綜采工作面液壓支架壓力順槽監(jiān)測站研究

薛俊旺

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)，山西大同 037000）

0 引言

液壓支架是綜采工作面的主要開采設(shè)備之一，對支架所受壓力的準(zhǔn)確監(jiān)測，能夠?yàn)橹Ъ苓x型、頂板管理以及設(shè)備維護(hù)修理等提供重要的參考價(jià)值，是保障工作面安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1-2]。一般來講，對液壓支架的監(jiān)測由監(jiān)測分站、監(jiān)測總站和地面監(jiān)測站三部分組成。其中，監(jiān)測分站的作用是在液壓支架上監(jiān)測、記錄支架壓力，將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，然后傳送至監(jiān)測總站和地面監(jiān)測站；監(jiān)測總站的作用是接受所有分站傳送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理，集中顯示，然后傳送至地面監(jiān)測站，通常監(jiān)測總站布置在工作面順槽內(nèi)；地面監(jiān)測站的作用是接受井下監(jiān)測總站的數(shù)據(jù)，整理歸納，生成報(bào)表，通常布置在地面監(jiān)控室內(nèi)[3-5]。郭莊煤業(yè)液壓支架監(jiān)測站目前采用PLC技術(shù)，存在著可靠性差、抗干擾能力低、功耗較高、體積較大等問題，針對這些問題，本文提出利用貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司的可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC），對監(jiān)測總站的硬件結(jié)構(gòu)和主要程序進(jìn)行優(yōu)化改造，為工作面支架壓力監(jiān)測提供技術(shù)支持。與現(xiàn)有PLC技術(shù)相比，PCC技術(shù)可靠性更高，更加簡單實(shí)用，能夠保障設(shè)備在惡劣環(huán)境下正常工作，在近年來發(fā)展十分迅速。

1 監(jiān)測總站的功能分析

工作面支架壓力監(jiān)測總站通常包括通信、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)置以及系統(tǒng)重啟5個(gè)功能[6]，下面對其依次進(jìn)行分析。

1.1 通信

通信功能是監(jiān)測總站的主要功能之一，主要包括兩個(gè)方面：與監(jiān)測分站通信和與地面監(jiān)測站通信。

（1）與監(jiān)測分站通信

監(jiān)測分站安裝在工作面支架處，對支架壓力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)支架壓力異常時(shí)，分站會(huì)通過CAN總線向總站發(fā)出警報(bào)；其次，監(jiān)測分站會(huì)對監(jiān)測到的支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，當(dāng)記錄的壓力達(dá)到一個(gè)周期時(shí)，也會(huì)向總站傳送數(shù)據(jù)；另外，監(jiān)測分站的系統(tǒng)參數(shù)需從總站進(jìn)行配置，在總站將參數(shù)配置好后，會(huì)通過CAN總線傳輸至各分站，能夠根據(jù)工作面實(shí)際情況，快速調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

（2）與地面監(jiān)測站通信

在監(jiān)測分站將支架壓力數(shù)據(jù)傳送至總站后，總站可將壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)測站。與地面監(jiān)測站的通信可以通過RS485總線或者以太網(wǎng)，每隔一個(gè)周期向地面?zhèn)魉鸵淮巍?/p>

1.2 顯示

監(jiān)測分站將壓力數(shù)據(jù)傳送至總站后，還可通過總站進(jìn)行顯示。

監(jiān)測總站可對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，通過柱狀圖或曲線圖直觀的顯示各分站的壓力數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)支架壓力的異常位置；同時(shí)，監(jiān)測總站還可以通過狀態(tài)報(bào)表的形式對各分站的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，當(dāng)監(jiān)測分站發(fā)現(xiàn)壓力異常時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，并向總站傳送數(shù)據(jù)，監(jiān)測總站也能夠顯示所有分站的警報(bào)信息。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

監(jiān)測總站本身具有一定存儲(chǔ)功能，當(dāng)各分站數(shù)據(jù)傳送至總站后，總站會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)容量存滿時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)卡內(nèi)，需要時(shí)，也可由工作人員手動(dòng)將數(shù)據(jù)存入卡內(nèi)；同時(shí)，也可以通過總站將壓力數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤內(nèi)，方便研究人員將數(shù)據(jù)帶至地面，對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

1.4 設(shè)置

工作人員可以通過監(jiān)測總站對各分站的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置，具體參數(shù)包括分站個(gè)數(shù)、傳感器數(shù)量、報(bào)警臨界值等；還可以通過總站設(shè)置各分站與液壓支架的相對關(guān)系，根據(jù)顯示圖，直觀地看到各分站的相對位置。

