礦山本安型無線壓力計研發

韓成春+田傳耕+曹彥吉+侯立兵+唐翔

摘 要：井下支護安全直接影響煤礦井下的安全生產，早期發現支護設備缺陷及實現井下支護在線監測與預警，提高支護設備的可靠性和安全性，為煤礦井下生產提供安全而可靠地工作環境。本研究將圍繞單體液壓支柱，利用無線傳感網絡技術和基于CC2530主控芯片的嵌入式技術，研發一種具有無線通信功能的礦山本安型無線壓力計，實現準確而抗干擾的支護狀態信息監測。通過現場測試，充分驗證該礦山本安型無線壓力計的信息檢測傳輸的有效性和可靠性。

關鍵詞：單體液壓支柱；無線傳感；承壓在線監測；安全生產

1 概述

目前國內懸浮式單體液壓支柱內壓檢測普遍采用傳統的現場定期采壓方式，部分產品借鑒液壓支架的壓力檢測方式采用有線網絡壓力檢測方式，但有線網絡壓力檢測方式存在檢測點少同時隨開采工作面的推進、移架、升降架等操作導致系統布線復雜、系統布線容易被扯斷等缺陷，很難得到廣泛普及應用，給煤礦井下生產留下嚴重安全隱患，不能為煤礦井下安全生產提供保障。為了有效地解決上述問題，亟待研制一種具有無線通信功能的懸浮式單體液壓支柱內壓監測裝置即礦山本安型無線壓力計，通過無線通信功能實時監測井下單體液壓支柱的實際工作狀況，早期發現并及時更換損壞單體液壓支柱，從而實現井下單體液壓支柱在線監測與預警，保證煤礦井下支護設備的安全運行和安全生產，為煤礦井下生產提供安全而可靠地工作環境。

2 設計思路

礦山本安型無線壓力計主要用于煤礦井下支護支柱的壓力檢測、檢測數據的匯聚和傳送。因此礦山本安型無線壓力計必須符合煤礦井下設備的國家標準，包括GB3836.1-2010爆炸性環境設備通用要求、GB3836.4-2010爆炸性環境由本質安全性“i”保護的設備要求、以及GB4208-2008外殼保護等級（IP代碼）等。為此礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監測路由模塊、無線監測網關模塊。

2.1 壓力無線檢測模塊

壓力無線檢測模塊在整個無線傳感網絡中屬于最前端終端設備，主要由CC2530（或CC2430）主控制器模塊、電源管理模塊、壓力傳感器、信號調理模塊，以及時分復用模塊組成，如圖1所示。

2.2 無線監測路由模塊

無線監測路由模塊在設計上與壓力無線檢測模塊類似，主控制器仍然采用CC2530（或CC2430）負責簇內若干個壓力無線檢測節點所檢測的各個支護設備所受的壓力數值進行匯總，通過數據匯聚和多跳方式傳送至無線網關（Sink）節點同時路由節點通過找尋、建立和修復網絡報文的路由信息，還可以有效地延長網絡的覆蓋范圍。

2.3 無線監測網關模塊

無線監測網關模塊在設計上與無線監測路由模塊類似，增加CAN收發模塊，仍采用具有較強的信息處理和通信功能的主控制芯片CC2530（或CC2430），通過無線傳感網絡和CAN收發模塊將收集數據傳送至工業以太網，如圖2所示。

3 設計實現

礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監測路由模塊、無線監測網關模塊。其中壓力無線檢測模塊是采集數據終端，它直接決定著采集數據的準確性和穩定性，主要組成部分有壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等。

（1）PC10型壓力傳感器及其電路由南京沃爾科技有限公司定制，由前端承壓彈片和后端調理電路組成，其量程為0～80MPa，非線性參數為-0.11%FS。每個傳感器調理電路在出廠時都已通過精密儀器與相應承壓彈片進行校準。

（2）無線通信主控芯片采用TI公司生產的CC2530，內置51內核和無線通信模塊，通信協議IEEE802.15.4，工作頻率為2.4GHz，可選通信通道為16個，數據傳輸速率為250Kbps。井下用防爆電池采用昊誠生產的防爆鋰電池，單節電池電壓為3.6V，電量為3400mAh。

