基于無線傳輸方式的綜采工作面液壓支架壓力監測系統研究

吳文彤

[摘 要]綜采工作面由于采煤機震動及一些不確定因素，發生垮塌的可能性較大，而且現場因為采煤機移動，普通的頂板壓力監測設備布線困難。目前，煤礦綜采工作面安裝頂板壓力監測設備多為機械式壓力表，不帶通信功能，不能實時在線監測頂板狀態。為此，相關研究人員設計了一種綜采支架的無線壓力監測系統。

[關鍵詞]綜采支架;壓力監測;無線通信;低功耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.20.038

[中圖分類號]TD355.4[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2019）20-00-05

0 ? ? 引 言

目前，用于綜采工作面液壓支架壓力的檢測手段比較落后，主要有機械式測壓表、圓圖記錄儀、帶紅外傳輸功能的手持壓力記錄儀等儀表和采用有線方式傳輸的壓力監測系統兩大類監測方式。雖然這些設備可以監測頂板情況，但存在以下幾個弊端：一是必須選派專人定時去井下采集數據，用手持數據采集儀將數據收集至主機;二是數據采集儀通訊時多采用紅外技術進行通信，要求手持設備必須直線對準壓力表，采集現場數據在某些特定條件下很不方便;三是采用實時在線監測，設備有線方式供電，采用RS-485電纜傳輸數據方式，安裝在工作面的液壓支架上，隨著采煤深入液壓支架經常移動，容易導致供電和通信線纜折斷，在線傳輸中斷，使現有壓力監測儀表沒有從根本上達到指導安全生產的要求，設備現場安裝也不方便。因此，設計用無線方式傳輸液壓支架的壓力數據，設備采用電池供電，通過光纖以太網把數據傳輸至地面通信主機，解決了通信線纜易斷的問題，不用人工采集，自動化程度提高。

對液壓支架的支撐力進行在線監測還有很多意義，記錄支柱原始壓力有助于分析頂板反彈和沉降量，對初次來壓進行預警，原始的液壓支架壓力數據還可以用來分析某一工作面煤層的運動規律，對周圍煤層活動有大體了解。頂板監測主要是為支護提供前期數據，對頂板不正常的地點需要支護或者伸縮相應支架。大型煤礦基本都采用了綜采設備，支護形式主要靠液壓支架，雖然綜采降低了事故率，但是由于前期決策及管理不善等原因，支架傾斜和壓死等現象也有發生，采空區頂板瞬時垮落還會造成超強颶風，對井下人員及相關設備造成很大損害。理論上要實現壓力數據采集不是很難，然而井下實際測試表明，傳統的無線通信在井下的效果并不理想，現有設備采用433 MHz模塊和868 MHz的ZigBee模塊。使用2.4 GHz的無線模塊較少，原因是井下液壓支架對2.4 GHz的通信頻率干擾明顯。433 MHz的無線模塊適用于井下環境，在地面可以傳輸

1 km遠，井下實測距離也足夠適應現場需要，而且設計方便，便于開發。此外，筆者編寫了適用于本系統的專業數據分析軟件，可以顯示實時柱形圖、歷史曲線圖，打印報表，為安全生產提供必要依據。當某個支柱壓力異常時，系統軟件會報警，提醒值班員注意，通知井下人員，及時聯系安全管理部門，排除該點的故障。

1 ? ? 方案設計

無線壓力數據采集系統由壓力傳感器節點、壓力無線信號傳輸分站、串口服務器、數據處理主機等設備組成。由于綜采工作面較長，需要采集的液壓支架位置距離較遠，而且壓力采集系統需要長期運行，所以系統采用無線通信。壓力監測設備采用MSP430F5438超低功耗單片機，井下監測點可以在數碼管上看到液壓支架實時壓力相關數據，通過433 MHz無線模塊發送出去，臨近的后一級433 MHz無線模塊接收后，將本機數據和前一級傳感器節點的數據打包轉發出去，這樣一級一級接力傳輸數據至傳輸分站，最后通過有線方式傳輸至井下光纖以太網交換機，通過光纜傳輸至地面主機。系統總體設計框圖如圖1所示。

綜采工作面液壓支架預留了測量壓力用的接口，定制的傳感器可以接在此標準接口上。不同的測量點測量的壓力數據不同，有后柱、前柱和前探梁等位置需要測量。以某礦二號井為例說明系統基本的安裝方式，二號井11號工作面長約300 m，由200多個單體液壓支架支撐采煤面，需要分段安裝，每個區域都分配一個壓力數據接收分站，專門負責采集該區域壓力傳感器節點的數據，所有壓力數據傳輸分站通過串口服務器傳輸至光纖以太網。調度室主機可以虛擬出設備的串口號，以串口方式訪問數據，也可以直接采取以太網協議TCP/IP方式訪問數據，具體的實現方法是用微軟集成TCP/IP協議的Winsock控件，設置相應端口號和IP地址連接串口服務器，采集服務器中的數據。當然，安裝方式可以隨具體情況而定，可以只用一個傳輸分站，中間布置足夠多的傳感器節點來接力傳輸數據，這種方法可行性并不高，因為隨著數據包的增大，誤碼率也相應增加。考慮到系統的通用性，可以按支架分區域安裝傳感器，每個區域安裝一個信號傳輸分站，區域內的壓力傳感器節點接力傳輸數據。

