綜采工作面液壓支架壓力順槽監測站研究

薛俊旺

（山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業，山西大同 037000）

0 引言

液壓支架是綜采工作面的主要開采設備之一，對支架所受壓力的準確監測，能夠為支架選型、頂板管理以及設備維護修理等提供重要的參考價值，是保障工作面安全生產的基礎[1-2]。一般來講，對液壓支架的監測由監測分站、監測總站和地面監測站三部分組成。其中，監測分站的作用是在液壓支架上監測、記錄支架壓力，將數據進行簡單處理，然后傳送至監測總站和地面監測站；監測總站的作用是接受所有分站傳送的監測數據，進行整理，集中顯示，然后傳送至地面監測站，通常監測總站布置在工作面順槽內；地面監測站的作用是接受井下監測總站的數據，整理歸納，生成報表，通常布置在地面監控室內[3-5]。郭莊煤業液壓支架監測站目前采用PLC技術，存在著可靠性差、抗干擾能力低、功耗較高、體積較大等問題，針對這些問題，本文提出利用貝加萊工業自動化公司的可編程計算機控制器（PCC），對監測總站的硬件結構和主要程序進行優化改造，為工作面支架壓力監測提供技術支持。與現有PLC技術相比，PCC技術可靠性更高，更加簡單實用，能夠保障設備在惡劣環境下正常工作，在近年來發展十分迅速。

1 監測總站的功能分析

工作面支架壓力監測總站通常包括通信、顯示、數據存儲、設置以及系統重啟5個功能[6]，下面對其依次進行分析。

1.1 通信

通信功能是監測總站的主要功能之一，主要包括兩個方面：與監測分站通信和與地面監測站通信。

（1）與監測分站通信

監測分站安裝在工作面支架處，對支架壓力進行監測，當支架壓力異常時，分站會通過CAN總線向總站發出警報；其次，監測分站會對監測到的支架壓力數據進行記錄，當記錄的壓力達到一個周期時，也會向總站傳送數據；另外，監測分站的系統參數需從總站進行配置，在總站將參數配置好后，會通過CAN總線傳輸至各分站，能夠根據工作面實際情況，快速調整系統參數。

（2）與地面監測站通信

在監測分站將支架壓力數據傳送至總站后，總站可將壓力數據進行打包，將數據傳送至地面監測站。與地面監測站的通信可以通過RS485總線或者以太網，每隔一個周期向地面傳送一次。

1.2 顯示

監測分站將壓力數據傳送至總站后，還可通過總站進行顯示。

監測總站可對壓力數據進行簡單處理，通過柱狀圖或曲線圖直觀的顯示各分站的壓力數據，能夠及時發現支架壓力的異常位置；同時，監測總站還可以通過狀態報表的形式對各分站的工作狀態進行顯示，當監測分站發現壓力異常時，會發出警報，并向總站傳送數據，監測總站也能夠顯示所有分站的警報信息。

1.3 數據存儲

監測總站本身具有一定存儲功能，當各分站數據傳送至總站后，總站會將數據存儲至緩沖區，當緩沖區容量存滿時，系統會自動將數據存入存儲卡內，需要時，也可由工作人員手動將數據存入卡內；同時，也可以通過總站將壓力數據存入U盤內，方便研究人員將數據帶至地面，對壓力數據進行進一步的分析研究。

1.4 設置

工作人員可以通過監測總站對各分站的系統參數進行配置，具體參數包括分站個數、傳感器數量、報警臨界值等；還可以通過總站設置各分站與液壓支架的相對關系，根據顯示圖，直觀地看到各分站的相對位置。

1.5 系統重啟

當對監測站重新設置參數或其他情況需要重啟系統時，可以通過監測總站實現重啟。

2 硬件設計

2.1 總體結構

監測總站的硬件結構包括開關電源、貝加萊顯示終端、本安電源、CAN隔離器和USB隔離器等，具體結構如圖1所示。

在監測總站中，開關電源的主要作用是控制貝加萊顯示終端的供電情況；貝加萊顯示終端包括一個液晶顯示屏提供上述監測總站的顯示功能，兩個USB插口方便插入存儲卡或者U盤，一個RS485總線接口和一個以太網接口向地面監測站傳送壓力數據，一個CAN總線接口負責接收各分站壓力分站數據和向分站傳送系統配置信息；本案電源的主要作用是控制RS485隔離器和CAN隔離器的供電情況；CAN隔離器的主要作用是隔離監測總站的CAN總線和外部通信設備；USB隔離器的主要作用是隔離總站USB數據和外部標準鍵盤；485隔離器的作用是隔離RS485總線和外部通信設備。

圖1 監測總站結構圖

2.2 部件選型

監測總站核心采用4PP420.1043-75型PCC，額定電壓為24V，配置一個10.4英寸液晶顯示屏，一個存儲卡槽，一個RS232接口，一個以太網接口，兩個USB接口和兩個aPCI接口。RS485隔離器選用GS8093-EX型隔離器，USB隔離器選用E-CANG-F型隔離器，CAN隔離器選用E-CANG-F型隔離器，光端機選用FLSDE16型，鍵盤選用K-287Z型，隔離器和光端機采用5V本安電源。

3 軟件設計

3.1 軟件流程

監測總站的軟件流程如圖2所示[7-8]。

如圖2所示，在總站程序初始化后，每隔一個周期接受一次監測分站的壓力數據，并通過顯示屏進行顯示，若此時需要對數據進行處理或有故障時，可按相應按鈕進行處理，總站接受數據后，會將數據打包，傳送至地面監測站，同時，將數據存入緩沖區內，若緩沖區存滿，則自動存入存儲卡內，為下一輪工作做好準備。

3.2 主要顯示界面

監測總站主要可以顯示實時的壓力數據、各分站的工作狀態、各分站的報警記錄、系統參數配置以及分站和支架的相對關系。

（1）顯示實時壓力數據時，可分別顯示“液壓支架壓力—支架圖”和“液壓支架壓力狀態圖”，“液壓支架壓力—支架圖”可顯示各支架所有立柱的對應的壓力平均值，“液壓支架壓力狀態圖”可顯示指定支架立柱的受力情況。

（2）顯示各分站的工作狀態時，可以顯示各分站中CAN總線、EEPROM、外部RAM和傳感器的工作狀態，共分有3種不同狀態：正常工作、出現故障和通信故障。

（3）顯示各分站的報警記錄時，可以將各分站的報警記錄以報表的形式顯示，具體可以顯示出報警分站的編號、出現問題的立柱編號、引發報警的壓力值以及報警發生時間等。

（4）顯示系統參數配置時，可以在顯示界面顯示監測總站和分站的參數值，還可以在此對參數進行調整，重新配置。

（5）顯示分站和支架的相對關系時，如表1所示，可以在各分站后輸入對應的支架編號，配置各分站和液壓支架的對應關系。

圖2 軟件流程

表1 分站—支架配置表

4 結論

針對郭莊煤業目前使用的支架壓力監測總站存在的一系列問題，本文基于PCC技術，對監測總站進行優化設計，相較于原有PLC監測總站，具有界面簡潔、操作簡便等優點，能夠接受各分站傳送的壓力數據，以圖表的形式直觀顯示，還具有顯示各分站報警記錄和工作狀態等功能。在郭莊煤業應用后，對液壓支架的壓力監測更加及時、準確，能夠快速得到各支架的工作情況，為保障工作面頂板安全和維護管理提供保障。