礦井機(jī)車監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)

魏宇箔

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

由于煤礦井下環(huán)境狹窄復(fù)雜，礦井機(jī)車在運(yùn)行過程中面臨交通運(yùn)輸和設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)計(jì)一套監(jiān)控及故障預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)車輛、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)燈等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控判斷，對(duì)運(yùn)行電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遠(yuǎn)程顯示和預(yù)警功能，幫助維修人員進(jìn)行故障快速定位和檢修。考慮到PLC 具有運(yùn)行穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此選用PLC 作為系統(tǒng)控制核心。

1 礦井機(jī)車的組成結(jié)構(gòu)

礦井機(jī)車長(zhǎng)期工作在煤礦井下封閉環(huán)境當(dāng)中，主要分為蓄電池式和有架線式兩種，主要由電氣部分和機(jī)械部分組成。其中電氣部分由牽引電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)開關(guān)、啟動(dòng)電阻、受電弓、控制器和照明等組成，主要完成機(jī)車的行進(jìn)及動(dòng)力控制；機(jī)械部分為齒輪傳動(dòng)裝置、軸箱、砂箱、撒砂裝置、彈簧托架等，主要完成車體本身固定及行進(jìn)的平穩(wěn)控制。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)煤礦井下礦井機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的監(jiān)控系統(tǒng)。全系統(tǒng)分為井下和地面兩部分，主控裝置為型號(hào)S7-200 的PLC。

圖1 礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

各個(gè)位置信息模塊在煤礦井下重要部位安裝完畢后，可以在傳感模塊CPU 的控制下通過ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車實(shí)時(shí)位置感知和當(dāng)前溫度、速度測(cè)量，并經(jīng)IIC 總線傳輸至CPU，由RS232 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳遞給PLC。PLC 將各個(gè)傳感模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、RS485 數(shù)據(jù)總線的電流電壓傳感模塊數(shù)據(jù)等進(jìn)行匯總分析后，實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)信號(hào)輸出，并將信息經(jīng)過以太網(wǎng)傳遞給地面系統(tǒng)，由地面上位機(jī)和分析預(yù)警軟件實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示和狀態(tài)分析。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CPU 選擇及溫度傳感電路設(shè)計(jì)

為適應(yīng)煤礦井下安全生產(chǎn)，降低系統(tǒng)運(yùn)行電流，提高反應(yīng)能力，在礦井機(jī)車監(jiān)測(cè)終端采用MSP430F149 單片機(jī)作為其主控CPU，其精簡(jiǎn)指令集能夠提高運(yùn)行速度，低功耗模式可以有效提高系統(tǒng)在煤礦特殊環(huán)境下的使用的安全性。為實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車關(guān)鍵部位的溫度測(cè)量，選擇寬范圍高精度溫度傳感器LM75A 并設(shè)計(jì)其外圍電路如下頁(yè)圖2 所示，該傳感器地址信息設(shè)置為0。LM75A 可以實(shí)現(xiàn)-55～125℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，測(cè)量精度為0.125 ℃，利用IIC 總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該芯片的寄存器控制，從而完成測(cè)量模式轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字信號(hào)傳輸。

IIC 總線作為一種雙向串行數(shù)據(jù)總線，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主機(jī)通過地址信號(hào)區(qū)分從機(jī)。通過對(duì)SDA、SCL 兩條總線的電平的控制，可以實(shí)現(xiàn)地址識(shí)別和信息傳遞，空閑時(shí)兩總線為高電平。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)及加速度信息測(cè)量，使用ADXL345 傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集傳輸，并加入IIC 總線網(wǎng)絡(luò)。

圖2 LM75A 溫度傳感電路與IIC 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 ZigBee 通信網(wǎng)架設(shè)計(jì)