1.5 系統(tǒng)重啟

當(dāng)對監(jiān)測站重新設(shè)置參數(shù)或其他情況需要重啟系統(tǒng)時(shí)，可以通過監(jiān)測總站實(shí)現(xiàn)重啟。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測總站的硬件結(jié)構(gòu)包括開關(guān)電源、貝加萊顯示終端、本安電源、CAN隔離器和USB隔離器等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在監(jiān)測總站中，開關(guān)電源的主要作用是控制貝加萊顯示終端的供電情況；貝加萊顯示終端包括一個(gè)液晶顯示屏提供上述監(jiān)測總站的顯示功能，兩個(gè)USB插口方便插入存儲(chǔ)卡或者U盤，一個(gè)RS485總線接口和一個(gè)以太網(wǎng)接口向地面監(jiān)測站傳送壓力數(shù)據(jù)，一個(gè)CAN總線接口負(fù)責(zé)接收各分站壓力分站數(shù)據(jù)和向分站傳送系統(tǒng)配置信息；本案電源的主要作用是控制RS485隔離器和CAN隔離器的供電情況；CAN隔離器的主要作用是隔離監(jiān)測總站的CAN總線和外部通信設(shè)備；USB隔離器的主要作用是隔離總站USB數(shù)據(jù)和外部標(biāo)準(zhǔn)鍵盤；485隔離器的作用是隔離RS485總線和外部通信設(shè)備。

圖1 監(jiān)測總站結(jié)構(gòu)圖

2.2 部件選型

監(jiān)測總站核心采用4PP420.1043-75型PCC，額定電壓為24V，配置一個(gè)10.4英寸液晶顯示屏，一個(gè)存儲(chǔ)卡槽，一個(gè)RS232接口，一個(gè)以太網(wǎng)接口，兩個(gè)USB接口和兩個(gè)aPCI接口。RS485隔離器選用GS8093-EX型隔離器，USB隔離器選用E-CANG-F型隔離器，CAN隔離器選用E-CANG-F型隔離器，光端機(jī)選用FLSDE16型，鍵盤選用K-287Z型，隔離器和光端機(jī)采用5V本安電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

監(jiān)測總站的軟件流程如圖2所示[7-8]。

如圖2所示，在總站程序初始化后，每隔一個(gè)周期接受一次監(jiān)測分站的壓力數(shù)據(jù)，并通過顯示屏進(jìn)行顯示，若此時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或有故障時(shí)，可按相應(yīng)按鈕進(jìn)行處理，總站接受數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)打包，傳送至地面監(jiān)測站，同時(shí)，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)內(nèi)，若緩沖區(qū)存滿，則自動(dòng)存入存儲(chǔ)卡內(nèi)，為下一輪工作做好準(zhǔn)備。

3.2 主要顯示界面

監(jiān)測總站主要可以顯示實(shí)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)、各分站的工作狀態(tài)、各分站的報(bào)警記錄、系統(tǒng)參數(shù)配置以及分站和支架的相對關(guān)系。

（1）顯示實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)時(shí)，可分別顯示“液壓支架壓力—支架圖”和“液壓支架壓力狀態(tài)圖”，“液壓支架壓力—支架圖”可顯示各支架所有立柱的對應(yīng)的壓力平均值，“液壓支架壓力狀態(tài)圖”可顯示指定支架立柱的受力情況。

（2）顯示各分站的工作狀態(tài)時(shí)，可以顯示各分站中CAN總線、EEPROM、外部RAM和傳感器的工作狀態(tài)，共分有3種不同狀態(tài)：正常工作、出現(xiàn)故障和通信故障。

（3）顯示各分站的報(bào)警記錄時(shí)，可以將各分站的報(bào)警記錄以報(bào)表的形式顯示，具體可以顯示出報(bào)警分站的編號(hào)、出現(xiàn)問題的立柱編號(hào)、引發(fā)報(bào)警的壓力值以及報(bào)警發(fā)生時(shí)間等。

（4）顯示系統(tǒng)參數(shù)配置時(shí)，可以在顯示界面顯示監(jiān)測總站和分站的參數(shù)值，還可以在此對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重新配置。

（5）顯示分站和支架的相對關(guān)系時(shí)，如表1所示，可以在各分站后輸入對應(yīng)的支架編號(hào)，配置各分站和液壓支架的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 軟件流程

表1 分站—支架配置表

4 結(jié)論

針對郭莊煤業(yè)目前使用的支架壓力監(jiān)測總站存在的一系列問題，本文基于PCC技術(shù)，對監(jiān)測總站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，相較于原有PLC監(jiān)測總站，具有界面簡潔、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，能夠接受各分站傳送的壓力數(shù)據(jù)，以圖表的形式直觀顯示，還具有顯示各分站報(bào)警記錄和工作狀態(tài)等功能。在郭莊煤業(yè)應(yīng)用后，對液壓支架的壓力監(jiān)測更加及時(shí)、準(zhǔn)確，能夠快速得到各支架的工作情況，為保障工作面頂板安全和維護(hù)管理提供保障。