煤礦液壓支架立柱壓力實時監測系統的設計研究

羅 坤

（同煤集團煤峪口礦機電科，山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤炭開采的重要機械設備，對煤礦開采工作面的安全高效生產起著不可替代的作用。液壓支架在運作時會對綜采面巷道頂部和巷道壁的圍巖產生一定的壓力，促使巖層在壓力下維持穩定，而由于巖層結構和巖層物化性質的不同，對壓力的實際表現也是不同的，而液壓支架立柱提供的壓力過小，無法維持液壓支架的支撐效果[1-2]，過大的立柱壓力則會對圍巖的穩定造成破壞，嚴重的會導致冒頂等事故發生。因此，液壓支架立柱壓力的實時監測成為液壓支架有效發揮支撐作用，保障煤礦綜采工作面安全高效開采的重要手段。

1 系統的硬件設計

液壓支架立柱實時監測系統由地面上位機、控制中心服務器、信號傳輸設備以及立柱壓力監測傳感器等組成，系統運作流程為：分布在立柱上的壓力傳感器采集壓力信號，信號通過傳輸設備傳輸到控制中心，控制中心經過信號處理計算，按照設定的程度，實現與地面上位機的通訊，將實時壓力顯示在上位機上，并按照程序實現聯控功能。

系統的硬件包括傳感器模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、通訊串口、PC 機以及換能器等，見圖1，數據處理器作為系統的核心硬件，本文選擇了DSP 微處理器來實現數據處理功能，傳感器模塊采用中航威斯特的AFG-50S 型壓力傳感器，其與處理器通訊采用4～20 mA 電流信號經串口通訊模塊完成，PC 機則主要用于實時壓力的顯示以及監測人員的數據查詢等，另外數據處理模塊還會將處理完成的能夠被識別的數據信息傳送到數據存儲模塊，為監測人員壓力查詢提供原始數據。

圖1 液壓支架立柱壓力實時監測系統硬件組成結構圖

1.1 DSP 微處理器

根據煤礦液壓支架立柱壓力實時監測系統的功能需求，本設計的DSP 微處理器芯片選用32 位定點外設的工業級別TMS320F2812。該處理器芯片采用總線結構，數據運算與傳輸能力較傳統處理器芯片有較大提升，運算和傳輸數據的速度也能滿足實時監測系統需求；該芯片采用不同的電壓供電，內核額定工作電壓為1.8 V，I/O 接口額定工作電壓為3.3 V。

1.2 DSP 電源電路與復位電路

本系統選擇的DSP 微處理器的內核運行電壓為1.8 V，接口運行電壓為3.3 V，這對供電電源提出了較高的要求。對于傳統內核供電電源電路而言，需要在工作時不斷切換處理器內部的開關狀態，以達到處理器內核和結構工作電壓轉換，但這種工作流程對能源的消耗比較大，不利于能耗降低要求的實現。根據以上分析，本系統選擇TPS767D301 電源芯片，該電源芯片的額定工作電壓為+5 V，經過電源電路處理，可以實現不同等級電壓的輸出，滿足處理芯片內核和接口的用電需求，同時當電源處于非工作狀態時，進入休眠狀態，電流保持在1μA，既能保證芯片功能正常，還能降低能耗。另外，該型號的電源芯片能適應不同的環境溫度，可以在-10～95 ℃范圍溫度內正常運行，且芯片自帶溫度異常自動保護程序，一旦運行環境溫度超出范圍，電源芯片自動啟動保護程序，切斷電源供給[3-4]。

基于系統穩定性考慮，在電源芯片輸出端電壓產生一定波動時，為了保護電源系統芯片以及負載端元件，系統設計了一種以MAX708 芯片為核心的電源復位電路，復位電路圖見圖2，復位電路主要是將MAX708 芯片的引腳復位端與DSP 芯片的復位端相連，一旦DSP 電源芯片的任何一路輸出端電壓降低或升高到正常范圍之外后，復位電路的復位端口立即輸出一個低電平，使處理器芯片復位。

圖2 基于MAX708 芯片的DSP 電源復位電路

1.3 壓力信號采集電路

系統的壓力采集處理模塊由中航威斯特的AFG-50S 型壓力傳感器和AD7706 模數轉換器組合而成，主要實現立柱壓力信號的采集功能。AFG-50S型壓力傳感器檢測實時壓力并將壓力信號通過傳感器內部數據器轉化為電壓信號輸出，AD7706 模數轉換器接收到電壓信號后，對不同振幅電信號倍數的處理放大后，依靠內部芯片實現電平信號自動校正，完成電平信號的十六位快速轉換為處理器識別的數字量信號，輸送給處理器完成壓力信號監測。本系統采用的壓力信號采集處理模塊應用高基準電壓供電技術，相較傳統功能模塊，監測與識別壓力信號精度更高。

煤礦用的液壓支架在移動或升降支架的時候，立柱的壓力變化較大，容易出現事故，因此本文設計的實時監測系統總思路為立柱壓力在出現異常以及在一定時間周期內進行信號采集與處理，當立柱壓力變化不大時，監測系統將處于休眠狀態，最大程度地實現系統能耗降低以及監測流程簡單化，液壓支架立柱壓力實時監測程序流程示意圖見圖3。

圖3 液壓支架立柱壓力實時監測程序流程示意圖

系統通電后，程序首先進行協議、硬件初始化，初始化完成后，系統開始執行既定流程。按照流程設定對各函數進行調用、判斷、監測、執行，根據各函數運算結果不斷輪詢，執行對應程序。本系統針對立柱壓力設定了不同的閾值，分別為壓力閾值和壓差閾值。將壓力采集處理模塊采集分析完成后的壓力值與閾值進行對比，一旦監測壓力值超過了壓力閾值范圍，則系統立即執行開中斷程序，并將異常壓力值傳送到上位機；如果監測壓力值在閾值范圍之內，系統會對最近兩次的監測壓力值做差值計算，如果差值超過設定壓差閾值，系統同樣立即執行開中斷程序，并將異常壓力值傳送到上位機；如果各監測壓力值都沒有超過設定的閾值，則系統在完成定時監測后進入休眠狀態。

2 結論

1）系統采用TPS767D301 電源芯片，自動完成處理器內核和接口供電電壓調整，有效降低系統運行能耗，提升系統運行穩定性；

2）設計了系統閑時休眠程序，設定系統只在立柱壓力發生較大變化以及一定周期內定時監測兩種模式，避免壓力實時監測系統的頻繁無效運行；

3）液壓支架立柱實時監測系統能夠將監測數據遠程實時傳輸到上位機，有效提升監測效率，間接保障了液壓支架的運行安全。