矿井顶板压力位移数据采集系统研究与实现.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 矿井顶板压力位移数据采集系统研究与实现 姓名王宇鹏 申请学位级别硕士 专业计算机应用技术 指导教师秋兴国 2011-06 论文题目矿井顶板压力位移数据采集系统研究与实现 专 业计算机应用技术 硕 士 生王宇鹏 （签 名） 指导教师秋兴国 （签 名） 摘 要 近几年来，我国煤矿安全事故频发，我国煤矿事故统计数据表明，顶板事故一直居 各类事故之首。目前，我国煤矿井下综采面的顶板监测系统只针对压力进行监测，都缺 少对液压支架工作在恒阻阶段时顶梁随顶板下沉的可缩量位移的实时在线监测，然而 顶板下沉所引起顶梁位移的变化对分析工作面顶板来压规律是一个不可或缺的因素，因 此研究设计具有压力、位移同时监测的系统是非常需要的。 通过对系统进行功能和性能需求分析，设计出了矿井顶板压力位移数据采集系统的 结构和组成，分别对系统数据采集器和数据处理软件进行了总体设计和功能模块划分； 选取数据采集器的关键元器件， 设计了具有3通道压力和1通道位移的采集器硬件电路， 主要包括传感器信号处理电路、数据存储电路、电源电压变换电路、数据显示电路、通 信电路等，并进行硬件抗干扰性设计；以 IAR Embedded Workbench 为程序的开发平台， 完成了数据采集程序的设计与开发； 完成了以 SQL server 2000 作为系统数据库的设计； 采用面向对象技术，使用 C语言，设计、开发出与采集器进行实时通信的数据处理软 件，该软件具有实时显示数据、生成数据报表、绘制图形曲线等功能，实现对整个系统 的管理。 经测试表明，矿井顶板压力位移数据采集系统达到了设计要求。该系统的实现弥补 了对煤矿综采工作面顶板监测的不足，提高了我国煤矿顶板压力位移数据采集的实时在 线监测能力，对煤炭安全具有重要意义。 关 键 词顶板压力；位移；监测；MSP430 微处理器；数据处理 研究类型应用研究 Subject Research and Realization of the Roof Pressure and Displacement Data Acquisition System for Mine Specialty Computer Application Technology Name Wang Yupeng Signature Instructor Qiu Xingguo Signature ABSTRACT In recent years, the coal mine accidents happened frequently, the statistics of our country’s coal mine accidents indicated that roof accidents has been come to the fore in various types of accidents. At present, the function of mine pressure monitoring systems is to monitor the roof pressure in the mechanization mining face, and lack of hydraulic support phase of constant resistance with the roof top beam can be shrinkage subsidence displacement of the real-time online monitoring. However, the displacement of the top beam change, which is caused by the roof subsidence, is an indispensable factor for analysising coming-pressure law of the mechanization mining face. Consequently, it is very necessary to research and design the system which includes pressure