液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

莫葉香

（晉能控股煤業(yè)集團信息化中心，山西 大同 037000）

引言

近年來，隨著煤炭工業(yè)由勞動密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型，煤礦生產(chǎn)將朝著智能化的方向發(fā)展，對采煤機、刮板輸送機以及液壓支架等設(shè)備的自動化、智能化以及整體配合提出了更高的要求。液壓支架作為綜采工作面的支護設(shè)備，支護性能直接決定煤礦生產(chǎn)的安全性。目前，針對液壓支架監(jiān)測主要存在姿態(tài)測量模型不完善、姿態(tài)監(jiān)測不全面以及精度不高的問題[1]。本文將設(shè)計一套完善、全面且高精度的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為綜采工作面的高效、安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

本節(jié)將重點對液壓支架工作原理和總體框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

1.1 液壓支架姿態(tài)概述

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護設(shè)備，其主要由液壓閥、液壓缸等液壓元器件組成，其結(jié)構(gòu)包括護幫板、前梁、頂梁以及各種連桿等[2]。在實際生產(chǎn)中，若液壓支架支護動作出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)誤動作將會直接影響工作面的安全生產(chǎn)。液壓支架支護動作工作原理如圖1所示。液壓支架控制器所發(fā)出的控制指令直接作用于電磁換向閥調(diào)節(jié)器乳化液方向、流量等參數(shù)分別對平衡千斤頂、立柱以及推移千斤頂部件進行控制。其中，通過5號電磁換向閥實現(xiàn)對平衡千斤頂位移量的控制實現(xiàn)對頂梁姿態(tài)角度的調(diào)節(jié)；通過6號電磁換向閥實現(xiàn)對立柱位移量的控制實現(xiàn)對液壓支架支護高度的調(diào)節(jié)；通過7號電磁換向閥實現(xiàn)對推移千斤頂位移量的控制實現(xiàn)對液壓支架的移架操作[3]。

結(jié)合液壓支架的實際工作情況，為保證生產(chǎn)的安全性，需要對液壓支架底座的俯仰角度、液壓支架支護高度以及液壓支架頂梁的俯仰角度進行重點監(jiān)測。

1.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計

圖1 液壓支架支護動作工作原理

鑒于液壓支架工作環(huán)境惡劣且工作面的空間有限，液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為工作現(xiàn)場和遠程監(jiān)測兩部分，具體如圖2所示。

圖2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖2所示，工作現(xiàn)場主要包括有液壓支架控制器、人機交互界面和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其中，液壓支架控制器與網(wǎng)絡(luò)通信模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊、傳感器數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊進行通信。本文重點對液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)中姿態(tài)監(jiān)測模塊進行設(shè)計。

2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊的設(shè)計

液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊作為姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，本節(jié)將根據(jù)監(jiān)測需求設(shè)計姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架，并詳細完成姿態(tài)監(jiān)測模塊的硬件和軟件設(shè)計。液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊重點對液壓支架頂梁的俯仰角度、底座的俯仰角度和支護高度參數(shù)進行監(jiān)測[4]。通過總體架構(gòu)可知，液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)通過慣性測量單元測量模型和傾角傳感器測量模型共同獲取?；谧藨B(tài)監(jiān)測模塊主要完成姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和管理三部分功能。

為實現(xiàn)上述功能，液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 姿態(tài)監(jiān)測模塊總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件設(shè)計

從功能上劃分，姿態(tài)監(jiān)測模塊分為兩個測量模塊和一個數(shù)據(jù)處理模塊。其中，慣性測量模塊主要以陀螺儀傳感元件和加速度傳感元件為核心；傾角傳感器模塊主要以傾角傳感元件為核心；在上述核心元件的基礎(chǔ)上配置常規(guī)的信號調(diào)理、微處理以及通信接口單元即可保證功能的實現(xiàn)。

本系統(tǒng)選用MPU6050型芯片，該芯片集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀的功能；選用SCA100T-D02型芯片實現(xiàn)對傾角傳感元件的功能。姿態(tài)監(jiān)測模塊選用STM32F103ZET6中央微處理器對所采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理和管理；同時，為姿態(tài)監(jiān)測模塊配置SPI接口、RS232串口、CAN總線接口，并通過CAN總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液壓支架控制器通信[5]。

2.2 軟件設(shè)計

姿態(tài)監(jiān)測模塊軟件主要包括3個模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送機制，具體如圖4所示。

3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測的實驗研究

圖4 姿態(tài)監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)發(fā)送機制

為驗證本文所設(shè)計的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測的實際應用效果，將姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控軟件和姿態(tài)順槽遠程監(jiān)控軟件進行開發(fā)，并在實驗平臺上進行驗證。本實驗平臺模擬的綜采工作面的長度為70 m，所配套的采煤機的具體型號為MG500/1130-WD，牽引速度為6 m/min；所配套刮板輸送機型號為SGZ1000/1050；鏈速為1.25m/s；配套液壓支架的型號為ZY4200/18/32，支護范圍為1.8～3.2 m。

所搭建的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺也分為工作現(xiàn)場和遠程監(jiān)控中心兩部分。結(jié)合實驗要求對現(xiàn)場35臺液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測進行驗證，配套的有35個液壓支架控制器和1臺順槽控制器，配置有140個慣性測量單元和105個傾角傳感器。

基于姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對液壓支架的工況進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集頻率為2 Hz，即每間隔0.5 s對數(shù)據(jù)進行采集，采集的數(shù)據(jù)包括液壓支架頂梁俯仰角、底座的俯仰角和支護高度，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，即取得平均值，所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如下頁表1所示。

綜合對比表1中的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，液壓支架支護高度的平均誤差為0.02 m，相對誤差為0.32%；液壓支架頂梁俯仰角的平均誤差為0.34°，相對誤差為3.71%；液壓支架底座俯仰角的平均誤差為0.18°，相對誤差為0.32%。

表1 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果

4 結(jié)語

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護設(shè)備，其對于保證綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。在實際生產(chǎn)中，液壓支架需根據(jù)現(xiàn)場實際工況對其姿態(tài)進行準確、快速調(diào)節(jié)，同時對液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測也非常重要。因此，本文設(shè)計了一款液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括有慣性測量模塊、傾角測量模塊和姿態(tài)監(jiān)測模塊。經(jīng)實驗表明：針對液壓支架支護高度、頂梁俯仰角和底座俯仰角三類參數(shù)的監(jiān)測平均誤差和相對誤差均在可接受范圍之內(nèi)。