液压支架压力监测系统的研究与设计.pdf

引言 我国煤炭资源分布复杂，伴随着国内煤炭开采 过程的不断推进， 煤炭的开采难度越来越大， 导致发 生坍塌、 瓦斯爆炸等事故的概率大大增加[1-2]。虽然 我国政府及相关部分出台了一系列应对政策与措 施，但是安全事故依旧给煤矿与工人带来了生命财 产的损失， 其中工作面顶板事故尤为严重[3-4]。由于 在开采过程中， 巷道岩石变形、 离层易发生煤矿顶板 事故， 通常利用液压支架进行支护， 防止坍塌[5]。因 此， 为了有效预防顶板事故的发生， 本文设计了一种 液压支架压力监测系统，可对工作面的顶板状态进 行监测。 1监测系统整体方案及基本功能 液压支架压力监测系统的整体结构由井上部分 与井下部分组成， 如图 1 所示。 其中井上部分由远程 监控端、 上位机、 备用电源与打印机等设备组成， 井 下部分由中心分站、 各节点分站、 信号转换器与压力 传感器等组成。 井上部分中上位机为工业计算机， 负 责井上的调度与监测功能。井下中心分站为整个监 测系统的核心部分， 实时接收各节点传输回的数据， 并对数据进行分析处理。本系统选用 ARM 处理器 作为中心分站的核心处理器， 具有体积小、 功耗低、 性能高的优点，可满足中心分站的数据处理与计算 的需求[6]。 系统利用信号转换器， 通过工业以太网实 现井上与井下的信息传输。 由于煤炭开采过程中， 用 到的机电设备较多， 而工作面空间有限， 导致监测系 统布线困难， 并且采用有线传输时， 电缆等设备随着 生产的推进也需要移动， 容易发生断裂等现象， 所以 本文采用无线传输的方式，实现压力传感器与各分 站的信息传输。 液压支架压力监测系统的功能主要有监测功能、 故障诊断与报警功能、 信号采集功能、 存储与查询功 能、 多任务运行功能、 人机交互功能与自检功能。 1） 监测功能 压力传感器将检测数据经过信号 放大无线传输到各分站节点，并通过串口通讯传输 到中心分站， 利用 ARM 处理器进行数据分析， 并将 数据传输到地面上位机， 实现实时监测功能。 2） 故障诊断与报警功能 当传感器监测到压力 数据过大时， 地面上位机将显示故障分站并报警。 3） 信号采集功能 压力传感器对各液压支架的工 作压力信号进行采集， 并将数据实时传输到各分站。 4） 存储与查询功能 检测数据将被保存一年以 上， 并绘制成液压支架压力参数时间曲线图， 方便工 作人员查阅。 5） 多任务运行功能 支持打印、 查询、 存储与实 时监测等多任务同时运行。 6） 人机交互功能 工作人员可通过显示器实时 查看监测数据，并通过键盘对系统的各种运行参数 进行设置与修改。 液压支架压力监测系统的研究与设计 王晓兰 （大同煤矿集团机电装备力泰有限责任公司， 山西大同037000） 摘要 针对煤矿顶板事故频发， 设计了一种基于 ARM 处理器的液压支架压力监测系统。 监测系统整体方案的几 大功能进行分析介绍。对系统的处理器、 压力传感器与信号放大电路分别进行选型设计， 同时对系统的软件编程进 行分析介绍。监测系统采用无线通讯的方式， 不仅提高了传输效率， 还为井下顶板事故的预防提供了数据参考。 关键词 液压支架压力监测无线通讯 中图分类号 TD355.4文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0187-03 收稿日期 2020-03-31 作者简介 王晓兰 （1984） ， 女， 本科， 助理工程师， 毕业于中国 矿业大学机械工程专业， 现为液压支架修理技术员。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.082 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 图 1系统整体方案设计 备用电源 上位机打印机 信号转换器 远程监控 中心分站 分站 1分站 2分站n 井上 井下 压 力 传 感 器 n 压 力 传 感 器 1 压 力 传 感 器 n 压 力 传 感 器 1 压 力 传 感 器 n 压 力 传 感 器 1 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 7） 自检功能 系统对电源模块、 各硬件设备与软 件程序进行自检， 防止系统故障所引发的安全事故。 2监测系统硬件分析设计 监测系统的硬件结构 （见图 2） 主要分为中心分 站部分、 节点分站部分与终端节点部分。中心分站的 硬件结构主要包括 ARM 处理器及外围电路、 电源模 块与无线通讯模块； 节点分站主要设备为路由器及电 源模块， 负责扩大井下无线传输网络的范围； 终端节 点主要包括压力传感器、 信号放大电路、 电源模块及 无线通讯模块等。 终端节点负责液压支架压力信号的 采集， 并通过信号调节电路对信号放大， 利用 CC2530 模块将信号传输到路由节点； 路由节点作为中转站将 信号传输到中心分站； 中心分站利用核心处理器对数 据进行计算分析， 并将结果传输到上位机。当中心分 站监测到数据异常时， 将启动报警装置。 中心分站的处理器选用 S3C2440 型处理器， S3C2440 是 32 位的微型 ARM 处理器， 采用 1.2 V 内 核电压供电， 3.3 V 外部 I/O 供电， 130 个 I/O 通用接 口， 支持摄像头接入、 具有普通模式、 低功耗模式与 空闲模式。