采煤机远程监控系统关键技术的研究现状分析.pdf

收稿日期 2016 －07 －18 基金项目 国家自然科学基金 61304024 ; 河北省高等学校科学技术研究项目 ZC2016072 ; 中央高校基本科研业务费资助项目 3142015143， 3142015101 ; 廊坊市科技支撑计划项目 2016011015 作者简介 李平 1992 － ， 女， 山西长治人， 华北科技学院在读硕士研究生， 研究方向 物联网技术在电气传动系统中的应用。E- mail 1755382002 qq. com 采煤机远程监控系统关键技术的研究现状分析 李平， 张晓宇 华北科技学院， 北京 东燕郊101601 摘要采煤机是煤矿井下煤炭开采的重要设备之一。传感器技术和通信技术的不断发展， 以及近 年来煤矿对安全生产的重视， 推动了采煤机远程监控技术的不断发展和提高。本文对近年来采煤机 远程监控系统中的关键技术进展进行了研究分析， 并对系统中通信方式的选择、 监控方式的选择以及 数据采集方式的选择等问题进行了阐述说明。在此基础上， 最后提出对采煤机远程监控系统的展望。 关键词采煤机; 远程监控; 关键技术 中图分类号TD421. 6文献标识码A 文章编号 1672 －7169 2016 05 －0043 －05 Analysis of the research on key technology of remote monitoring system of coal winning machine LI Ping， ZHANG Xiao－yu North China Institute of Science and Technology， Yanjiao， 101601， China AbstractShearer is one of the important equipment of coal mining underground coal mines. The continuous development of sensor technology and communication technology， as well as the emphasis on coal mine’ s safety production in recent years， has promoted the continuous development of shearer’ s remote monitoring and con- trol technology. This paper analyses and researches the development of key technology of shearer’ s remote mo- nitoring and control system in recent years， and explains the choice of the ways of communication， monitoring and control， and data acquisition in the system. On this basis， further research development of shearer’ s re- mote monitoring and control system are discussed in details. Key words coal mining machine;remote monitoring;key technology 0前言 随着科学技术的发展， 远程监控系统在煤矿中 的应用越来越广泛， 它可以把井下的各种工作参 数、 画面及时的反馈给监控室的工作人员， 为煤炭 开采工作提供便利及安全保障。目前， 国内外监控 系统在井下工况监控方面都取得了较大的成效， 且 差距不明显， 但是在采煤机的远程控制方面， 国内 比国外的技术落后许多 ［ 4 ］。