monitoring and displacement monitoring. Through the analysis of the function and the perance demand of the system, the mine roof pressure displacement data acquisition system structure and the composition were designed; and the mine roof pressure displacement data acquisition systems structure and the composition were designed, and the overall of design system and the functional module division was separately carried on for the data acquisition instrument and the data processing software; the essential component of the data acquisition instrument was choosed, and then the acquisition instrument hardware circuit with three channels pressure and one channel displacement was designed, which mainly include the sensor signal processing electric circuit, the data storage electric circuit, the supply voltage transfer electric circuit, the data display electric circuit, the communication electric circuit etc.; The design of the the hardware anti- jamming was completed; Based on the IAR Embedded Workbench Development Plat, the data acquisition procedure was designed and developed with C language; The system database was design based on SQL server 2000; By using the object-oriented technology and the C language, the data processing software was designed and developed, which communicate with the data acquisition instrument by real-time. The software includes the functions real-time data display, data reports generating, graphic curves drawing etc, which can administer the whole system. The test indicated that the mine roof pressure and displacement data acquisition system has reached the design requirements. The system made up the insufficiency for monitoring the working surface roof of the coal mine successfully, and improved ability of the real-time online monitor in our country coal mine roof pressure displacement data acquisition, which has an important meaning to the coal mine safety. KeywordsRoof pressure Displacement Monitoring MSP430MCU Data processing Thesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 煤炭作为我国的基础能源和重要工业原料，在国民经济中占有极其重要的战略地 位，2009 年我国煤炭总产量达到 29.1 亿吨，如果考虑煤炭进口量，我国煤炭供给总量 将达到 30 亿吨以上。煤炭的开发和利用，是发展国民经济和保障人民生活的重要物质 基础。 在煤炭工业生产过程中，由于生产环境恶劣，生产过程复杂，同时受到地下水、瓦 斯、煤尘和冒顶、地鼓等多种灾害的威胁，从而使煤矿安全问题成为一个最受关注的问 题，是一个比其他行业更重要、更复杂、更难解决的问题。我国历来重视煤炭企业的煤 矿安全工作， 制定了一整套煤矿安全生产法规， 并建立了较为完善的煤矿安全管理机构， 投入了大量资金进行煤矿安全设备和仪表的研制、配套安全技术的开发推广应用工作， 使煤矿安全生产条件得到了很大的改善，煤矿事故发生率基本呈下降趋势，保证了煤炭 产量的持续、稳定增长[1]。 在煤矿的各种自然灾害中，顶板事故一直是地下矿山开采中的一个突出问题。矿井 顶板事故是建井、生产过程中突发性的事故[2]，是指在井下采煤过程中，顶板意外冒落 造成的事故。这类事故的后果往往造成较大人员伤亡和经济损失，严重威胁矿井安全生 产。国内外统计资料表明，顶板事故发生比例居矿山各种伤亡事故之首，在国外金属矿 山的井下伤亡事故中，以冒顶事故为最多，美、英、日等国由于冒顶事故而死亡的人数 均占井下事故死亡人数的 1/31/2。我国煤炭开采中，据长期统计表明，顶板事故占煤 矿总死亡事故的 40以上，其中，死亡人数占总人数的 47.8。顶板事故所酿成的伤亡 事故不仅使国家、企业在经济上蒙受损失，而且也给许多家庭带来不幸[3]。 从最近来看，顶板事故的发生也一直是煤矿工业中主要事故。根据安徽煤矿安全监 察局淮南监察分局公布的20012007年淮南矿区煤矿各类事故起数、 死亡人数统计表中， 这七年间共发生各类矿山事故 177 起，死亡 223 人，其中顶板事故 78 起，死亡 83 人， 顶板事故发生占 66.7，死亡人数占总人数的 37.2；湖北宜昌市全市近五年发生的煤 矿事故中有六成皆因“顶板”造成[4][5]。 1987 年原煤炭工业部颁发的煤炭工业技术政策第 39 条中规定 “各矿区对采煤 工作面和井巷进行矿压观测，根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶 步距、周期来压等数据，逐步摸清本矿区的矿压规律，制定本矿区的顶板分类标准。作 为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据[6]。 ”这也充分表明了顶 板在整个采矿工业生产过程中的重要性。 西安科技大学硕士学位论文 2 目前，顶板主要通过液压机械设备来进行支撑加固，以提高工作空间的安全性。我 国绝大多数煤矿回采工作面采用自移式液压支架，它以高压液体为动力，由金属构件和 若干液压元件组成，使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化 [7]。液压支架的使用大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有 效地增加了劳动安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动 化创造了条件[4]。国内大多数煤矿对支架压力参数检测均使用传统的机械式液压测量仪 表，这类仪表对支架压力参数的获取是靠指针在记录纸上移动来记录数据，常常由于记 录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等，使得仪表的精度低、误差大。而且数据被记录后， 每天还需要专门的工作人员取出机械圆图仪内的记录纸，然后将数据经过手工转换到直 角坐标系下再记录存档，工作效率低下[8]。 