液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王曉蘭

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

我國(guó)煤炭資源分布復(fù)雜，伴隨著國(guó)內(nèi)煤炭開(kāi)采過(guò)程的不斷推進(jìn)，煤炭的開(kāi)采難度越來(lái)越大，導(dǎo)致發(fā)生坍塌、瓦斯爆炸等事故的概率大大增加[1-2]。雖然我國(guó)政府及相關(guān)部分出臺(tái)了一系列應(yīng)對(duì)政策與措施，但是安全事故依舊給煤礦與工人帶來(lái)了生命財(cái)產(chǎn)的損失，其中工作面頂板事故尤為嚴(yán)重[3-4]。由于在開(kāi)采過(guò)程中，巷道巖石變形、離層易發(fā)生煤礦頂板事故，通常利用液壓支架進(jìn)行支護(hù)，防止坍塌[5]。因此，為了有效預(yù)防頂板事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)工作面的頂板狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案及基本功能

1.1 系統(tǒng)整體方案

液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由井上部分與井下部分組成，如圖1 所示。其中井上部分由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、上位機(jī)、備用電源與打印機(jī)等設(shè)備組成，井下部分由中心分站、各節(jié)點(diǎn)分站、信號(hào)轉(zhuǎn)換器與壓力傳感器等組成。井上部分中上位機(jī)為工業(yè)計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)井上的調(diào)度與監(jiān)測(cè)功能。井下中心分站為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，實(shí)時(shí)接收各節(jié)點(diǎn)傳輸回的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。本系統(tǒng)選用ARM 處理器作為中心分站的核心處理器，具有體積小、功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，可滿足中心分站的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的需求[6]。系統(tǒng)利用信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井上與井下的信息傳輸。由于煤炭開(kāi)采過(guò)程中，用到的機(jī)電設(shè)備較多，而工作面空間有限，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線困難，并且采用有線傳輸時(shí)，電纜等設(shè)備隨著生產(chǎn)的推進(jìn)也需要移動(dòng)，容易發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，所以本文采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)壓力傳感器與各分站的信息傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)基本功能

液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能主要有監(jiān)測(cè)功能、故障診斷與報(bào)警功能、信號(hào)采集功能、存儲(chǔ)與查詢功能、多任務(wù)運(yùn)行功能、人機(jī)交互功能與自檢功能。

1）監(jiān)測(cè)功能：壓力傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大無(wú)線傳輸?shù)礁鞣终竟?jié)點(diǎn)，并通過(guò)串口通訊傳輸?shù)街行姆终?，利用ARM 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

2）故障診斷與報(bào)警功能：當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到壓力數(shù)據(jù)過(guò)大時(shí)，地面上位機(jī)將顯示故障分站并報(bào)警。

3）信號(hào)采集功能：壓力傳感器對(duì)各液壓支架的工作壓力信號(hào)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁鞣终尽?/p>

4）存儲(chǔ)與查詢功能：檢測(cè)數(shù)據(jù)將被保存一年以上，并繪制成液壓支架壓力參數(shù)時(shí)間曲線圖，方便工作人員查閱。

5）多任務(wù)運(yùn)行功能：支持打印、查詢、存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行。

6）人機(jī)交互功能：工作人員可通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)鍵盤對(duì)系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改。

7）自檢功能：系統(tǒng)對(duì)電源模塊、各硬件設(shè)備與軟件程序進(jìn)行自檢，防止系統(tǒng)故障所引發(fā)的安全事故。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件分析設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)及接線

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）主要分為中心分站部分、節(jié)點(diǎn)分站部分與終端節(jié)點(diǎn)部分。中心分站的硬件結(jié)構(gòu)主要包括ARM處理器及外圍電路、電源模塊與無(wú)線通訊模塊；節(jié)點(diǎn)分站主要設(shè)備為路由器及電源模塊，負(fù)責(zé)擴(kuò)大井下無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的范圍；終端節(jié)點(diǎn)主要包括壓力傳感器、信號(hào)放大電路、電源模塊及無(wú)線通訊模塊等。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)液壓支架壓力信號(hào)的采集，并通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路對(duì)信號(hào)放大，利用CC2530模塊將信號(hào)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)站將信號(hào)傳輸?shù)街行姆终荆恢行姆终纠煤诵奶幚砥鲗?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。當(dāng)中心分站監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)，將啟動(dòng)報(bào)警裝置。

中心分站的處理器選用S3C2440 型處理器，S3C2440 是32 位的微型ARM處理器，采用1.2 V 內(nèi)核電壓供電，3.3 V 外部I/O 供電，130 個(gè)I/O 通用接口，支持?jǐn)z像頭接入、具有普通模式、低功耗模式與空閑模式。芯片具有較大的開(kāi)發(fā)擴(kuò)展余量，編程簡(jiǎn)單，兼容性好，方便技術(shù)人員的開(kāi)發(fā)編譯，滿足本系統(tǒng)的功能要求[7-8]。

圖2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)與接線圖

2.2 傳感器的選型

壓力傳感器主要有電感式、電容式、壓電式與壓阻式等，其中壓阻式傳感器具有抗干擾性強(qiáng)與測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用SLM211 壓阻式壓力傳感器負(fù)責(zé)液壓支架信號(hào)的采集。SLM211 傳感器采用10 V 恒壓直流供電、工作溫度-40～85 ℃，壓力測(cè)量范圍位0～80 MPa，芯片封裝于不銹鋼殼內(nèi)，適應(yīng)井下工作環(huán)境。SLM211 壓力傳感器采用惠斯通電橋測(cè)量結(jié)構(gòu)，電阻為單晶硅材料，隨著外界壓力的變化，電路中的阻值發(fā)生相應(yīng)變化。

2.3 無(wú)線通訊的實(shí)現(xiàn)

井下無(wú)線通訊時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮通信頻率與巷道傾斜度等干擾因素，通過(guò)比較市面上常用的幾種無(wú)線通訊技術(shù)，如WIFI、ZigBee 與藍(lán)牙傳輸技術(shù)等，本系統(tǒng)選用ZigBee 技術(shù)。ZigBee 為一種短距離通訊技術(shù)，其組網(wǎng)方便，功能豐富，可較好應(yīng)用于液壓支架組的整體監(jiān)測(cè)，并且具有運(yùn)行功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有傳輸距離短的缺點(diǎn)，所以為了滿足井下液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸功能，本文在中心分站與終端節(jié)點(diǎn)之間設(shè)計(jì)了路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)信號(hào)的中轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了ZigBee 技術(shù)的通訊范圍。

2.4 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器輸出的信號(hào)電壓在1 000 mV 左右，無(wú)法通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)，所以在壓力傳感器信號(hào)傳輸之前應(yīng)經(jīng)過(guò)放大電路調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)選用AD620 運(yùn)算放大器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)計(jì)算方便、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，其電路如圖3。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件編程

中心分站嵌入式系統(tǒng)利用組態(tài)王進(jìn)行軟件程序的編譯，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件程序主要分為：邏輯管理程序，將I/O 設(shè)備與設(shè)備一一對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，上位機(jī)與分站之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與查詢功能；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序，采集各支架的壓力參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)限值時(shí)，顯示報(bào)警畫(huà)面，并保存記錄故障時(shí)間與位置；人機(jī)交互程序，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，可顯示實(shí)時(shí)的壓力信號(hào)與歷史壓力曲線圖。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用無(wú)線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的一種基于ARM 的液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效解決了井下空間狹小，鋪線不便的難題，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確率，為煤礦預(yù)防井下頂板事故提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。