在国内， 一些露天煤矿 已经实现了采煤工作面的无人/少人操作， 但是对 于大多数地下开采煤矿来说， 因为煤矿井下恶劣的 工作环境， 实现井下无人/少人操作， 是目前煤矿技 术研究中的一个难点问题。尤其是对于采煤机来 说， 因为它的运动复杂， 影响其工作状态的变量也 比较多， 使它成为影响远程监控系统研究技术的关 键 ［ 4 ］。目前， 研究人员采用各种不同的技术方法组 34 第 13 卷第 5 期 2016 年10 月 华北科技学院学报 Journal of North China Institute of Science and Technology Vol. 13No. 5 Oct.2016 建采煤机的远程监控系统， 但因为井下环境的复杂 性， 这些技术都有各自的先进性和不足。 本文通过综合现有的采煤机远程监控系统文 献资料， 对现有的应用于采煤机远程监控系统的 几种关键技术， 进行了研究分析， 并提出自己的观 点见解。其中， 通信方式的选择， 现采用的技术有 有线通信、 无线通信以及两种通信方式相结合; 监 控采用的方式有 PLC 与 Quest3D 技术的结合、 PLC 与组态软件的结合以及通过嵌入式技术来实 现; 数据采集方式中， 通过传感器实现对采煤机工 作环境以及工作参数的采集， 通过摄像仪或者借 助 3DVＲ 技术实现采煤机工作画面的监测。 本文主要内容分为三个部分， 第一部分对采 煤机远程监控系统做了一个简单的介绍， 随后第 二部分对该系统中几个关键技术中现已提出的方 法和应用进行论述分析， 并提出自己的评述， 最后 作出总结， 并提出对未来的展望。 1采煤机远程监控系统 采煤机， 作为煤矿采煤技术中的关键设备， 负 责工作面的煤炭采割工作。在现代化煤矿中， 监 控系统是采煤技术的核心， 尤其是远程监控技术 的发展， 很大程度上减轻了工作面工人的劳动量， 也为他们的安全提供了很大的保障。 煤矿远程监控系统主要包括通信模块、 监 控模块和数据采集模块三大模块。其中， 通信 模块主要负责井上与井下之间的数据传输， 是 实现采煤机远程监控的技术基础。监控模块又 分为井上监控和井下监控两部分， 通过通信模 块实现二者之间的数据传输。井上监控模块主 要指的是煤矿地面监控中心， 它负责实现井下 工作面设备工作的各项参数及状态的显示， 使 工作人员及时了解工作面的工作状况。同时， 工作人员可以根据需要， 通过监控中心发出对 采煤机的控制指令， 实现对采煤机的控制。井 下监控模块主要负责将地面传送过来的控制信 号转换成相应的控制指令实现对采煤机的控 制。数据采集模块负责对采煤机各项工作参数 的采集以及井下工作环境各项参数、 井下工作 环境状态的采集。 图 1系统总体框图 2采煤机远程监控系统中的关键技术 2. 1通信模块 通信模块是远程监控系统的技术基础， 是联系 井上监控中心和井下采煤机的桥梁 ［ 3 ］。由于煤矿 井下环境的复杂性， 所以在实现对采煤机的远程控 制的过程中， 通信模块也成了有待解决和研究的热 点。近几年， 随着科学技术的不断发展， 在通信模 块采用的技术也在不断改进。但总体上， 从采用的 介质上来说， 主要有三类， 一种是有线通信， 一种是 无线通信， 还有一种就是无线与有线的结合。 文献［ 1 －12， 27 －28］ 均采用光纤/电缆作为 通信介质。在文献［ 1］中， 通过比较 PＲOFIBUS 总线和 CAN 总线， 采用性能较好、 实时性强的 CAN 总线作为通信基础。从系统的简单化和稳 定性出发， 系统采用 MCU CAN 收发器， 所有的 模块均采用了 MCUC8051F040。同时， 通过在 各个模块的通信线路之间加光耦隔离的方式来提 高系统通信模块的抗干扰性能。文献［ 27］选择 CAN 总线与 ＲS485 总线的结合。CAN 总线实现 对监测数据的采集以及控制指令的发送， ＲS485 总线实现与上位机及监控中心的通信。文献 ［ 28］ 选择以太网实现通信。文献［ 14］是采用 CAN 总线与以太网结合的方式。