顶板在采矿工业生产过程中由于比较复杂的自然因素等会发生自然下沉量，并具有 一定的下沉速度。现有的大多数煤矿中位移监测主要是对顶板离层位移的监测和对采空 区填充后的顶板与底板间位移的监测[9]，并且大多数采用的方法还是传统是的指针式位 移观测仪表，也有部分矿井采用了数字式仪表进行观测。 现在大多数煤矿综采工作面都采用了液压支架进行顶板支护和管理，在这些煤矿 中，液压支架的工作压力大多采用指针式压力观测仪进行观测，也有少数煤矿使用了顶 板压力监测系统对液压支架承受的压力进行监测，在这些顶板压力监测系统中采用了数 字式压力仪表，都缺少对综采面的液压支架工作在恒阻阶段时，液压支架随顶板下沉的 可缩量位移的监测，然而液压支架下沉的位移对分析顶板来压也是一个必不可少的因 素之一。同时，大多数监测系统的压力传感器使用电缆与数据监测仪器连接，在采煤作 业过程中线路经常受到破坏，导致传感器与数据监测仪器连接中断，达到不到实时监测 的用途，同时还增加了额外不必要的工作任务；还有部分监测系统的在线监测功能比较 薄弱，采用了井下红外读取数据，然后工作人员再通过专用设备把数据转移到计算机系 统，人工处理数据或通过软件处理数据，不具有实时监测和分析的功能。 1.2 矿压位移监测系统的国内外发展状况 1.2.1 国内发展状况 现在，随着社会发展，国家对煤矿安全生产要求越来越严，对煤矿安全生产投入也 越来越大，我国煤矿顶板监测仪器有了很大的进步。 早在建国后的五六十年代，对顶板压力的观测主要是对采场矿山压力和一般煤层巷 道围岩应力及变形的监测。在此期间，矿压仪器简单、精度低，基本上均为人工记录和 人工处理。观测仪器多属机械式结构，用途单一，人工操作，大多无自动功能，未实现 连续记录观测，仪器笨重。从而使观测仪器设置位置零散，费工费时费力，顶板动态来 1 绪论 3 压和位移的预测预报严重滞后于实际生产过程，大大降低了顶板状态研究的准确性和适 时性。 80 代以来， 随着传感器理论技术、 电子技术和单片机技术在矿压观测仪器开发中逐 渐得到广泛的应用。测量矿山顶板状态的工具种类繁多，已实现系列化，生产厂家亦迅 速增多，几乎遍布全国；同时大部分矿山顶板状态监测仪器采用单片机技术采集数据并 进行数据的预处理，实现了智能化和数显化，极大地方便了观测工作，测量精度和灵敏 度都大为提高。 随后的 90 年代末，矿山顶板状态监测仪器研制到了一个新的开始，此后的顶板状 态监测仪器具有更加灵敏、准确、误差小、可靠、易用，并满足适时监控要求的特点。 这种新型智能化的矿山顶板状态监测仪器的研制成功为煤矿采场顶板状态监控的研究 奠定了坚实的基础。顶板计算机监测系统，该智能化系统通过了部级鉴定。在许多煤矿 现场实践应用证明在坚硬顶板，特别是受冲击地压威胁的矿井，用该系统来预测预报 采场顶板灾害事故，保证安全生产具有重要作用。山东矿院研制的 DK-2 型顶板动态遥 测仪是该时期具有代表性的矿压观测仪表，并彻底革新了以往人工测取数据，人工处理 数据的旧格局，使得顶板动态的来压预测预报基本实现了实时监测、快速决策、快速指 导生产的作用。特别是近年来，大同矿务局科研所开发研制的综采面顶板动态监测计算 机智能系统， 也是这一时期矿山顶板状态监测仪器研发的典型代表。 这些系统技术先进、 性能稳定可靠、系统完整，采用信号传输将井下分站和地面的中央计算机处理系统有机 地结合在一起，可连续进行监测，信息容量大，处理功能强，并能提前进行人工预报和 声光报警，不失为一种好设备，但同时存在着价格昂贵和系统配置复杂等不足[10]。 近几年来，各种新型监测仪器与系统不断涌现，在矿压监测方面主要有泰安市中泰 矿山设备有限公司的 YHY60A矿用本安型数字压力计及矿用顶板动态仪、北京威通诚 信及带你科技有限公司 ZUD 型顶板位移监测系统、山东省科达矿山监测装备有限公司 的本安型顶板压力位移监测仪YHW150、中国矿业大学的顶板位移采集仪等，在位移 监测方面主要有中国矿业大学生产的 ZCW-ZA本安型位移采集仪、GWG200C本安型 位移监测仪、ZCW-ZB本安型位移量采集仪和 KJ395-F 矿用本安型位移监测分站，泰 安市优耐机械电子有限公司生产的 YHW150 顶板位移监测仪，北京威通诚信机电科技 有限责任公司生产的 ZUD 顶板位移监测装置，煤炭科学研究总院沈阳研究院生产的 YHJ100J 矿用本安型激光测距仪，天地科技股份有限公司生产的 KJ21-FW 矿用本安型 位移监测分站等，大多数位移监测都是对顶板离层位移进行监测。