芯片具有较大的开发扩展余量，编程简 单， 兼容性好， 方便技术人员的开发编译， 满足本系 统的功能要求[7-8]。 压力传感器主要有电感式、 电容式、 压电式与压 阻式等，其中压阻式传感器具有抗干扰性强与测量 准确等优点，所以本文选用 SLM211 压阻式压力传 感器负责液压支架信号的采集。 SLM211 传感器采用 10 V 恒压直流供电、 工作温度 -4085 ℃， 压力测量 范围位 080 MPa， 芯片封装于不锈钢壳内， 适应井 下工作环境。 SLM211 压力传感器采用惠斯通电桥测 量结构， 电阻为单晶硅材料， 随着外界压力的变化， 电路中的阻值发生相应变化。 井下无线通讯时，应当充分考虑通信频率与巷 道倾斜度等干扰因素，通过比较市面上常用的几种 无线通讯技术， 如 WIFI、 ZigBee 与蓝牙传输技术等， 本系统选用 ZigBee 技术。ZigBee 为一种短距离通讯 技术， 其组网方便， 功能丰富， 可较好应用于液压支 架组的整体监测， 并且具有运行功耗低、 响应速度快 等优点， 但同时具有传输距离短的缺点， 所以为了满 足井下液压支架监测系统的长距离传输功能，本文 在中心分站与终端节点之间设计了路由节点，负责 信号的中转， 扩大了 ZigBee 技术的通讯范围。 压力传感器输出的信号电压在 1 000 mV 左右， 无法通过无线通讯系统传输到路由节点，所以在压 力传感器信号传输之前应经过放大电路调节。本系 统选用 AD620 运算放大器， 具有结构简单、 设计计 算方便、 噪声低等优点， 其电路如图 3。 3监测系统软件编程 中心分站嵌入式系统利用组态王进行软件程序 的编译， 根据系统功能要求， 监测系统的软件程序主 要分为逻辑管理程序，将 I/O 设备与设备一一对 应； 数据存储程序， 上位机与分站之间的桥梁， 实现 数据的显示与查询功能； 实时监测程序， 采集各支架 的压力参数， 当数据超过限值时， 显示报警画面， 并 保存记录故障时间与位置； 人机交互程序， 通过调用 数据库， 可显示实时的压力信号与历史压力曲线图。 4结语 应用无线通讯技术设计的一种基于 ARM 的液 压支架监测系统， 有效解决了井下空间狭小， 铺线不 便的难题， 同时保证了数据传输过程中的准确率， 为 煤矿预防井下顶板事故提供了重要的数据支撑。 参考文献 [1]林忠明， 陈忠辉， 谢俊文， 等.大倾角综放开采液压支架稳定性 分析与控制措施[J].煤炭学报， 2004 （3） 264-268. [2]周凯， 李刚， 赵帅.短壁开采用履带行走式液压支架研制及应用 [J].煤炭科学技术， 2013， 41 （4） 85-88. [3]刘江， 张孝福， 曾海利.浅埋深大采高综采工作面液压支架适应 性分析[J].煤炭工程， 2011 （7） 4-5. [4]赵忠辉， 姜金球， 王勇， 等.液压支架立柱在冲击载荷作用下的 有限元分析[J].矿山机械， 2010 （11） 10-13. [5]沙宝银， 王勇， 姜金球， 等.基于 CAN 总线的液压支架分布式测 控系统研究[J].工矿自动化， 2008 （3） 109-111. 图 2系统硬件的结构与接线图 图 3系统信号放大电路设计 电源模块 上位机 液压支架 压力传感器 信号放大 电路 电源模块 ARM 处理 器 CC2530 协 调器 CC2530 协 调器 路 由 节 点 R1 R2 5 GND C1 -5 0.01 μF RGRG INVS -INOUTPUT -VS REF 188 2020 年第 6 期 [6]陆庭锴， 马鹏宇， 冯卓照， 等.液压支架姿态动态监测与控制系 统设计[J].煤炭科学技术， 2014 （S1） 169-170. [7]郭卫， 郏高祥， 刘俊.基于 MVC 的液压支架压力监测系统的设 计[J]. 煤炭技术， 2018 （8） 200-202. [8]吕鑫， 李博华， 焦清， 等.基于 LabVIEW 的矿用液压支架姿态监 测系统[J].自动化应用， 2017 （10） 15-16. （编辑 何方欣） Research and Design of Hydraulic Support Pressure Monitoring System Wang Xiaolan （Datong Coal Mine Group Electrical and Mechanical Equipment Litai Co., Ltd., Datong Shanxi 037000） Abstract Aiming at the frequent accidents of coal roof, a hydraulic support pressure monitoring system based on ARM processor is designed. Several functions of the overall scheme of the monitoring system are analyzed and introduced. The processor, pressure sensor and signal amplifier circuit of the system are selected and designed