机载信息经 CAN 总线传送， 然后经 CAN 转以太模块将信息 经以太网传送给地面监控中心。 采用 CAN 总线通信的好处就是在数据通信中 设置好节点信息的优先级， 可以实现一对多节点通 信， 也可以多节点同时发起通信， 它的通信距离也 比较远， 最远可达10Km， 实时性较强， 抗干扰性强。 但无论是 CAN 总线还是以太网， 它们的传输介质 一般都采用的双绞线， 光纤或者电缆， 给采煤机在 井下复杂的工作环境中的工作带来很大的不便。 文献［ 9 －13， 33］ 提出在井上部分采用 GPＲS 技术来实现数据传输。文献［ 13］ 中， 井下部分依 旧采用光纤/电缆将采煤机工作信息传输给地面， 44 华北科技学院学报2016 年第 5 期 随后通过 GPＲS 技术将信息传送给监控中心。文 献［ 33］ 在井下通信部分加入了 ZigBee 无线通信 方式。传感器节点采集到的数据经无线网络发送 给协调器节点， 随后经 ＲS － 485 总线与 GPＲS 模 块相连。GPＲS 技术在数据传输的稳定性方面比 其他无线传输方式较好， 但是该技术只能用于井 上通信部分， 对远程监控系统通信部分的主要问 题， 也就是工作面上因环境恶劣复杂、 电缆通信不 便等问题帮助不大。 文献［ 3 －25］ 采用 ZigBee 技术。文献［ 3］ 中 作者通过对有线通信技术与无线通信技术， 包括 红外技术、 数字增强无绳电话技术、 家庭无线电射 频技术、 蓝牙技术、 超宽带无线通信技术、 IEEE 802. 11x 技术、 射频识别技术、 ZigBee 技术等的比 较， 最后从费用、 传输速率、 稳定性等多角度综合 考虑， 选择使用无线通信 ZigBee 技术。文献选择 抗干扰性能较好， 传输速率较快、 开发比较简单的 ZICM2410P2 模块， 选用树形网络拓扑结构组网。 开发初期， 利用 OPNET Modeler 仿真软件对无线通 信模块进行仿真， 选择合适的仿真环境参数， 并模 拟煤矿井下恶劣的工作环境， 加入了干扰信号， 验 证了该模块的可行性。该系统布局示意图如图2 图 2遥控采煤机系统布局示意图 该系统从井下至地面均采用无线网络来传输信 号， 在一定程度上解决了整个系统中线缆使用的问 题。但是， 由于井下环境比较复杂， 对无线信号的干 扰性比较强。弯曲错综的巷道环境也使得无线信号 的传输以较快的速度衰减。因此为了保证信号传输 的实时性， 就需要在整条线路上增加许多节点。但 是每增加一个节点势必也就相当于增加了一个隐性 的故障点， 增加了信号传输的故障可能性 ［ 5 ］。而且 针对图像等数据量较大的信号， ZigBee 的承载能力 有限， 也会降低其传输速度， 实时性得不到保障。 文献［ 11］ 考虑到了图像数据传输的问题， 采 用的是 ZigBee 与 WiFi 结合的方式， 组网选择分 簇式链状无线传感器网络结构， 在数据采集部分 的终端选用 ZigBee 技术来实现数据的传输， 随后 选用 WiFi 技术将数据采集器中的信息传送给监 控中心。该系统解决了图像等大数据传输的实时 性问题， 但无论是 WiFi 技术还是 ZigBee 技术， 在 长距离的信号传输过程中， 都需要增设很多节点， 多节点带来的故障隐患仍未得到解决。下图 3 是 该系统网络结构示意图 图 3智能无线传感器网络总体结构 文献［ 8 －16， 18 －19， 30 －32］ 考虑到无线网 络在长距离的传输信号过程中的信号衰减问题， 采用无线 有线的信号传输模式。文献［ 30］采 用 WiFi 与以太网的结合， 在通信不方便的区域用 54 第 5 期李平等 采煤机远程监控系统关键技术的研究现状分析 无线通信来实现。文献［ 16］在无线部分采用的 是 ZigBee 与 WiFi 的结合， 实现各传感器采集到 的信号与摄像仪采集到的图像信息的传送， 无线 信号传输到协调器节点经处理后由电缆/光纤传 输给地面监控中心。 