液壓支架壓力監測系統的研究與設計

王曉蘭

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

我國煤炭資源分布復雜，伴隨著國內煤炭開采過程的不斷推進，煤炭的開采難度越來越大，導致發生坍塌、瓦斯爆炸等事故的概率大大增加[1-2]。雖然我國政府及相關部分出臺了一系列應對政策與措施，但是安全事故依舊給煤礦與工人帶來了生命財產的損失，其中工作面頂板事故尤為嚴重[3-4]。由于在開采過程中，巷道巖石變形、離層易發生煤礦頂板事故，通常利用液壓支架進行支護，防止坍塌[5]。因此，為了有效預防頂板事故的發生，本文設計了一種液壓支架壓力監測系統，可對工作面的頂板狀態進行監測。

1 監測系統整體方案及基本功能

1.1 系統整體方案

液壓支架壓力監測系統的整體結構由井上部分與井下部分組成，如圖1 所示。其中井上部分由遠程監控端、上位機、備用電源與打印機等設備組成，井下部分由中心分站、各節點分站、信號轉換器與壓力傳感器等組成。井上部分中上位機為工業計算機，負責井上的調度與監測功能。井下中心分站為整個監測系統的核心部分，實時接收各節點傳輸回的數據，并對數據進行分析處理。本系統選用ARM 處理器作為中心分站的核心處理器，具有體積小、功耗低、性能高的優點，可滿足中心分站的數據處理與計算的需求[6]。系統利用信號轉換器，通過工業以太網實現井上與井下的信息傳輸。由于煤炭開采過程中，用到的機電設備較多，而工作面空間有限，導致監測系統布線困難，并且采用有線傳輸時，電纜等設備隨著生產的推進也需要移動，容易發生斷裂等現象，所以本文采用無線傳輸的方式，實現壓力傳感器與各分站的信息傳輸。

圖1 系統整體方案設計

1.2 系統基本功能

液壓支架壓力監測系統的功能主要有監測功能、故障診斷與報警功能、信號采集功能、存儲與查詢功能、多任務運行功能、人機交互功能與自檢功能。

1）監測功能：壓力傳感器將檢測數據經過信號放大無線傳輸到各分站節點，并通過串口通訊傳輸到中心分站，利用ARM 處理器進行數據分析，并將數據傳輸到地面上位機，實現實時監測功能。

2）故障診斷與報警功能：當傳感器監測到壓力數據過大時，地面上位機將顯示故障分站并報警。

3）信號采集功能：壓力傳感器對各液壓支架的工作壓力信號進行采集，并將數據實時傳輸到各分站。

4）存儲與查詢功能：檢測數據將被保存一年以上，并繪制成液壓支架壓力參數時間曲線圖，方便工作人員查閱。

5）多任務運行功能：支持打印、查詢、存儲與實時監測等多任務同時運行。

6）人機交互功能：工作人員可通過顯示器實時查看監測數據，并通過鍵盤對系統的各種運行參數進行設置與修改。

7）自檢功能：系統對電源模塊、各硬件設備與軟件程序進行自檢，防止系統故障所引發的安全事故。

2 監測系統硬件分析設計

2.1 系統硬件的結構及接線

監測系統的硬件結構（見圖2）主要分為中心分站部分、節點分站部分與終端節點部分。中心分站的硬件結構主要包括ARM處理器及外圍電路、電源模塊與無線通訊模塊；節點分站主要設備為路由器及電源模塊，負責擴大井下無線傳輸網絡的范圍；終端節點主要包括壓力傳感器、信號放大電路、電源模塊及無線通訊模塊等。終端節點負責液壓支架壓力信號的采集，并通過信號調節電路對信號放大，利用CC2530模塊將信號傳輸到路由節點；路由節點作為中轉站將信號傳輸到中心分站；中心分站利用核心處理器對數據進行計算分析，并將結果傳輸到上位機。當中心分站監測到數據異常時，將啟動報警裝置。

中心分站的處理器選用S3C2440 型處理器，S3C2440 是32 位的微型ARM處理器，采用1.2 V 內核電壓供電，3.3 V 外部I/O 供電，130 個I/O 通用接口，支持攝像頭接入、具有普通模式、低功耗模式與空閑模式。芯片具有較大的開發擴展余量，編程簡單，兼容性好，方便技術人員的開發編譯，滿足本系統的功能要求[7-8]。

圖2 系統硬件的結構與接線圖

2.2 傳感器的選型

壓力傳感器主要有電感式、電容式、壓電式與壓阻式等，其中壓阻式傳感器具有抗干擾性強與測量準確等優點，所以本文選用SLM211 壓阻式壓力傳感器負責液壓支架信號的采集。SLM211 傳感器采用10 V 恒壓直流供電、工作溫度-40～85 ℃，壓力測量范圍位0～80 MPa，芯片封裝于不銹鋼殼內，適應井下工作環境。SLM211 壓力傳感器采用惠斯通電橋測量結構，電阻為單晶硅材料，隨著外界壓力的變化，電路中的阻值發生相應變化。

2.3 無線通訊的實現

井下無線通訊時，應當充分考慮通信頻率與巷道傾斜度等干擾因素，通過比較市面上常用的幾種無線通訊技術，如WIFI、ZigBee 與藍牙傳輸技術等，本系統選用ZigBee 技術。ZigBee 為一種短距離通訊技術，其組網方便，功能豐富，可較好應用于液壓支架組的整體監測，并且具有運行功耗低、響應速度快等優點，但同時具有傳輸距離短的缺點，所以為了滿足井下液壓支架監測系統的長距離傳輸功能，本文在中心分站與終端節點之間設計了路由節點，負責信號的中轉，擴大了ZigBee 技術的通訊范圍。

2.4 信號放大電路設計

壓力傳感器輸出的信號電壓在1 000 mV 左右，無法通過無線通訊系統傳輸到路由節點，所以在壓力傳感器信號傳輸之前應經過放大電路調節。本系統選用AD620 運算放大器，具有結構簡單、設計計算方便、噪聲低等優點，其電路如圖3。

圖3 系統信號放大電路設計

3 監測系統軟件編程

中心分站嵌入式系統利用組態王進行軟件程序的編譯，根據系統功能要求，監測系統的軟件程序主要分為：邏輯管理程序，將I/O 設備與設備一一對應；數據存儲程序，上位機與分站之間的橋梁，實現數據的顯示與查詢功能；實時監測程序，采集各支架的壓力參數，當數據超過限值時，顯示報警畫面，并保存記錄故障時間與位置；人機交互程序，通過調用數據庫，可顯示實時的壓力信號與歷史壓力曲線圖。

4 結語

應用無線通訊技術設計的一種基于ARM 的液壓支架監測系統，有效解決了井下空間狹小，鋪線不便的難題，同時保證了數據傳輸過程中的準確率，為煤礦預防井下頂板事故提供了重要的數據支撐。