硬件的程序編寫調試在IAR編譯器下實現，IAR的C語言編程環境在程序小于4 KB的情況下是免費的，MSP430單片機調試采用北京博維電子的MSP430UIF USB型仿真器，支持在線調試。當前流行的編程語言有JAVA、C#、VC++、VB等。每種語言都有特定的編譯環境，JAVA流行的編譯環境是Eclipse，VB和VC的編譯環境主要有Visual Basic、Visual Studio2008、Visual Studio2010等。就入門來說，VB語言最簡單，甚至接近于日常用語，所以選擇VB作為上位機編程語言，VB有很多編程環境，包括VB6.0、VB.NET、Visual Studio 2008等。

2 ? ? 數據采集硬件設計

2.1 ? 主電路

硬件因為特定環境限制，必須采用電池供電，所以就要考慮低功耗。而低功耗產品領域，TI公司的MSP系列單片機功能強大，操作比較簡單，而且常用的5系列單片機對很多功能都做了擴展。MSP430F54系列單片機是TI公司近年推出的一款單片機，主要特性體現在以下幾方面：18/25 MHz運行頻率;128～256 KB FLASH存儲器;16 KB SRAM存儲器;67/87通用I/O引腳;16通道12位ADC;硬件乘法器;片內實時時鐘RTC，也可做通用計數器使用;8通道DMA;2～4通用串行接口，支持UART/SPI/IrDA;3個16位通用定時器，每個配備3～7個捕捉/比較寄存器;看門狗定時器;超低功耗片內低頻時鐘VLO;經校正的片內32 KHz參考時鐘;超低運行功耗、超低休眠功耗、快速休眠喚醒。TI公司的MSP430F5438單片機較為合適，芯片引腳如圖2所示，圖中包括了與硬件其他模塊的接口電路等很多內容，用網絡標號的形式和其他模塊關聯。

4.2 ? 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括顯示部分和無線通信部分的程序，程序設計思路如圖7所示。

編寫和調試單片機程序是在IAR環境中進行的，其中，顯示部分采用動態掃描顯示壓力數值，只有在礦燈照射的情況下才會顯示5 s，然后自動關閉。數據采集程序注意A/D通道和相應寄存器配置，通信程序注意區別接收分站和每個壓力傳感器節點，按照預先制定好的點對點無線傳輸協議將數據傳輸至接收分站后，由接收分站經過數據處理后，變為一個一個16字節的十六進制數據包發送到串口服務器，串口服務器再經以太網發送至地面數據采集主機。上位機采用VB 6.0編寫，關鍵是Winsock控件的相應參數屬性值配置，監聽預定義的端口，當接收緩沖區到達16字節時，觸發接收事件，在事件相應程序中處理接收的數據，把數據包還原為字符數據后便于分割處理，然后經過校驗后，再按照協議分開顯示再存入SQL2005數據庫中。

數據庫中有多個表格，可以配置傳感器的安裝位置，設置通信參數，修改傳感器的地址號。用微軟的MSChart控件實現了壓力的實時柱形圖和歷史曲線圖繪制，用水晶報表制作了相應壓力報表文件。上位機軟件預留了其他監測系統的接口，比如離層監測系統、錨桿應力監測系統等。可以用很短時間開發出通信驅動和相應數據分析處理模塊，實現煤礦綜合監測系統，為綜采和掘進提供更全面的數據。

5 ? ? 結 語

針對現有頂板壓力監測設備的缺點，相關研究人員設計了綜采工作面液壓支架的無線壓力監測系統。通過系統設計方案的選型和測試，選擇了效果比較好的433 MHz無線通信模塊，在工作面等復雜環境下可以穩定傳輸50 m。結合工作面實際情況，制訂了點對點接力傳輸的無線組網方案，雖然這種方案需要提前對設備安裝方式及無線組網進行詳細規劃，不利于現場安裝，但綜合分析，還是比網狀網絡有優勢。

硬件設計方面，針對433 MHz無線模塊，配備了適用于現場要求的外圍設備。主芯片選擇TI公司的超低功耗單片機，選擇專業廠家的液壓支架壓力傳感器，通過儀表放大器AD623對信號進行處理，通過單片機UART接口發送給定制的無線模塊，數據被一級一級傳遞到終端節點，通過光纖網絡發送至地面服務器。上位機采用VB 6.0編寫相應數據采集和分析程序，用Winsock控件采集壓力數據，MSChart控件用于繪制實時柱形圖和歷史曲線圖，用水晶報表制作專業壓力分析報表文件。

通過上述工作，實現了煤礦綜采工作面液壓支架壓力監測的基本功能，通過對相應數據進行分析、繪制圖表等操作，可以直觀看出某個支架的工作情況，及時調整液壓支架的工作狀態，對壓力不正常的支柱進行調整，為其他系統預留的接口可以很快開發出離層、錨桿應力的分析軟件。

主要參考文獻

[1]郝君，劉佳媛，何龍偉.煤礦淺埋煤層綜采面礦壓事故預防[J].西安科技大學學報，2011（6）.

[2]張蘭，許江，張延松.我國煤礦安全生產管理存在的問題及發展趨勢[J].礦業安全與環保，2011（6）.

[3]初風蛟.綜采工作面液壓支架傾倒原因分析與防治[J].中州煤炭，2011（12）.

[4]任永康.千秋礦放頂煤采場上覆巖層移動及礦壓顯現規律研究[D].焦作：河南理工大學，2011.

[5]薛利娟.基于ZigBee技術的無線自組織的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[6]鄒德蘊，劉志剛，姚樹陽.采場礦壓監測與數據信息融合技術應用研究[J].煤炭科學技術，2011（8）.

[7]張磊.硬巖層狀頂板失穩規律與支護技術研究[D].長沙：中南大學，2010.

[8]李新娟.美國煤礦安全管理發展的研究與分析[J].中國安全科學學報，2011（10）.