文献［ 32］在无线部分引入了 WLAN 无线通 信方式来实现， WLAN 是 WiFi 的扩展， 确切的说 WiFi 是 WLAN 所包含的协议标准中的一种。较 WiFi 来说， WLAN 的无线通信距离更远， 通信范 围更宽。 文献［ 18］中地面与井下之间的数据通信通 过设在两处的交换机来实现， 两者之间的通信方 式选择传输速度较快的光纤通信， 以确保井下与 地面之间信息传输的实时性。地面与井下系统各 分站之间通过以太网实现数据通信。在对采煤机 的机载控制部分通过无线控制方式实现。无线控 制模块由 ATmega16 单片机和 PT2262/PT2272 编 解码芯片共同实现。整个系统通过有线与无线的 结合， 在很大程度上减少了采煤机附近的光纤、 电 缆的使用， 同时也确保了控制系统的高效、 实时以 及抗干扰的性能。 2. 2监控模块 在采煤机远程监控系统中， 监控模块是系统 的神经中枢 ［3 ］。监测部分将采集到的数据传送 给井下或地面监控中心， 使工作人员可以远程看 到采煤机的工作状态， 同时监控中心发出相应的 控制指令给机载控制模块， 实现对采煤机远程操 作控制。监控方式的选择， 直接影响着采煤机的 工作质量， 是采煤机安全有效工作的保障。 文献［ 10］ 在监控部分采用的是 Quest3D 和 PLC 监控系统， PLC 选用继电器输入输出方式的 FX2N －64MＲ， 当它对控制指令产生相应动作的 时候， 反应较慢， 一定程度上不利于系统的实时 性的实现。在监测部分选用 Quest3D 虚拟软件 设计， 根据接收到的控制指令模拟井下工作面 的工作画面， 同时根据接收到的存储在 MySQL 数据库井下工作面的数据信息对画面进行及时 矫正， 使工作人员更直观地看到井下的一个工 作状态。 文献［ 2 － 6， 21 － 24］在监控模块采用的是 PLC 机载控制与 WinCC 组态软件监控平台。控 制器多选用西门子 S7 － 300 或 S7 － 400PLC。文 献［ 6］ 用 STEP7 的 SCL 结构化编程语言实现软件 编程设计， 缩短语句循环周期， 从软件部分提高系 统的实时性。组态软件选用兼容性好的 SIMATIC WinCC， 为不同设备的接入以及系统的扩展带来 很大的便利。WinCC 监控平台对采集到的采煤 机的各项工作参数于上位机进行组态， 同时， 工 作人员也可以根据需要在该平台对采煤机的各 项参数进行修改， 实现对采煤机的远程控制。 文献［ 3］在控制模块采用的是单片机控制， 针对控制部分处理数据量较大这一需求， 主控制 器选用一款集 DSP 与 AＲM 处理器于一体的 TMS320DM6446 芯片， 可实现对采集到的视频图 像等信息的快速处理， 提高系统实时性。 2. 3数据采集模块 采煤机远程监控系统的数据采集模块主要分 为温度、 甲烷、 CO 等环境参数的采集以及工作环 境的图像采集两个部分。在环境参数采集部分， 目前大多数系统均采用各类传感器采集， 所以在 大多数论文中没有做过多的论述。在图像采集模 块多直接用摄像仪采集。 文献［ 17 －20， 29］ 对工作环境的监控采用视 频摄像仪摄像的方式。文献［ 20］选用可实现多 角度取景的监控器 601LD， 可以实现现场直接取 景。文献［ 29］结合工作面环境以及摄像仪的可 视范围， 综合考虑到摄像仪的费用问题以及在随 后工作中的检修维护问题， 通过计算选取最优布 置点。在采用摄像仪直接采集图像画面方面， 存 在着一个很大的弊端， 那就是井下潮湿、 多粉尘的 工作环境， 容易损坏摄像头， 另外， 工作一定时间 后粉尘会附着在摄像仪镜头上， 影响画面采集的 质量。 文献［ 7 － 22， 26］在工作画面的监视部分均 借助 3DVＲ 技术来实现。文献［ 22］在 WinCC 组 态软件的基础上， 加入了 3DVＲ 技术。3DVＲ 监 控平台提前对采煤机进行 3D 建模。采煤机各类 传感器将采集到的采煤机的状态参数上传给 WinCC 监控系统， 3DVＲ 平台根据这些状态参数 对模拟采煤机进行 3D 驱动， 将井下采煤机的工作 状态以画面的形式呈现给工作人员。