采煤机远程状态监控系统设计及应用_韩超.pdf

采煤机远程状态监控系统设计及应用韩超（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司，山西大同037003）摘要：现阶段煤炭开采正朝着智能化、自动化发展，采煤机作为煤矿井下综采设备中重要的设备之一，其面对煤矿井下恶劣的环境问题，经常会出现故障，影响到煤炭的开采效率。为了提高采煤机的开机率，减少采煤机的故障，设计了远程在线监控系统，对采煤机的运行状态进行实时监控，增加对采煤机运行状态的了解，提高采煤机的工作效率。关键词：煤炭；采煤机；远程在线监控系统中图分类号：TD421.6；TP277文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0191-030引言煤炭作为主要的能源资源，其开采的效率直接关系到了国民经济的发展。随着我国能源结构的调整，煤炭的使用比例在逐渐下降，但是其在短时间内仍作为主导地位。煤炭的开采主要是依靠综采设备在井下完成的，煤矿井下由于其恶劣的开采环境导致综采设备在工作时经常会出现故障，影响到煤炭开采效率，采煤机工作状态对煤炭开采工作非常重要，因此对采煤机的实时状态进行监控，不仅能够及时对煤炭的开采情况进行充分了解，而且还能够快速、有效的对采煤机故障情况进行响应，增加开采过程中的安全系数以及提高采煤机的开机率。1采煤机远程状态监控系统总体设计方案采煤机作为综采设备中的重要组成部分，其主要承担的是开采、落煤以及装煤的生产任务，其基本组成结构有机械传动部分、电气控制部分以及液压传动部分。煤炭开采过程中结构复杂、地质载荷冲击较大，因此在开采的过程中对采煤机的综合要求较高。远程状态监控系统能够对采煤机的实时运行状态进行监控，当发现即将出现故障或者是已经出现故障时能够及时准确地显示，有助于提高煤炭的开采效率1-2。综合分析煤矿井下的环境条件，设计能够直观且性能稳定的采煤机远程状态监控系统。当系统从综采工作面向地面传输采煤机的实时状态参数时，通过利用采煤机机载控制装置通过各传感器采集采煤机的实时状态，利用 ZigBee 通信技术实现数据信号的传输，再将数据信号转换到 CAN 节点最终将数据传输到地面的数据控制器中，经过控制器分析后实时显示采煤机的参数信息在人机交换界面。当从地面向井下传输控制指令时，通过将指令信息传递到另一条的CAN 数据传输通道，再将指令信息传递到 ZigBee 节点中，经过 ZigBee 无线通信技术实现机载控制器对指令的获取，进而控制采煤机进行牵引运动以及调高等操作，采煤机远程状态监控系统的总体方案如图 1所示。2采煤机远程状态监控系统硬件设计2.1ZigBee 通信模块设计由于 ZigBee 通信技术具有着低功耗、低成本、低延时等突出性优点，结合煤矿井下综采工作面特殊的工作环境，因此选择 ZigBee 通信技术作为采煤机远程状态监控系统的通信方式。ZigBee 通信技术的硬件模块主要是由协调器、路由器以及终端节点组成的，其相对于不同的程序能够实现不同的功能，采煤机远程状态监控系统是以 CC2530 作为核心的电路系统实现 ZigBee 网络通信。为了保证采煤机远程状态监控系统的无线通信能够稳定地传输信号，综合考虑煤矿井下通信距离、工号以及射频等指标，本系统设计使用具有 SMA 接口的杆状天线。通信模块的电源部分采用的是宽压稳压 HT7533 芯片，将其外接 5 V 电源电压转换成为 3.3 V 的工作电压，也可采用蓄电池单独供电或者是利用 USB 接口进行供电。ZigBee 模块与机载控制器进行信号转换时，需要用到 USB 转串口电路，该系统设计采用的是振荡器 CP2102 芯片，内置 USB2.0 全速功能控制器以及收发器等，减少了外部的 USB 器件，更加集成3。2.2CAN 总线通信模块采煤机远程状态监控系统的 CAN 总线模块设置有两个节点，一个是与 ZigBee 节点相连接，进行采煤机信号的数据转换以及数据传递；另一个节点是与井收稿日期：2022-09-23作者简介：韩超（1995），男，山西大同人，本科，毕业于银川能源学院，助理工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.077图 1采煤机远程状态监控系统的总体方案井上控制器CAN节点 2CAN节点 1ZigBee节点CAN 通信 2CAN 通信 1ZigBee节点 1路由节点机载控制器采煤机自动化系统设计机械管理开发第 38 卷上控制室内的控制器相连接进行数据传输的。该系统CAN 总线主控电路采用 STM32F103VET6 处理器，该处理器由于其性能稳定，经济并且高性能低能高完全能够满足现场使用的要求。由于 STM32F103VET6 处理器使用的供电为3.3 V，系统的电源为 5 V，其需要使用直流电压转换器将 5 V 转换成为 3.3 V 才能够满足 使 用 的 要 求，电 源 降 压 电 路 如 图 2 所 示。STM32F103VET6 处理器为了分别实现与 ZigBee 节点以及井上的控制器的通信，利用 UART 的 RX/TX进行连接。3采煤机远程状态监控系统软件设计3.1ZigBee 模块软件设计协调器时 ZigBee 模块网络中的重点，主要承担着网络的组织、管理以及配置等作用，当节点上电后，会对各个模块的数据进行初始化，初始化完成后协调器开始组建网络进入到查询状态。本文所涉及的协调器节点一方面是对井下采煤机的机载控制器的数据进行获取，将采煤机的相关信息发送到数据节点处；另一方是通过接收来自地面控制器的指令信号，将数据传递到机载控制器，对采煤机进行控制。采煤机远程状态监控系统的路由节点目前设计为一个路由节点，当完成硬件和协议初始化后，进行搜索网络状态，完成网络申请，待同意后方可入网成功，进而可以实现将数据信息的接收或者发送。