由于煤礦井下礦井機(jī)車處于持續(xù)運(yùn)行移位，傳統(tǒng)有線傳輸方式存在導(dǎo)線破損和數(shù)據(jù)衰減的風(fēng)險(xiǎn)，因此采用成本低廉、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)靈活、傳輸距離較遠(yuǎn)、功率損耗較小的ZigBee 無線傳輸方式成為最優(yōu)選擇。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由眾多節(jié)點(diǎn)組成，如圖3 所示，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有樹形、星形等多種形狀。其中樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、穩(wěn)定性高，但其成本較高；星形網(wǎng)絡(luò)雖然不穩(wěn)定，但呈現(xiàn)出中心輻射特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，結(jié)合礦井機(jī)車生產(chǎn)實(shí)際選擇星形連接方式作為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過硬件裝置和軟件流程的方法，保證中心協(xié)調(diào)器的工作性能從而提高其穩(wěn)定性。同時(shí)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均應(yīng)符合有關(guān)層級(jí)功能的規(guī)定，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

圖3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 傳感模塊工作流程

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車關(guān)鍵部位的溫度和速度測(cè)量，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的傳感模塊工作流程，并對(duì)其采集終端CPU——低功耗單片機(jī)MSP430F149 進(jìn)行編程。

在完成設(shè)備初始化之后，系統(tǒng)控制ZigBee 收發(fā)模塊CC2530 搜尋目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)尋找后，申請(qǐng)加入并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綁定。系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)綁定之后，開始進(jìn)行LM75A 環(huán)境溫度測(cè)量和速度測(cè)量，并啟動(dòng)定時(shí)裝置，完成目標(biāo)數(shù)據(jù)幀的定期發(fā)送，在完成發(fā)送之后進(jìn)行判斷，若網(wǎng)絡(luò)斷開則停止發(fā)送過程，流程結(jié)束。在采集終端完成溫度加速度信息采集后，由PLC核心控制部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與輸出，從而實(shí)現(xiàn)井下和地面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測(cè)和直觀顯示，并進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警等工作，利用上位機(jī)軟件，繪制實(shí)現(xiàn)如圖5 所示的礦井機(jī)車運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面。全界面共分為功能菜單、數(shù)據(jù)曲線和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)三大部分，其中功能菜單部分實(shí)現(xiàn)含有節(jié)點(diǎn)標(biāo)志、時(shí)間等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)保存功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、采集周期及傳輸參數(shù)設(shè)置功能及后臺(tái)系統(tǒng)維護(hù)賬號(hào)登陸功能，除此之外還可以顯示當(dāng)前時(shí)間和設(shè)置功能分區(qū)的開關(guān)狀態(tài)；數(shù)據(jù)曲線部分可以實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間段、特定節(jié)點(diǎn)的溫度和速度曲線，以便直觀觀察數(shù)據(jù)變化情況；節(jié)點(diǎn)狀態(tài)部分可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，全節(jié)點(diǎn)共分為初始狀態(tài)、正常狀態(tài)、告警狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)等4 個(gè)狀態(tài)。通過功能菜單的設(shè)置按鈕可以在一定范圍內(nèi)對(duì)以上各個(gè)狀態(tài)的閾值和變動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)置，以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)參數(shù)的變化情況，從而更直觀地掌握礦井機(jī)車各個(gè)關(guān)鍵部位的電壓、電流、加速度及溫度信息，做到全方位的監(jiān)測(cè)[1-3]。

圖5 系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語

本文主要根據(jù)煤礦井下礦井機(jī)車實(shí)際運(yùn)行狀況設(shè)計(jì)了運(yùn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)。在MSP430 單片機(jī)的控制下通過ZigBee 無線局域網(wǎng)完成車輛電機(jī)溫度、運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)位置的采集，同時(shí)控制核心PLC 將收集到的信息進(jìn)行處理傳遞給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下運(yùn)程車輛狀態(tài)參數(shù)顯示和預(yù)警功能，對(duì)提高礦井機(jī)車系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，增強(qiáng)故障查找和維修效率，確保煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。