结构简单、规模较小、灵活流动等特点的星型拓扑结构，并且在该结构条件下无须路由器设备。下页图2 所示为监测系统数据采集传输示意图。

2.1 协调器节点部分硬件

利用监测系统对采煤机运行状态进行实时监测时，通过协调器节点部分需要实现创建网络、接受和发送无线数据信号、串口控制等功能。按照上述功能需要，协调器节点部分主要包括无线通信和串口模块。

2.1.1 无线通信模块

无线通信模块是协调器节点部分最为重要的组成单元，本次设计选用美国德州仪器公司生产的CC2530 型集成芯片。该芯片具有优异射频性能、抗干扰强、灵敏度高、能耗低等优点，并装备有工业标准增强型8051 MCU 微控制器和8kB 静态存储器，其主要性能参数见表1。

图2 监测系统数据采集传输示意图

表1 CC2530 型集成芯片主要性能参数

2.1.2 串口模块

串口模块采用RS232 型接口将调制器同监控管理节点部分的上位机联接，以实现将传感器采集的相关数据传送至上位机的目的。在监控管理节点部分的操作人员可以通过上位机软件对采煤机运行当中的振动、温度情况进行实时监控。由于CC2530型集成芯片与上位机接口电平有差异而难以直接联接，因此采用MAX232 型电平转换芯片来实现二者的联接。

2.2 终端设备节点部分硬件

利用监测系统对采煤机运行状态进行实时监测时，通过终端设备节点部分需要实现采煤机相关数据信号的采集、发送和接收功能。按照上述功能需要，终端设备节点部分主要包括传感器、微处理器、无线通信和电源等模块。

2.2.1 传感器模块

传感器模块分别采用ADXL345 型加速度传感器和DS18B20 型温度传感器对采煤机运行过程中的振动和温度数据信号进行采集。

美国亚德诺半导体公司生产的ADXL345 型加速度传感器兼具静态和动态加速度测定功能，并且其还具备适应温度范围广、抗冲击能力强、精度高、耗能低等一系列优点，非常适用于井下作业现场。本次设计选用I2C 通信方式，分别将拉电阻R12、R13布置于引脚1 与14 之间、引脚1 与13 之间。

美国达拉斯半导体公司生产的DS18B20 型温度传感器具备所占空间小、测量精度高、成本低廉、响应迅速、结构简单等一系列优点，非常适用于井下作业现场。本次设计将MSP430 系列F5438 型单片机P10 接口的第6 引脚同该温度传感器的DQ 引脚联接，以利用该单片机对温度数据的采集进行控制。

2.2.2 微处理器模块设计

微处理器是终端设备节点部分最为核心的设备，可对该部分各个终端设备进行控制和协调。本次设计采用美国德州仪器公司生产的MSP430 系列F5438 型单片机作为终端设备节点部分的微处理器。该单片机具有灵活可靠、便于控制、能耗较低、处理速度快等一系列优点，并且能够进行多种运算，执行多种模拟指令，配备大容量寄存器，通过其具备的I2C 通信方式可以与无线通信模块的CC2530 型集成芯片实现数据信息传送。

3 监测系统软件设计

在完成监测系统相关设备硬件选型的基础上，还需要进一步对整个监测系统的软件进行设计，以实现各设备的兼容并发挥其各自功能。整个监测系统采用Z-Stack>ZDO>ZDApp.c 的组网启动路径，启动设备类型不同，其启动初始化创建网络类型设置也不同，协调器为MODE_HARD 网络类型，终端设备为MODE_JOIN 网络类型；若启动的设备已在网络中，那么网络初始化类型为MODE_RESUME；若有设备启动时需要重新加入已有网络，则网络类型为MODE_REJOIN。

3.1 数据采集编程

数据采集、读取及处理的编程主要涉及微处理器和温度、振动传感器三类设备。其中需要对微处理器先行底层初始化设置，在启动程序之前先行将看门狗关上，再对与之对应的寄存器进行外部时钟源设置，主、子时钟均采用外部24 MHz 晶振，辅助时钟采用外部32 768 Hz 晶振；之后再对I/O 接口、通信模块进行串口初始化设置，即利用与之对应的寄存器设置I/O 接口的状态、信号输入输出、启动关闭等。

3.1.1 温度数据采集编程

为实现微处理器对温度传感器的控制和数据传输，将温度传感器通过其DQ 引脚和微处理器的I/O接口P10.6 引脚联接，微处理器可以利用其ROM 指令的相关功能来实现对温度传感器采集数据的控制。温度数据采集按照初始化、ROM 指令、RAM 存储或者功能指令、数据处理的程序进行编程。

3.1.2 振动数据采集编程

为实现微处理器对振动传感器的控制和数据传输，直接将振动传感器通过I2C 通信方式和微处理器的进行联接。I2C 通信方式具备开始、结束、数据传输、应答等四种信号形式。

3.2 无线通信编程

3.2.1 协调器无线通信编程

协调器无线通信主要程序为：通电后运行初始化程序，再扫描并选择信道，通过PANID 设定网络，之后进行侦听作业，在终端设备对其发出入网申请后，可为其分配具有16 位数字的地址并将其绑定到网络之中，最后利用紫蜂无线传输技术接收来自终端设备的数据信号，并利用RS232 型接口将接收到的相关数据上传到上位机当中。

3.2.2 终端设备无线通信编程

终端设备无线通信主要程序为：通电后运行初始化程序，再在所在区域当中搜寻网络并发出申请，通过申请后获得地址并将其绑定到协调器网络中，最后将周期性采集到的相关数据信号上传到协调器当中。

3.3 监控管理节点部分编程

通过对监控管理节点部分的上位机软件系统进行设计能够实现操作人员实时监测采煤机各主要部分的温度、振动以及整体的运行情况。本次设计利用美国国家仪器公司的LabVIEW 编程软件，本着界面简洁、布置合理、主次分明的原则，对上位机软件系统进行模块化设计，主要包括用户登录、参数设置、数据存储、在线显示和阈值报警等五个模块。其中，通过用户登录模块来实现专用用户的登录及用户信息管理，通过参数设置模块来实现串口的初始化、端号选择及参数配置等操作，通过在线显示和数据存储两个模块来实现采煤机运行当中振动、温度数据的显示、存储及历史回看等功能，通过阈值报警模块来实现手动对采煤机运行当中的振动、温度报警参数进行修改设定。图3 所示为监测系统显示界面。

图3 监测系统显示界面

4 结论

通过利用紫蜂无线传输技术对采煤机状态监测系统进行设计，实现了对采煤机运行当中振动、温度情况的实时监测以及异常报警等功能。该套系统可以提前预判采煤机运行的异常情况，提高采煤机开机率，实现井下采煤工作面的安全高效生产。