基于ZigBee无线通信的综采面刮板链张力监测研究_马晨博.pdf

基于 ZigBee 无线通信的综采面刮板链张力监测研究马晨博（山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西孝义032300）摘要：提出一种刮板链张力监测系统，该监测系统通过应变片实现刮板链张力监测，并通过无线通信模块通过ZigBee 网络将张力监测结果传输给上位机；对系统结构硬件以及软件结构进行分析。在工作现场试验表明，该张力监测系统无线通信网络传输可靠，刮板链张力监测结果精准度较高，可实现对刮板链张力的实时监测。关键词：刮板输送机无线通信应变片刮板链张力监测中图分类号：TD528.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0214-03引言刮板链是刮板输送机主要组成单元，在中部槽内移动实现物料外运，驱动装置通过链轮给刮板链提供动力，若刮板链出现故障、失效，则维护成本高、难度大且会降低运输效率。现场统计发现刮板链常见故障类型包括有断链、卡链等，刮板链故障发生后会导致张力明显变化，通过张力监测即可实现预警，并降低故障影响。文中在以往研究成果基础上，提出刮板链张力监测系统，并对系统张力监测模块、无线通信模块结构进行分析，以期能在一定程度上提升刮板输送机工作可靠性。1刮板输送机结构分析刮板输送机具有适应性强、运输能力大的优点，主要结构包括机头、中间部、机尾及附属装置等，具体设备包括电机、机头架、挡煤板、中部槽、链轮组件以及刮板链等。如图 1 所示，驱动装置带动刮板链循环回转，从而将刮板链上物料运输出采面。受到负载、运行速度变化等因素，刮板链在运输过程中张力处于不断变化状态，刮板链张力过大或者过小均会影响刮板输送机正常运行。其中刮板链张力过大则导致链条过紧，增大链条与中部槽、链轮间摩擦，不仅增加刮板输送机能耗，而且增加设备磨损；张力过小则导致链条过松，容易出现链条脱离链轮情况，引起链轮振动、冲击，严重时甚至导致卡链、断链事故。对刮板链张力监测可实时掌握刮板链运行情况，对降低刮板链事故具有重要意义。山西某矿采用 SGZ764-400 型刮板输送机，该刮板机具体技术参数如表 1 所示。文中以矿井使用的刮板输送机为例，分析研究刮板链张力监测系统。2张力监测系统结构张力监测系统有数据接收、无线通信（ZigBee 网络）以及张力监测等功能模块，结构见图 2。应力采集通过刮板链上布置的应变片实现；无线通信采用射频芯片（CC2530）发射张力监测信号，上位机接收信号并对张力实时监测、分析1-3。3张力监测及无线通信关键技术分析实现刮板链张紧实时监测以及监测结果可靠传输是整个张力监测系统关键，同时也是本文主要研究内容。3.1张力监测由于刮板链处于动态运动过程，因此张力监测系统应随着刮板链移动，具体用张力采集、无线通信模块实现刮板链张力监测，并通过内置天线实现无线信号通信。为确保张力监测结果可靠性，需改造刮板链结构。在刮板链横联圆柱上开平槽用以安装应变片；在中板空腔内安装无线信号发射装置，空间内用保护罩保护，降低矿井水、粉尘等影响；在空腔及平槽间有用以信息通信的小孔实现导线安装。具体张力监测系统安装位置如下页图 3 所示。应变片直接粘贴到刮板链表面，为降低运送物料对应变片影响，在应变片表面用防护胶覆盖。张力监测系统布置 2 个张力应变片模块，并通过收稿日期：2022-02-24作者简介：马晨博（1987），男，山西孝义人，本科，毕业于东北大学采矿工程专业，矿山机电工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.085图 1刮板输送机工作原理输送机刮板链刮板运输能力/（t h-1）长度/m装机功率/kW链速/（m s-1）中心距/mm规格/（mmmm）破坏强度/kN材质间距/mm额定更换运量/Mt700200220011202692850 以上合金锻钢1 1041表 1刮板输送机技术参数图 2张力监测系统结构煤刮板刮板链中板回程刮板应变片 1应变片 2应变片 3应变片 4刮板链（张力监测模块）刮板（无线通信模块）电源稳压模块信 号 调 理 电 路CC2530射频模块2.4 GHz法向小螺旋天线振 动 触 发 开 关数据接收装置ZigBee2.4 GHz天线射频模块CC2530上位机通信结构模块自动化系统设计2023 年第 2 期采集模块电路并联连接，具体张力采集电路结构组成如图 4 所示。电路结构包括有应变片模块、放大模块以及滤波模块等。应变片模块中 1、3 端头实现监测结果输出，2 端用与 CC2530 端口连接，4 段连接电源；供电电压为 5 V。3.2无线通信无线通信模块中核心组成为 CC2530 处理器，该处理器可与 ZigBee 芯片兼容，实现稳定的无线传输；同时接口丰富，可与多路传感器搭接使用，该处理器具体技术参数见表 2。张力监测数据通过无线装置传输给上位机。由于无线通信装置安装在中板空腔内，本身空间狭小，通信天线为金属丝（螺旋状），有效长度 34 cm，最大辐射方向上增益达到 4.28 dB，有效降低了通信传输难度4-5。4软件设计4.1张力采集电路张力采集电路可用以获取张力采集模块数据，并对采集装置休眠、供电等进行控制，具体张力采集电路数据采集流程如图 5 所示。4.2无线通信无线网络通信构建时即需对通信进行初始化处理，并向协调器发出入网申请，给设备分配对应的 IP地址，实现正常通信。图 6 为无线通信程序运行流程。5系统测试分析为验证文中所提刮板链张紧力监测系统张力监测结果精准度以及无线通信可靠性，在矿井 3506 综采工作面刮板输送机上进行试验，采用的张紧力监测、无线通信模块均按照前文所述置于刮板、刮板链中。对 ZigBee 网络通信可靠性进行测试，现场测试发现刮板链张力监测系统无线通信质量稳定、延伸时间短。对刮板链张力监测结果进行分析，并将张力监测系统上位机获取刮板张力值与施加的张紧力进行比对，具体比对结果见表 3。