特别是山东尤洛卡的 KJ216A、KJ216B 煤矿顶板动态监测系统是一个非常优秀的多参数综合监测系统，在该 系统集成围岩移动传感器、围岩应力传感器、锚杆/索应力传感器等，在国内获得很高荣 誉。 西安科技大学硕士学位论文 4 1.2.2 国外发展状况 在国外，早期的矿山顶板状态观测是通过机械或机电装置对锚的一些相对运动进行 检测[6][11]。起初，利用监测微震信号来预报冒顶事故仅仅停留在有限的研究上。20 世纪 40 年代 Obert 和 Duvall 对这项技术进行评估。随后，1975 年 Leighton和 Stebley证实当 系统获取到在36到44KHZ之间的增加的噪声率， 就能提前15分钟预测到煤矿事故[4][10]。 但是，由于超声波的频率减弱的太快，所以要求地音监测仪必须放置在靠近顶板事故附 近，这种类型的系统有许多操作上的困难[6]。 目前国外采用超声波对岩体、混凝土等非金属体进行各种参数测定的仪器种类很 多，并各具特色。但从仪器的检测原理上来讲，基本上可分为两类一是直接测量纵波 速度变化的直读式超声检测仪；二是监视波形，分析横、纵波并读出其波速的超声检测 仪[13]。前者体积小，重量轻，便于携带，使用方便。后者因具有波形显示及人工读数等 功能，测量数据比前者更可靠，除测得波速以外，还能进行横、纵波的振幅、频率及相 位等分析，但这类仪器使用起来比较复杂，操作者需具有一定的专业知识才能熟练地操 作[6]。 1.3 矿压位移监测系统的未来发展方向 尽管目前对顶板压力位移监测系统的研究已经取得了许多显著成功，但是依然有许 多问题值得进一步发展，根据煤炭工业生产过程的特点，结合以上分析, 顶板压力位移 监测系统的研制的发展方向如下所述 1 顶板压力位移监测系统应优先发展更为先进、精度更高的传感器和数据采集器 直接相连的信号传输系统，把得到的信号运用单片机技术进行数据采集和预处理，最后 通过相应的接口将所处理后的数据传输到上位机进行进一步处理，对采场顶板压力位移 做出动态、实时的监测与预报。 2 向智能化方向发展，并应满足数显直读要求和具有自动报警装置。 3 向小型化、集中化和便携式且安装维修方便的方向发展。 4 考虑到国情和经济能力，优先发展并采用适宜于一般情况下的井下数据采集和 地面中心计算机处理系统的组合方式的顶板动态监测智能系统。在中央计算机和数据采 集器之间通过接口通讯，传输数据信息，既可避免人工输入数据的麻烦，又可避免设置 井下分站和使用传输电缆经济性差的缺陷，同时还可实现连续监测，适时预报以及日常 的顶板动态监控和生产管理工作[10]。 随着传感器技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术的发展，矿山顶板压力 位移数据的监测将向着高可靠性、高智能化、高精度、通用化和标准化的方向发展。 1 绪论 5 1.4 论文的主要内容 本文研究的主要内容是针对目前矿井工作面顶板的监测只对压力进行监测，缺少对 位移的监测，同时集成度低、抗干扰能力低等不足而提出的，其目的在于研究并设计实 现一种可以弥补这些不足的数据采集系统。通过查阅国外内文献以及分析了目前国内外 对矿井顶板监测系统的基础上[7][14][17]，确定本文的主要内容如下 1 全面了解现有煤矿顶板监测系统，掌握监测系统的功能和结构，对它们现有的 功能进行分析。 2 设计具有 3 通道压力和 1 通道位移的数据采集器硬件功能，选取合适的微处理 器和其它关键元器件，完成数据采集器的硬件电路设计。 3 根据选择的微控制器设计开发采集器的控制程序， 使整个数据采集器能够正常、 稳定运行。 4 根据矿井顶板压力位移数据采集系统的要求设计开发系统数据处理软件，实现 与矿井下数据采集器正通信，达到系统要求。 5 利用相关设备对系统进行测试，保证系统功能完整、运行可靠，达到设计要求。 西安科技大学硕士学位论文 6 2 矿井顶板压力位移数据采集系统总体设计 2.1 矿井顶板压力位移数据采集系统需求分析 矿井顶板压力位移数据采集系统是一种针对于煤矿企业使用的、具有特殊要求的系 统。