MG500/1300 型采煤机电气部件运行状态感知系统的设计

祁冬元

（阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

在煤矿行业，MG500/1300 型采煤机以其独有的优势得到了很大范围的应用。该种型号采煤机的运行功率很大，电机在运行过程中需要承受很大的载荷[1-2]，在正常工作时，会遇到各种冲击和阻碍，导致电机输出负荷非常不稳定，容易引发各种故障问题，比如短路故障等[3-4]。大量的实践经验表明，采煤机所有的故障类型中，电气部件故障出现频率较高，因此，设计研究电气部件运行数据感知系统，以有效保障电气部件的安全运行。

1 采煤机电气部件运行状态感知系统的总体设计

准确获取采煤机电气部件在工作过程中的运行工作状态数据信息，是判断电气部件运行状态是否存在故障问题的重要依据。因此，如何获知MG500/1300 型号采煤机电气部件运行数据是非常重要的问题。以电机为例，需要获得的数据信息主要包括电机运行过程中的电压值、电流值以及温度值，可以基于这些数据信息判断电机的工作状态。综合考虑多方面情况，本文基于ZigBee 和GPRS 无线传输技术来建立电气部件运行数据感知系统。如图1所示为采煤机电气部件运行数据感知系统结构图，ZigBee 网络、网关以及上位机是系统的三大主要构成部分。

电气部件运行中产生的数据通过专业传感器收集，所有的传感器直接和ZigBee 终端直接连接，无线传输网络通过ZigBee 协调器来建立并维护，终端在获得数据后通过无线传输网络将其传输给协调器，协调器将收集得到的数据信息进行整理打包后利用GPRS 网关模块以及网络传输到上位机中。数据的存储、分析以及显示全部在上位机中完成。

图1 采煤机电气部件运行数据感知系统结构图

2 采煤机电气部件运行状态感知系统硬件的设计

2.1 ZigBee 模块

当前阶段市场上有很多ZigBee 芯片可供选用，本研究在充分考虑实际情况的基础上，最终选择CC2530 型号的芯片。ZigBee 模块主要包含两部分，分别为路由器部分和协调器部分。而路由器部分又由传感器以及终端部分构成，主要实现电气部件运行过程数据信息的采集，并将数据信息传输到协调器部分。ZigBee 路由器通过电池进行供电。协调器是整个系统的中心，负责接收路由器传输过来的数据，并将其传输到上位机中，必须保证该部分运行的稳定性和安全性。因此，需要设计专门的电源对其持续供电。路由器和协调器两者的硬件电路设计基本相同，存在两处不同之处：供电方式不同、数据采集接口存在差异。

2.2 网关模块

本系统基于GPRS 无线传输技术对相关数据信息进行整理并传输。基于目前的技术，GPRS 移动网络的传输速度可以达到114 kbps。该项技术具备有接入时间短、传输速度快等显著优势，本研究选用SIM1000A 型号的设备作为网关模块的硬件，该设备具备有两个工作频段，分别为DCS2000MHz 和EGSM1000MHz，见下页图2。电平转换部分选用MAX232 型号的芯片，该芯片和GPRS 模块进行直接连接，主要作用是对信号进行转换，具体而言是将ZigBee 模块中输出的电平信号转换成为TTL 的电平信号。GPRS 网关模块由多个部分构成，主要包括供电、串口、接口和卡槽电路。

图2 ZigBee-GPRS 网关框架图

2.3 外部实时时钟

系统在运行过程中，要求对采煤机电气部件的运行状态数据进行实时采集，为了确保数据信息采集的实时性，本系统额外添加了一个外部实时时钟模块。该模块的主要作用就是为协调器部分提供精准的时钟数据信息。外部实时时钟模块选用的芯片为SD2200 型号，该型号的芯片具备有I2C 总线接口功能，包含有内部晶振，确保了计时的精确性，每年的计时误差不超过2.5 min。通过内置的电池进行供电运行，不需要额外提供电源，内置的电池能够保证其正常运行超过5 年。如图3 所示为SD2200 型号芯片实时时钟的电路原理图。

图3 SD2200 型号芯片实时时钟的电路原理图

3 采煤机电气部件运行状态感知系统软件的设计

3.1 总体程序的设计

系统的软件部分通过Keil5 平台进行开发，采用的语言为VB 语言。软件程序实现的功能主要包括传感器数据信息的采集、I/O 接口控制、数据信息的整理传输等。Keil5 平台中已经包含有很多种函数库，在编译过程中可以对这些函数库进行调用，大大简化了编译流程，软件程序的运行效率也得到了显著提升。如图4 所示为电气部件运行数据感知系统软件设计流程，由图中可以看出，软件程序实现的主要功能是对传感器采集得到的数据信息进行简要处理并发送。

图4 电气部件运行数据感知系统软件设计流程

3.2 上位机的设计

设计的电气部件运行数据感知系统在VB 平台上进行程序开发设计。以经常出现故障的电机为例，可以将电机在现场运行过程中的电流数据、电压数据以及温度数据进行采集并传输到上位机中，上位机可以对这些数据信息进行实时显示并绘制曲线变化图。同时可以对数据信息进行存储，以备后续的查询和研究。通过这些数据信息可以准确地判断电气部件运行状态。在上位机中可以选择显示何种电气部件的运行状态数据。如图5 所示为上位机运行界面示意图。

图5 上位机运行界面示意图

4 结论

本文设计的MG500/1300 型号的采煤机电气部件运行状态感知系统，通过对运行数据信息的实时采集，判断电气部件的运行状态，实现故障诊断的功能，为采煤机电气部件的安全运行奠定了坚实的基础。虽然本系统基本能够达到设计的需要，但在实践过程中仍然存在一些问题，需要进一步完善，如上位机的界面需要进一步优化等。