（3）現有的三用閥是針對液壓支柱而設計，基于安全增設壓力無線監測模塊不應改變現有的液壓支柱結構。為了增加壓力無線模塊的適用性，在現有的三用閥基礎上，重新設計新型三用閥取壓接口并通過螺旋安裝直接接在柱體的三用閥上，安裝到位后頂針將會頂開三用閥內單向閥，使柱體內的液體壓力通過新型三用閥取壓接口施加在壓力傳感器上，如圖3所示。新型三用閥取壓接口包括取壓接頭本體、接頭鎖緊套、密封圈、頂針、通液孔、頂針座，接頭鎖緊套與取壓接頭本體螺紋連接，用于取壓接頭和三用閥的連接固定；密封圈位于三用閥與接頭鎖緊套之間，用于取壓接頭本體和三用閥之間的密封。

由上述的壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等模塊組成的礦山本安型無線壓力計如圖4所示。

壓力無線檢測模塊設計工作中最重要的兩個衡量標準是壓力測量的準確性和運行功耗。測量壓力值的準確與否直接決定系統的成敗，而支柱一旦安裝便不可能更換電池，運行功耗決定系統的監測時長。測量的準確性主要通過現場測試進行。在液壓支柱的生產車間，通過打壓機對液壓支柱加壓，待加壓到40～50MPa時，拆除打壓機注液槍并換上壓力無線檢測節點。通過測試專用的液壓支柱壓力計接口獲取腔內壓力值，并與壓力無線檢測節點所測壓力值進行比較；再通過三用閥的卸載閥降壓，并記錄壓力計和壓力無線檢測節點的壓力變化是否一致來測試壓力無線檢測節點壓力測量的準確性。

4 實驗結果

本文所設計的礦山本安型無線壓力計現場測試環境如圖5所示。通過與物理壓力計的測量比較，來驗證無線壓力計的測量有效性，目前正在進行測量誤差分析與其優化補償補正環節。

通過該模塊電路中串聯10歐姆電阻來測試該模塊的運行功耗。該模塊采用嵌入式Contiki操作系統。在CC2530芯片上Contiki操作系統的工作時鐘為7.8ms，增加系統的工作時鐘周期來進一步降低功耗，經實際測試平均能耗降低約一半。圖6中幅值相對較高的一段波形為該模塊啟動傳感器電路采集數據，并進行發射的波形，幅值最高的一段時間為無線發射時間，持續約2ms。通過萬用表串聯，可測得壓力無線檢測模塊在每隔5秒發射一次數據的情況下，平均工作電流約為0.2mA。選用3節3400mAh防爆電池并聯供電，預計至少可工作5年。

利用C#語言開發承壓信息監控的人機交互界面。通過人機交互界面，可以觀察煤礦井下工作面液壓支柱的實時承壓情況，以及可查詢承壓歷史數據，如圖7、圖8所示。

5 結束語

根據煤礦井下設備的相關國家標準，以TI公司CC2530為主控芯片，設計出基于嵌入式操作系統Contiki3.0的礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監測路由模塊、無線監測網關模塊。同時不改變液壓支柱結構和三用閥結構為前提，設計出新型三用閥取壓接口（取壓接頭），相連液壓支柱與壓力無線檢測模塊，實現液壓支柱承壓狀態信息的檢測。再設計過程中，為了進一步降低硬件功耗，調整系統工作時鐘周期和底層調用，延長了檢測節點的使用壽命。通過現場測試，充分驗證礦山本安型無線壓力計的信息檢測與傳輸的有效性和可靠性。

參考文獻

[1]張磊，王曉榮，王希林，等.基于ZigBee的無線頂板壓力監測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2015（4）：54-57.

[2]張曉光，景曉軍，陳志國，等.基于ZigBee的低功耗無線頂板壓力監測系統[J].煤礦安全，2013（5）：130-133.

[3]陳斯，趙同彬，高建東，等.基于ZigBee的綜采工作面頂板壓力無線檢測系統[J].煤礦開采，2011（6）：107-109.

[4]連清汪.礦井頂板（圍巖）狀態監測及災害預警系統研究及應用[D].太原理工大學，2012.

[5]孫繼平.安全高效礦井監控關鍵技術研究[J].工礦自動化，2012，38（12）：1-5.

[6]孫繼平.煤礦物聯網特點與關鍵技術研究[J].煤炭學報，2011，36（1）：167-171.