ZigBee 模块的终端节点程序方面为了保证能够准确精准地接收到 CAN 总线网络节点的数据，实现对消息的处理以及数据发送等。其过程是接受到 CAN 节点的数据任务，再发送至路由节点。通过调用数据发送、协议以及与硬件相关的函数通过天线将数据信号发送出去4。3.2CAN 总线模块的设计采煤机远程状态监控系统应用的是 CAN 控制器内置的模式，对其控制芯片进行编程就能够完成相关任务。CAN 总线模块包括两部分内容，一部分是协议控制器的初始化设置，另一部分是总线接收和发送子程序初始化。设备进行复位后才能够进行初始化工作，其发送和接收数据的工作流程如图 3 所示。4系统的调试测试为了保证采煤机远程状态监控系统能够高效、稳定、可靠地开展工作需要对其进行调试测试，通过模拟综采工作面采煤机运行情况对系统的整个机构进行测试。首先是对 ZigBee 模块进行通信测试，试验设备准备有计算机 2 台、ZigBee 模块 2 套，下载仿真器 1个以及 USB 数据线 2 条。通过对 2 套模块进行程序写入，计算机连接以及发送信息进行测试，测试时分为有间隔与无间隔两种情况，其测试结果如表 1 所示。通过表 1 中的数据能够观察到当障碍物时，Zig-Bee 模块的通信质量相对较好，在 100 m 内的丢包率为 7%，达到了本系统的通信质量要求。在有间断时，100 m 内的数据丢包率接近 55%，通信质量下降较快，因此在实际工作过程中应避免大型障碍物，或者适当增加路由节点。进行系统的整体性测试，一部分是在楼道内完成，另一部分是在空旷操场完成。在试验的过程中首先是连接设备，连接完成后控制 CAN 模块距离为 5m。然后在无障碍的情况下，逐渐地移动终端节点，记录其情况。然后同理再进行隔墙测试其效果，经过测试最终的情况如下页表 2 所示。通过下页表 2 的测试结果能够看出在没有隔墙阻碍的情况下整体的通信系统获得了比较好的通信图 2电源降压电路图 3CAN 收发流程测试情况传输距离/m发送报文帧数/条接收报文帧数/条 丢包率/%无间隔401 0081 0080701 00899811001 0089387有间隔401 0081 0080701 00888412.51001 00845855表 1ZigBee 模块通信测试结果U5 1117-3.3VCC5 VVinVout3V3GNDC23C26C24C2547F10410422FGND开始正在接收?发送缓冲为空?将数据写入发送缓冲区启动发送请求清空缓存发送完成?ENDYYNN开始等待接收中断?符合接受条件?读取寄存器数据存入缓冲送往上位机显示NNYY1922023 年第 6 期结果。但是在有阻挡的情况下，随着阻挡障碍物的增加数据出现了丢包现象，因此在实际应用的过程中要减少阻挡障碍物，增加系统的通信稳定性和可靠性。5结语采煤机作为煤炭综采设备中的重中之重，其工作状态直接影响着煤炭的开采效率。为了对采煤机运行状态实时了解以及出现故障后对采煤机的故障情况能够快速掌握并尽快修复。结合实际工作情况设计一套采煤机远程状态监控系统，其基于 ZigBee 无线通信以及 CAN 总线技术实现对采煤机不同通信方式来适应环境，并且该系统工作状态稳定，能够较好的在煤矿井下的环境中使用。最后通过对系统进行实验测试，证明了系统的可行性。采煤机远程状态监控系统能够提升采煤机的工作效率，提高煤炭的开采效率，增加企业经济效益，为综采设备的智能化、自动化奠定了基础。参考文献1曹杨.适应 1.31.8 m 煤层高效开采自动化采煤机研制J.煤炭技术，2022，41（8）：234-237.2韩国国，刘昆民.MG300/700-WD 型采煤机自动化控制功能提升J.煤矿机械，2022，43（8）：149-150.3于颖.基于 5G 互联网的高可靠性采煤机通信系统研究与展望J.智能矿山，2022（4）：61-66.4梁宇.采煤机运行状态远程监测系统设计与研究J.机械工程与自动化，2022（2）：190-191；194.（编辑：王慧芳）无隔墙测试有隔墙测试测试距离/m测试结果隔墙数量测试结果5成功接发1成功接发15成功接发3成功接发30成功接发5有丢包表 2整体性通信测试结果Design and Application Research of Remote Condition Monitoring System for Coal MiningMachineHan Chao（Jinneng Holdings Coal Group Wajinwan Coal Company，Datong Shanxi 037003）Abstract:At the present stage，coal mining is developing towards intelligence and automation，and coal mining machine，as one of theimportant equipment in the comprehensive mining equipment in coal mines，often breaks down in the face of the harsh environmentalproblems in coal mines，which affects the coal mining efficiency.In order to improve the start-up rate of the coal mining machine andreduce the failure of the coal mining machine，a remote online monitoring system is designed to monitor the operation status of the coalmining machine in real time，increase the understanding of the operation status of the coa