王存浩

（晋能控股煤业集团安全管理督察大队一中队，山西 大同 037000）

引言

采煤机是煤矿开采中的重要工具，采煤机安全有效的运行对煤矿的高效开采有着重要的意义。由于采煤机工作环境比较恶劣，因此若设备监管不到位将会频繁发生故障，可能导致停工停采，将严重影响煤矿开采的经济效益。因此要保证采煤机安全高效运行，对其运行数据进行监测，实时掌握其运行状态十分必要[1-2]。

1 总体方案

1.1 性能要求

监控系统基于Labview上位机软件和MSP430系列单片机设计，可对运行数据实时监测并能对运行状态进行简单控制，具体说明如下：

1）管理权限：系统对不同的工作人员设置了不同的权限，如管理员和操作员等，可通过登录各自权限允许的板块进行相应操作；

2）数据实时监测：对采煤机运行的温度和振动数据进行实时采集，将采集到的数据进行传输、运算处理，在上位机监控界面显示，达到数据实时监测的目的[3]；

3）实时控制：从监控系统引出控制线接入采煤机原本控制电路中，当数据异常时，系统报警，管理人员可通过远程界面及时对采煤机的运行状态做相应控制，根据报警类型诊断故障类型，进而快速处理故障[3]。

1.2 方案设计

监控系统采用工控机作上位机，采用Labview上位机设计软件监控界面及控制点，采煤机运行状态检测与监控由传感器节点即采集系统、无线传输系统和监控界面组成。具体构成如图1所示。

图1 采煤机监控系统结构图

2 系统设计

2.1 硬件设计

本监控系统基于ZigBee无线传感网络技术设计，采用星型拓扑结构型式的无线传感器网络，数据采集通过传感器模块和无线通信模块完成。网络由传感器采集数据，以无线传输方式将数据信号传给协调器，协调器经串口通信将数据传到上位机监控界面。

1）协调器：在采煤机监控系统中，协调器需完成网络的创建、数据的无线接收和发送、辅助按键控制及串口控制等工作，其硬件结构包括无线通信模块、串口模块、电源模块等。

2）无线通信模块：无线通信模块主要完成数据的传输任务，本文选用CC2530芯片作为无线通信模块的核心，结合外围电路的设计，如加入陶瓷晶振提供时钟源，加入低频石英时钟晶振提供时钟信号，加入精密偏置电阻提供提准电流，采用去耦电容去除电源耦合和噪声干扰等完成无线通信模块设计。

3）串口模块：采用RS232串口通信实现协调器与上位机间的通讯，将终端数据采集设备采集到的数据信息传输至上位机显示和存储。

4）终端数据采集设备：终端数据采集设备主要是利用传感器模块进行数据的采集和发送。数据无线发送与接收需要加入网络，网络由协调器建立，终端设备每次上电后，查询网络并申请加入，协调器允许加入并分配网络地址，连接后即可进行数据的传输。因此终端设备硬件结构包括传感器模块（DS180B20温度传感器模块、ADXL345加速度传感器）、微处理器模块、无线通信模块和电源模块等。

2.2 软件设计

监控系统软件设计包括三部分：无线传输功能的实现、数据采集功能的实现以及上位机监控界面的设计。开发工具选择IAR软件。

2.2.1 无线网络组网设计

ZigBee协议栈选用半开源的Z-stack协议栈。协调器作为无线网络的唯一枢纽，启动后会建立一个网络，然后允许其他网络加入并分配地址，请求加入的ZigBee网络可能有多个，为避免冲突，协调器要给网络选择信道和网络ID组建新网络，本文选择了25个信道，设置网络ID为0×136E。终端设备启动后，会寻找网络并发送加入请求、扫描请求等一系列请求，得到允许后加入网络，组网成功。

2.2.2 数据采集功能设计

数据采集系统通过微处理器MSP430及外围电路控制传感器模块进行数据采集、读取和处理。采集过程中，MSP430首先需要进行初始化设计：选择时钟源、初始化串口等。其次是温度信号和振动信号的采集，MSP430通过ROM指令和功能指令控制DS180B20完成温度信号的采集。MSP430和ADXL345之间通过I2C通信实现加速度信号的采集，对加速度信号进行处理得到采煤机振动数据。

2.2.3 无线通信功能设计

无线通信发生在协调器和终端设备之间，协调器启动后建立新网络，等待终端设备加入网络的申请，而后允许加入，之后通过ZigBee技术接收终端传送的数据，再经RS232串口将其传输至上位机，工作过程如图2所示。而终端设备在启动后会寻找网络并申请加入，加入后可将采集到的数据实时传送到协调器，工作过程如图3所示。

2.2.4 上位机监控界面设计

采煤机的上位机监控界面采用Labview软件设计，模块化设计，主要功能有用户登录、数据实时显示、数据存储及读取、异常运行状态报警、参数设置、控制命令下发等[4]。

首选配置串口，在Labview前面板进行串口配置，采用自带的VISA函数对串口波特率、数据位、校验位、停止位、流控制和终止符进行设置。再进行在线显示模块的设计，包括数值控件显示和曲线显示，对采煤机温度和振动信号进行显示。此外还进行了阈值设置、预警设置、控制按键和数据存储查询功能的设计，根据采煤机长期运行经验值设置关键部位阈值，当运行参数超过阈值开始预警，预警模块由预警指示灯组成，控制按键实现采煤机运行异常时给出修正或停止命令的功能，此外利用Labview提供的文件I/O函数设计实现了运行数据的存储读取功能。

图2 协调器工作流程图

图3 终端设备工作流程图

3 试验测试

硬件和软件平台设计完成后，对系统进行了硬件电路测试和软件程序调试，试验中硬件电路工作正常，网络建立连接、信号采集传输、上位机数据显示、指令收发均正常。

以温度信号的采集、传输和显示为例，测试中选择温度可调的高低温试验箱作为监测对象，将系统终端检测设备置于试验箱中，其余部分妥善连接，通过上位机显示的数据与实际调节对比，发现检测值与实际值基本吻合，证明本次设计的监控系统满足设计要求，可用于采煤机运行状态的实时监测。

4 结论

1）通过分析采煤机应用背景，提出所设计采煤机安全监控系统的性能要求；

2）从协调器、无线通信模块、串口模块、终端数据采集设备四部分分析设计了系统的硬件电路；

3）从无线网络组网、数据采集功能、无线通信功能、上位机监控界面四个方面完成了系统软件部分的设计；

4）系统设计完成后，进行了试验测试，以温度监测为例，说明系统运行效果良好，满足设计要求，有良好的应用价值。