该系统主要工作过程是通过压力、位移传感器采集压力、位移信息，再经过数据采 集器把压力、位移模拟信号数据处理模块处理后，然后经过通信接口上传至系统数据处 理软件，或把当前压力、位移数据信息保存于数据采集器中；系统数据处理软件是把数 据采集器上传的数据信息进行识别、分析处理后，实时显示当前压力、位移数值，同时 把压力、位移数值保存到相应的数据表中。下面分别从系统数据采集器和系统数据处理 软件两部分简述系统的需求。 2.1.1 系统数据采集器需求分析 1 系统数据采集器功能性需求 系统数据采集器是整个系统矿井下的核心部分，它的主要功能是把所采集到压力、 位移数据进行处理后，上传至系统数据处理软件系统。具体功能如下 ○ 1 对压力、位移传感器传送的模拟信号进行处理 压力、位移传感器是通过压力敏感器件、位移敏感器件把感应到的压力、位移信息 转换成电信号中的模拟信号，然后传输到需要这些信号的上一级进行处理。在系统中， 数据采集器就是压力、位移传感器的上一级。由于压力、位移传感器传送的信号属于模 拟量，而在数字系统中，微处理器并不能直接识别这些模拟信号，这就需要通过一定的 器件对模拟信号进行处理、转换成数字信号，以便微处理器进行识别、处理。 ○ 2 定时采集压力、位移信号 数据采集器需要根据用户的需要在特定的时间或间隔一定的时间段进行数据采集， 并且用户可以很方便地对定时时间进行设置。 ○ 3 保存采集的压力、位移数据信息 该功能主要是在采集器没有与系统数据处理软件进行通信时，可以把当前采集到的 数据保存于采集器内部，当用户需要这部分数据时，可以通过相应的命令帧来控制采集 器上传相应的数据信息。 ○ 4 显示当前压力、位移值 该功能主要实现用户在矿井下观察数据信息时，可以通过光照显示当前的压力、位 移值，而在平时处于不显示状态。 ○ 5 与系统数据处理软件进行通信 2 顶板压力位移数据采集系统的总体设计 7 顶板压力位移数据采集系统主要是供地面办公技术人员使用，通过该系统对矿井下 顶板压力、位移状态进行实时在线监测功能，这就要求系统数据采集器必须具有与系统 数据处理软件进行通信的功能。 2 系统数据采集器技术指标需求分析 根据用户的需要和现在硬件及软件技术发展，经过详细的研究和讨论，得出了本论 文的数据采集器的技术指标参数如下 ○ 1 功耗需求 根据工矿企业的实际需要及相关标准，要求仪器仪表是低功耗仪器。 ○ 2 通道数 在本设计中，系统对 3 路压力、1 路位移进行数据采集，因此本采集器需要 4 路通 道。 ○ 3 通道监测量 采集器的 4 路通道中，3 路通道进行压力数据采集，1 路通道进行位移数据采集。 ○ 4 监测量单位 根据实际矿井仪表要求，数据采集器的压力单位是 MPa，位移单位是 mm。 ○ 5 测量范围 根据实际生产过程中的需求，矿井下的顶板压力监测仪器的最大值一般为 60MPa， 因此本设计也选用 060MPa 的压力传感器； 位移采用了大量程 01000mm 位移传感器。 ○ 6 采样时间 默认设置为每分钟采集一次数据。 ○ 7 数据容量 根据数据的存储格式、存储芯片的容量以及除去其它空间，采集器存储压力和位移 的数据不少于 50000 条。 ○ 8 数据传输接口 数据采集器使用有线方式进行通信，采用 RS485 标准接口。 ○ 9 通讯速率 数据采集器的 RS485 接口通讯速率为 4800bps，n，8，1。 ○ 10 A/D 转换器 综合各型类型的A/D转换器的优缺点以及分辨率， 选用16位的△-∑型A/D转换器。 ○ 11 微处理器 根据实际需要，要求采集器微处理器具有比较高的数据处理速度，综合考虑在这里 选用了 16 位的 MCU。 ○ 12 测量精度 测量精度是指测量的结果相对于测量真值的偏离程度。在测量中，任何一种测量的 西安科技大学硕士学位论文 8 精密程度都是相对的，不可能达到绝对精确，总会存在各种误差。在本设计中，提出测 量精度为满量程的0.2。 ○ 13 供电方式 根据器件用电电压、 安全、 功耗以及是否便利来确定器件的供电方式， 在本设计中， 采用外接 DC12V 本安型电源对采集器进行供电。 ○ 14 工作温度 分析仪器使用环境以及各元器件的工作温度等，综合考虑提出采集器的工作温度为 -4080℃。 ○ 15 防爆型式 由于采集器是在矿井下使用的，必须要求是仪器是防爆型的，本设计的采集器的工 作电流符合矿用本质安全型的用电电流，从而提出采集器的防爆型式为矿用本质安全 型。 