从表 3 看出，刮板链张力监测系统获取到的张力值与实际施加的张力值间误差在 5%以内，张力监测精准度较高6-9。6结语文中依据综采工作面刮板输送机实际情况，提出刮板链张力监测系统，对系统中张力监测以及无线通信模块进行详细分析。将张力监测、通信模块封装到刮板链、刮板中，不仅可实现刮板张力实时监测，而且可降低刮板输送机运输过程中矸石、煤、粉尘等对通信装置产生的冲击。对张力监测系统硬件、软件结构进行设计。在 3506 综采工作面刮板输送机上应用表明，该刮板链张力监测系统构建的无线通信网络可靠性较强、张力监测精度较高。参考文献1李婷婷.自供能式刮板链张力监测无线传感器节点研究D.徐图 3张力监测系统安装位置示意图图 4张力采集电路组成供电电压/V最终发射功率下供电电流/mA最大发射功率/dBm接收灵敏度/dBm23.6404.5-97表 2CC2530 处理器技术参数图 5张力采集电路数据采集流程图 6无线通信程序运行流程测量次数监测拉力值/kN加载拉力值/kN测定误差/%119.1820.004.1241.8640.004.65361.68602.80478.83801.465103.981003.986117.751205.507137.981401.448156.831601.989182.561801.4210196.622001.69表 3张力监测对比结果工作刮板上保护罩空腔中板下保护罩回程刮板通孔Rc+INR6R5R2R1接应变片-RG+RG-IN+IN+VgOUTOUT-接应变片OUT+OUT+OUT-VccVccR3R4接 CC25301234应变片模块P1_0AD623-VsREF接 1.5 V 稳压器C1C2R7GND-IN OUTV+LMV651R8接 CC2530P0_7滤波模块放大模块开始初始化应变片供电判断电压是否稳定是电压采集否延时 1 ms应变片断电数据发射进入休眠模式等待激活唤醒是判断是否检测到终端信号否结束开始系统上电，硬件初始化ZigBee 协议栈初始化发送加入网络申请加人网络成功否是空闲状态采集刮板链张力数据发送数据数据发送成功否是马晨博：基于 ZigBee 无线通信的综采面刮板链张力监测研究215机械管理开发第 38 卷州：中国矿业大学，2021.2张晋虎.矿山刮板输送机链条张紧力检测系统研究J.煤矿现代化，2021（1）：185-187；192.3武丽.刮板输送机刮板链张力检测系统研究J.自动化应用，2020（11）：137-139.4李兰秀，李书满，韩立，等.基于 ZigBee 技术的刮板输送机刮板链张力监测系统J.煤矿机械，2020，41（9）：187-189.5李帅，武兵，熊晓燕.刮板输送机分布张力监测系统设计J.煤矿机械，2020，41（6）：1-4.6李帅.刮板链分布式动张力无线监测系统研究D.太原：太原理工大学，2020.7陈希，马忠鑫，程新龙.刮板输送机张力检测系统设计与研究J.自动化仪表，2019，40（11）：76-80.8翟岩.低功耗刮板链动张力无线监测系统研究D.太原：太原理工大学，2019.9翟岩，武兵，牛蔺楷，等.低功耗刮板输送机张力无线监测系统设计J.工矿自动化，2019，45（4）：83-88.（编辑：贾娟）Research on ZigBee Wireless Communication Based Scraper Chain Tension Monitoring forHeader FaceMa Chenbo（Shanxi Fenxi Yixing Coal Co.,Ltd.,Xiaoyi Shanxi 032300）Abstract:A scraper chain tension monitoring system is proposed,which realizes the scraper chain tension monitoring through strain gaugesand transmits the tension monitoring results to the host computer through the wireless communication module via ZigBee network;thesystem structure hardware and software structure are analyzed.The test at the work site shows that the wireless communication networktransmission of this tension monitoring system is reliable and the scraper chain tension monitoring results are accurate,which can realizereal-time monitoring of scraper chain tension.Key words:scraper conveyor;wireless communication;strain gauge;scraper chain;tension monitoring5张良.液压支架电液控制系统的应用现状及发展趋势J.煤炭科学技术，2003（2）：77-78.（编辑：贾娟）Application and Research of Automatic Control Technology in Coal Mine Hydraulic SupportWang Zhimin（Tiefeng Coal Co.,Ltd.,Shuozhou Shanxi 037200）Abstract:Aiming at the problem of control technology of hydraulic support in coal mine mining,the research m