煤礦液壓支架形態實時監測技術研究

程 剛，趙晉紅

(1.晉城煤業集團 古書院礦人力資源部職工教育培訓中心，山西 晉城 048000；2.山西晉煤集團 晟泰能源投資有限公司技術服務分公司，山西 晉城 048000)

煤炭作為我國主體能源地位在長時間內不會改變，影響著經濟的可持續發展和能源安全。我國煤礦逐漸實現智能化開采，液壓支架作為采煤工作面的關鍵裝備，其智能水平和可靠性直接影響著工作面的安全生產。現有液壓支架電控系統對液壓支架監測功能不完善，僅能監測推移位移和立柱壓力。目前，國內對液壓支架的研究主要集中在電液控制技術方面，對其形態的研究甚少。近年來，國內外學者對煤礦液壓支架形態實時監測技術進行了諸多研究。如文獻[1]以掩護式支架為研究對象，對支架形態監測與控制的重要性進行了分析，設計了基于液壓支架電液控制系統的支架形態動態監測與控制系統，對綜采工作面的實際使用進行驗證，結果證明該系統可有效控制支架工作在較佳的工況下；文獻[2]提出了一種基于馬爾科夫理論的支架形態預測方法，實現了液壓支架移架過程中對下一個支護狀態相關形態參數的預測，此方法可以提供誤差較小的預測結果。國內外關于液壓支架形態監測技術的分析，雖然取得了一定的成就，但是仍存在一定的問題：液壓支架形態參數監測精度不高、液壓支架形態參數監測還不夠全面、液壓支架形態測量模型不夠完善等。鑒于此，本文研究了煤礦液壓支架形態實時監測技術，分析了液壓支架概況及形態監測參數，設計了液壓支架形態監測總體結構、硬件部分和軟件部分。研究為液壓支架的智能控制奠定了基礎。

1 液壓支架概況及形態監測參數

1.1 液壓支架概況

液壓支架是綜采工作面的重要參數，其正常工作是綜采工作面安全高效生產的前提。液壓支架主要由后連桿、前連桿、推桿、推移液壓缸、底座、立柱、掩護梁、平衡千斤頂、頂梁、前梁千斤頂、前梁、護幫千斤頂、護幫板等[3-4]。液壓支架形態調節原理如圖1所示。

圖1 液壓支架形態調節原理Fig.1 Principle of hydraulic support shape adjustment

1.2 液壓支架形態監測參數

根據煤礦液壓支架底座的形態角度的不同，把煤礦液壓支架分為底座前端抬頭形態、底座前端低頭形態、底座水平形態3大類。結合實際工況中液壓支架形態監測要求，將液壓支架形態監測參數分為3個：液壓支架頂梁的俯仰角度、液壓支架支護高度和液壓支架底座的俯仰角度[5-6]。

2 總體結構設計

根據液壓支架形態監測參數，設計了液壓支架形態監測總體結構，主要包括液壓支架形態數據的管理、處理和采集。系統包括遠程監控模塊、形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊[7-8]。液壓支架形態監測系統組成部分如圖2所示。其中，遠程監控模塊和形態監測模塊依靠CAN總線相連，慣性測量單元模塊和形態監測模塊依靠RS-232串口相連，傾角傳感器模塊和形態監測模塊依靠SPI接口相連。

圖2 液壓支架形態監測系統組成部分Fig.2 Components of the hydraulic support form monitoring system

3 硬件設計

根據液壓支架形態監測系統總體結構設計，在系統硬件設計部分，主要設計形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊[9-12]。

(1)形態監測模塊硬件設計。主要包括功能模塊的組成、模塊PCB和關鍵節點接口電路。形態監測模塊的功能模塊主要包括中央微處理器、復位開關、SWD接口、電源模塊接口、RS232串口、SPI接口和其他預留接口。根據液壓支架形態監測系統的處理速度和處理數據量的要求，本文選用STM32F103ZET6型芯片作為中央微處理器，SD卡驅動芯片選擇CH376S型文件管理芯片，Ethernet接口選擇ENC28J60型以太網收發芯片；CAN總線接口選用TJA1050型收發芯片。

(2)傾角傳感器模塊硬件設計。本文選擇SCA100T-D02型傾角傳感芯片作為傾角傳感器。該芯片能夠檢測2個維度，分辨率為0.002 5°。雙軸傾角傳感器SCA100T-D02芯片接口電路如圖3所示。

圖3 雙軸傾角傳感器SCA100T-D02芯片接口電路Fig.3 Dual-axis tilt sensor SCA100T-D02 chip interface circuit

(3)慣性測量單元模塊硬件設計。慣性測量單元模塊選擇MPU6050型整體性6軸運動處理組件。該芯片集成三軸陀螺儀和三軸加速度計，分別對應16位A/D轉換器。慣性測量單元MPU6050芯片接口電路如圖4所示。

圖4 慣性測量單元MPU6050芯片接口電路Fig.4 Inertial measurement unit MPU6050 chip interface circuit

4 軟件設計

根據液壓支架形態監測系統總體結構設計，在系統軟件設計部分，主要包括形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的軟件設計。

(1)形態監測模塊軟件設計。主要包括液壓支架形態監測系統數據流和形態監測模塊數據發送機制2部分。本文僅介紹液壓支架形態監測系統數據流流程(圖5)。

圖5 液壓支架形態監測系統數據流流程Fig.5 Data flow process of hydraulic support form monitoring system

(2)傾角傳感器模塊軟件設計。傾角傳感器模塊軟件設計主要包括數據發送機制和數據發送協議的設計。傾角傳感器模塊液壓支架形態監測數據發送協議見表1。表1中，2個軸(x軸、y軸)的輸出數據由4個字節組成，第1和第2字節表示協議的數據類型和協議長度；第3字節和第4字節代表傾角傳感器模塊在2個軸的形態角數據。其中，第3字節代表數據高位，第4字節代表數據低位。

表1 傾角傳感器模塊液壓支架形態監測數據發送協議Tab.1 Inclination sensor module hydraulic support attitude monitoring data transmission protocol

(3)慣性測量單元模塊軟件設計。慣性測量單元模塊軟件設計主要包括數據發送機制和數據發送協議的設計。在液壓支架形態監測過程中，慣性測量單元模塊數據發送框架如圖6所示。

圖6 慣性測量單元模塊數據發送框架Fig.6 Inertial measurement unit module data transmission framework

5 模塊通信接口調試

根據形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的硬件和軟件設計，對監測系統進行了模塊調試，主要為通信接口的調試，包括形態監測模塊和2類傳感器模塊的連接、液壓支架控制器和形態監測模塊的連接。形態傳感器模塊調試如圖7(a)所示，液壓支架控制器和形態監測模塊連接調試如圖7(b)所示。

圖7 模塊通信接口調試Fig.7 Module communication interface debugging

6 結論

根據液壓支架概況及形態監測參數，設計了液壓支架形態監測總體結構，包括遠程監控模塊、形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊組成，研究了形態監測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的硬件和軟件設計及監控系統的調試。