2.1.2 系统数据处理软件需求分析 1 系统数据处理软件功能性需求 系统数据处理软件是系统地面工作人员对井下数据采集器上传数据的一个实时监 测平台，结合用户提出的实际需求，并参考同类型软件的功能，对系统数据处理软件需 要分析如下 ○ 1 数据的实时可视化显示 本系统是实现用户可以在地面办公室实时观察到矿井下顶板压力、位移的变化情 况，这就要求系统必需具备实时显示的功能，并为用户提供界面美观的可视化显示。 ○ 2 系统管理 系统管理是一个软件系统对该软件进行系统内部管理的一个重要功能。在本系统 中，系统管理可以实现对用户、数据采集器、测点传感器、系统参数等管理。 用户管理可以实现对系统使用者进行管理，允许合法用户使用，保证系统的数据安 全性和系统的操作安全性；数据采集器管理包括添加新的数据采集器、修改已有数据采 集器的参数和删除不用数据采集器；传感器管理实现对采集器上各通道传感器的管理， 在采集器未用通道上添加新的相应传感器、修改已有测点传感器信息和删除不用传感 器；系统参数管理实现对系统运行的一些基本参数设计，如串口通信参数、软件自启 动等。 ○ 3 数据查询 顶板压力位移数据采集系统所采集的实时数据存储于系统数据库，用户可以根据需 要随时进行查询。用户可以对各传感器所采集的数据、各数据采集器所采集的数据；系 统根据用户设定的条件在数据库中查询数据。查询完成后，系统将查询结果按指定格式 2 顶板压力位移数据采集系统的总体设计 9 进行显示。在查询过程中，系统对查询条件要进行容错处理和提示。 ○ 4 数据输出 数据输出是指系统将计算结果以图形或报表的方式显示在显示器或直接进行打印。 用户可以在打印之前对报表或图形进行预览，或将查询结果导出为 Word、Excel 或图形 文件进行存储。 ○ 5 声光报警 声光报警指当系统实时采集数据发现异常时，通过声音、数据高亮显示的方式通知 用户发生异常，让用户及时采取相应措施。 2 系统数据处理软件性能需求 ○ 1 实用性 软件的实用性就是要结合实际要求，避免一些华而不实的功能。 ○ 2 界面友好性 软件使用步骤要规范、简便、易于掌握。 ○ 3 可视化 软件实时显示数据、数据查询等要可视化显示。 ○ 4 可在线升级 针对系统在使用过程中出现的问题以及功能上的补充，要求系统软件系统必须可在 线升级。 ○ 5 安全性 软件的安全性主要是指要确保软件本身和数据的安全，防止非法用户的无意或恶意 访问和使用；通过对用户权限的管理及数据库的自动定期备份，防止无权用户误操作破 坏数据。 2.2 矿井顶板压力位移数据采集系统总体设计 2.2.1 系统总体结构与组成 1 系统总体结构 矿井顶板压力位移数据采集系统是用来实时监测煤矿顶板压力和位移状态，主要包 括矿井下顶板压力、位移数据的采集和地面系统数据处理软件两部分。矿井顶板压力、 位移数据的采集是通过数据采集器进行的，数据采集器把压力、位移传感器传送的信号 经过处理后，再经过传输通信站上传至系统数据处理软件；系统数据处理软件主要是把 矿井下数据采集器上传的压力、 位移数据进行处理， 实现数据的可视化实时显示、 存储、 查询、图形、报表等功能。 根据系统的需要分析，通过认真考虑后，把系统划分为三层结构，分别是系统数 西安科技大学硕士学位论文 10 据处理软件应用层、由通信分站构成的通信层和由数据采集器、压力、位移传感器构成 的数据采集层。在三层结构中，多个数据采集器通过通信分站与系统数据处理软件形成 通信网络。顶板压力位移数据采集系统总体结构框图如图 2.1 所示 上位PC机顶板压力位移 数据处理软件 压 力 传 感 器 数据采集器数据采集器 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 „„ „„ 通信分站 „„ 压 力 传 感 器 数据采集器数据采集器 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 „„ „„ 通信分站 „„ „„ 通信接口 图 2.1 矿井顶板压力位移数据采集系统总体结构框图 2 系统组成与拓扑结构 矿井顶板压力位移数据采集系统主要由工控机、打印机、KJ402 通信接口、通信分 站、数据采集器、矿用电缆、本安型接线盒、防爆电源、系统数据处理软件和其它必要 的设备组成。 