文献［ 26］ 是在 XNA 的平台上开发3DVＲ 平台， 实现对工作面工装 状态的监控。 采用 3DVＲ 技术建模， 在一定程度上解决了 64 华北科技学院学报2016 年第 5 期 画面清晰度问题， 但是毕竟各类传感器采集的数 据是有限的， 不能将工作面的工作状态完整准确 地还原出来， 存在一定的误差。 文献［ 23］是综合采用视频摄像与 3DVＲ 虚 拟现实技术实现对采煤机工作状态的画面再现， 一定程度上实现了现实与虚拟的互补， 但是现场 摄像头取景的问题并没有得到解决。因此， 在图 像采集技术方面， 图像画面质量与画面采集的全 面性的实现， 还需要进一步的研究。 3结论与展望 采煤机远程监控的问题是近几年来煤矿技术 方面一直在研究的一个重要问题和热点问题。目 前， 在国内外煤矿的采煤机的远程监控方面已经 取得了很大的进展， 但仍存在许多问题 一 在 通信模块， 现在一种比较好的方法是采用无线通 信与有线通信方式的结合， 但是怎样确保在无线 传输部分信号的稳定性以及针对多节点设备中各 节点的设备可靠性保障， 这是有待解决的问题; 二 在监控模块， 怎样确保检测的准确性; 三 怎样提高系统的实时性问题。这些问题都需要更 深入的研究， 以取得更好的监控效果。未来在数 据监测模块， 检测性能更高、 更可靠的光纤传感器 是很有前景的应用， 它不仅可以实现对 CO、 甲烷、 温度等环境参数的监测， 也可以实现对煤层中煤 矸石的监测; 在数据通信模块， 可以通过智能物联 通信方式的融合， 将井下采煤机的远程监控、 供电 系统以及其他通信方式融合在一起， 减少井下光 纤/电缆的使用。 参考文献 ［ 1］徐柏松 . 基于嵌入式与现场总线原理的采煤机通信系统 ［ J］ . 煤炭与化工， 2016， 39 01 135 －137. ［ 2］权国通 . 采煤机远程监控技术研究［J］. 内江科技， 2011 8 94. ［ 3］张靖 . 基于紫蜂技术的采煤机遥控系统设计［D］. 成都 西华大学， 2012. ［ 4］姜俊英， 马宏伟 . 采煤机监控技术研究现状及发展趋势 ［ J］ . 煤矿机械， 2015， 36 8 1 －3. ［ 5］李胜 . 采煤机监控系统的现状及组成原理研究［J］ . 科技 资讯， 2009 12 97. ［ 6］刘军， 王忠宾， 牛可， 等 . 采煤机远程监控系统关键技术研 究［ J］ . 煤炭科学技术， 2010， 38 06 67 －69. ［ 7］张岩军， 王忠宾， 权宁 . 采煤机远程监控系统研究与分析 ［ J］ . 制造业自动化， 2012， 34 6 100 －101. ［ 8］缪蕾， 刘国巍， 廖玲娟 . 基于 ZigBee 技术的采煤机状态监 控系统的设计［ J］ . 煤矿机械， 2015， 36 01 32 －34. ［ 9］韩哲 . 浅析 CAN 总线技术在采煤机监控系统设计中的运 用［ J］ . 科技与创新， 2015， 22 146. ［ 10］吴海雁， 王天龙， 张旭辉， 等. 基于 Quest3D 和 PLC 的采煤 机远程监控系统［J］. 工矿自动化， 2015，41 11 14 －16. ［ 11］王丽娜， 黄友锐， 唐超礼， 等 . 基于 ZigBee WiFi 的井下监 控系统设计和实现［ J］ . 煤炭工程， 2014， 46 06 138 －140. ［ 12］何广东 . 基于 PLC 控制的采煤机自动割煤技术研究与应 用［J］ . 煤炭科学技术， 2015， 43 z 100 －103. ［ 13］王建军 . 对远程监测系统应用于采煤机维修的探究［J］ . 机械管理开发， 2012 01 198 －200. ［ 14］邓玉娇， 童敏明， 王欣， 等 . 基于组态软件的采煤机远程监 控系统设计［ J］ . 煤矿机械， 2012， 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