respectively, and the software programming of the system is analyzed and introduced. The monitoring system adopts wireless communication, which not only improves the transmission efficiency, but also provides data reference for the prevention of underground roof accidents. Key words hydraulic support; pressure monitoring; wireless communication On the Real-time Monitoring System of FBCDZ 22250 Mine Ventilator Wang Ronghua （Shide Sunjiagou Coal Mine Co.,Ltd., Xinzhou Shanxi 036600） Abstract Based on the systematic transation of mine ventilation system in a mining company, the overall scheme of ventilation monitoring system is drawn up, the control circuit, hardware and hardware equipment selection of the monitoring system are designed in the hardware aspect, and the system modules and functions are explained. Finally, the real-time monitoring system of FBCDZ 22250 type mine ventilator is established, and the overall design of the monitoring system is realized. The system achieves the overall design goal, effectively ensures the safety of underground operation, and provides an important reference for the design of underground ventilation system. Key words monitoring system; ventilator; coal mine （上接第 183 页） 参考文献 [1]刘凯，于江海.MG250/591-QWD 型电牵引采煤机技术改进[J]. 煤矿机械， 2011， 32 （4） 173-175. [2]路俊达.MG300/700-AWD 型交流电牵引采煤机的技术改进[J]. 山东煤炭科技， 2015 （10） 125-127. [3]尚雁文.MXG-700 电牵引采煤机的改进建议[J].山西焦煤科 技， 2004 （8） 47-48. [4]郭建明.MG250/600WD 型电牵引采煤机摇臂漏油故障分析[J]. 煤炭与化工， 2016 （12） 114-116. （编辑 贾娟） TechnicalImprovementofElectricTractionShearerforThinCoalLayer Shang Cunzheng （Shanxi Ningwu Desheng Coal Industry Co., Ltd., Ningwu Shanxi 036700） Abstract In the mining process of MG200/456WD type electric traction shearer in a mine, not only the problems of bolt loosening and abnormal clutch mechanism of the rocker arm press, but also the wear degree of the cable towing device and the elastic coil of the adjusting jack are serious. Through the improvement, it is found that the coal mining machine not only meets the demand of underground production, but also the failure rate is significantly reduced, and the safety and reliability are greatly enhanced. Key words electric traction shearer; problems; fault analysis; improvement measures （上接第 172 页） 王晓兰 液压支架压力监测系统的研究与设计189