工控机是系统的监测中心，它主要完成两方面的功能，一是与井下监测分站进行通 讯，向数据采集器发送命令实时采集数据；二是对分站的监测数据进行接收、解析和处 理，并用人机对话界面实时显示压力和位移信息，并提供报表等功能。 KJ402 通信接口主要功能是完成 RS-485 信号转换成 RS-232 信号，直接与工控机上 的 COM 口进行连接。 通信分站主要有两方面的功能， 一是通信分站连接多个数据采集器， 可增加监测点， 同时提高系统的可靠性和可维护性；二是在远距离传输过程中起转接作用。 数据采集器是监测系统中的核心部分，工作在液压支架位置，用来实时采集顶板压 力和顶板下沉位移。 系统在井下以RS-485总线进行通信，RS-485采用平衡发送和差分输出，因此具有抑 制共模干扰能力，加上接收器具有高灵敏度，能检测到200mV的电压信号，故传输信号 能够在千米之外得到恢复。 矿井顶板压力位移数据采集系统拓扑结构图如下图 2.2 所示。 2 顶板压力位移数据采集系统的总体设计 11 图 2.2 矿井顶板压力位移数据采集系统拓扑结构图 在整个系统中，本人主要负责数据采集器的设计和系统数据处理软件的设计，下面 将从系统数据采集器和系统数据处理软件两部分进行系统总体设计。 2.2.2 系统数据采集器总体设计 系统数据采集器的主要作用是把压力、位移传感器传送过来的压力、位移信号经过 放大器放大、A/D 转换、通过微处理器处理后，存储于存储器中或上传至系统数据处理 软件，并可以现场通过 LCD 显示器观察数据信息。在硬件电路设计中，采用模块化设 计的方法， 根据不同的功能化分成不同的模块， 使得设计工作便于进行， 硬件便于调试、 检测等。 在经过对系统的功能性需求分析后，对系统进一步进行模块化分，最终数据采集器 主要由如下几个模块组成 1 电源电压模块 系统数据采集器采用外接 12V 本安电源，而采集器内部器件所需电压大多是 35V 低电压，还有2.5V 和-2.5V 的电压需要，同时为了实现系统低功耗这一目标，还必须 对某些模块进行必须的电源管理。该模块的功能主要是实现外接电源电压到采集器使用 电源电压的变换，实现对某些模块进行供电管理，确保系统低功耗。 2 数据存储模块 西安科技大学硕士学位论文 12 存储模块主要实现对采集的数据按照一定的数据格式保存起来，当需要时再上传至 系统数据处理软件。 3 压力位移信号处理模块 数据处理模块主要提供对 3 路压力、1 路位移传感器采集的压力、位移信号进行放 大、A/D 转换处理的功能。 4 通信接口模块 通信模块主要是实现数据采集器与系统数据处理软件进行相互通信的功能。 5 LCD 显示模块 LCD 显示模块主要提供显示当前数据信息的功能，当采集器在有光照的情况下， LCD 显示当前数据信息。 6 日历时钟模块 日历时钟模块主要用来完成提供数据采集器采集数据的时间信息和定时唤醒微处 理器进行数据采集的功能。 7 系统复位模块 系统复位模块采用硬件复位，当系统看门狗失效时，提供系统硬件复位的功能。 8 JTAG 模块 JTAG 模块主要是提供下载调试程序的功能。 系统数据采集器的硬件功能框图如图 2.3 所示。 放大 3 个 压 力 和 1 个 位 移 传 感 器 MCU A/D 数据存储模块 数据显示模块 通 信 传 输 模 块 电源电路模块 JTAG模块 3通道压力 1通道位移 信号处理模块 放大A/D 放大A/D 放大A/D 日历时钟模块 硬件复位模块 图 2.3 系统数据采集器硬件功能框图 2 顶板压力位移数据采集系统的总体设计 13 2.2.3 系统数据处理软件总体设计 根据需求分析知，系统数据处理软件主要功能是将系统数据采集器上传的压力和位 移数据进行接收、保存，并能对压力、位移数据进行相应的处理。通过对系统数据处理 软件的需求进行模块化分，该软件主要由如下几个功能模块组成 1 系统 系统模块包括系统登录、系统管理、数据库管理、退出系统四个子模块。本模块的 主要功能是系统管理功能，包括用户管理、通信分站管理、采集器管理、测点传感器管 理以及通讯参数设置等。 2 查询 查询包括实时数据和历史数据两个子模块，主要用于查询历史监测数据和实时监测 数据，包括历史数据、实时数据、运行状态和声光报警。 3 图形 主要功能是实现对查询结果实现图形显示，包括曲线图、直方图、变化曲线图，使 得测点监测情况更直观、明了。 4 报表 主要功能是对查询结果以报表的形式显示出来