狭窄受限空间下掘进机数据远程传输技术

甘松柏

(西山煤电集团 东曲矿，山西 太原 030200)

1 概 述

掘进机是煤矿井下重要的采掘设备，在生产过程中掘进机运行参数、故障信息等数据对于了解掘进机工作状态、解决故障以及改进掘进机功能设计等都有重要的意义。目前，掘进机的数据信息有的存储在本机电控系统中，有的通过无线通信传送至矿井工业环网[1]. 但是，煤矿井下环境恶劣，地面起伏不平，时有煤壁阻挡，导致无线通信信号的强度衰落较大，影响通信数据的传输质量。针对煤矿井下实际生产情况，结合网络优化分析理论，对无线AP的分布进行合理规划，保证无线通信质量，使得掘进机运行参数实时、准确、快速地传送至矿井工业环网。

2 系统结构

狭窄受限空间下掘进机数据远程传输的系统结构组成主要是数据采集平台，在该平台中包含一个PLC控制器，一个CAN转WIFI模块，两个CAN通信隔离模块。其中，PLC控制器是系统的控制核心，用于以CAN通信的方式接收掘进机运行时的参数信息以及故障信息，然后将接收到的数据信息发送给CAN转WIFI模块，以无线的方式发送给安装在巷道内的无线WIFI AP. PLC与掘进机电气控制系统以及PLC与CAN转WIFI模块都需要用CAN隔离模块对通信数据进行隔离，有效保证数据传输的稳定性。无线AP接收到数据后，发送给网关，并经网关后发送到矿井工业环网。需要注意的是，无线AP需要根据煤矿井下的实际情况，在巷道转弯、巷道有遮挡、巷道狭窄等地方增加中继节点，以保证无线信号传输质量。系统结构组成图见图1.

图1 系统结构组成图

数据采集平台中的CAN转WIFI模块集成2.4GWLAN接口，符合IEEE802.11a/b/g/n标准，支持AP以及Station模式，支持64位、128位的加密/解密和256位的WEP、TKIP或AES密钥[2]. TCP Client模式数据转换格式图见图2.

图2 TCP Client模式数据转换格式图

CAN转WIFI模块的工作模式有3种，即TCP Server模式、TCP Client模式以及UDP模式。在TCP Client模式下工作时，1个TCP帧包含若干个CAN帧，最多为50个，最少为1个CAN帧。1个CAN帧的数据格式定义见图2，包含20个字节，其中第1～2字节为帧头，标示一个帧的开始，固定值为0xFE、0xFD；第3字节为发送模式，0x00为正常发送，0x01为自发自收；第4字节为帧信息，标示该CAN帧的信息，如类型、长度等；第5～8字节为帧ID，其中，标准帧为11bits，扩展帧为29bits；第9～16字节为帧数据，即传送的数据内容，最少可以传送0个字节，最多可以传送8个字节；第17～19为帧接收时间戳，单位为ms，溢出后归零循环计时；第20字节为校验字节，保证前述数据的正确性。

选定的WIFI无线基站能够支持4*4MIMO智能天线波束赋形技术和3个空间的WIFI接入点，其覆盖性更广，吞吐量更高，最大数据传输速率可达1.3 Gbps. 该接入点还提供2.4 GHz和5 GHz天线上允许的最大RF辐射功率，即只需采用最低数量的接入点，即可实现最广的覆盖面和最高的吞吐率，进而降低总拥有成本[3]. 该WIFI无线基站与网关以TCP/IP的方式进行数据传送。

3 软件设计

3.1 CAN通信程序设计

CAN通信是ISO国际标准化的串行通信协议，通过ISO11898和ISO11519进行标准化，是欧洲汽车网络的标准协议。CAN通信标准数据帧格式见图3，包含1个bit的帧起始位，表示数据帧开始的段；12 bits的仲裁段，用于表示该数据帧的优先级；6 bits的控制段，用于表示数据的字节数以及保留位；0～64 bits的数据段，为数据的内容，可以发送0～8个字节的数据；16 bits的CRC段，用于检查该数据帧的传输错误的段；2 bits的ACK段，用于表示确认正常接收的段；7 bits的帧结束段，用于表示该数据帧结束[4-5].

图3 CAN通信标准帧格式图

在PLC控制器的CAN通信程序设计中，需要对CAN通信参数进行设置，如通信时的CAN通信端口、帧格式、波特率、CAN-ID等。掘进机电气控制系统与数据采集平台需要定义CAN通信协议格式，在该协议格式中需要制定发送的数据及其所占的字节，示例见表1. 通信协议格式确定后，通信双方就可以按照该协议格式对数据进行打包和解包操作。

表1 CAN通信协议格式示例表

3.2 数据处理程序设计

在数据处理中，将数据分为4个优先级，即故障类数据为第一优先级，传感器类数据为第二优先级，系统类数据为第三优先级，其他数据为第四优先级，其中第一优先级最高，第四优先级最低。按照数据优先级级别，PLC控制器分别对接收到的掘进机电气控制系统数据进行分类存储。另外，为对数据进行快速处理，针对上述4个优先级数据分别启动4个进程，每一个进程处理一个优先级的数据，如启动故障类数据进程，该进程不断地对故障类数据专用空间进行监测，一旦监测到该空间内有数据，立即将数据发送给CAN转WIFI模块，使该数据能够以无线的形式发送到矿井工业环网。PLC程序中数据处理流程见图4.

图4 数据处理流程图

4 结 论

针对煤矿井下狭窄受限空间的实际工况，设计用于掘进机数据传输的数据集中采集平台，并且根据无线网络优化理论在合适的位置安装无线AP，保证无线信号质量。在进行数据传输时，对数据进行分类，并同时启动4个专用进程进行数据传输，最大限度地使数据传输实时、准确、快速。该设计方案已经在某煤矿井下布网并完成工业性试验，试验结果表明，数据传输时延较小、准确度高、无线信号稳定，值得推广。