四臺礦液壓支架姿態監測系統設計研究

李媛媛

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037001）

1 概況

四臺礦年生產能力為0.14 Mt，主要開采4、5 號煤層。礦井最高點標高+1215 m，最低點標高975 m，高差達到240 m 左右，屬于低中山區地形，總面積約1.1 km2。開采采用斜井開拓的方式，進行長壁式采煤。目前開采的1024 工作面采用的液壓支架在綜采工作面的安裝空間受限，而綜采面的圍巖荷載大，液壓支架支護難度較大，即使完成支護也常出現姿態不合理情況，導致支護頂梁與巷道頂板接觸角度小，支護面貼合度不高，支護效果大大降低，還會使液壓支架某些結構損壞，進一步降低支護效果和支護穩定性。基于此進行井下液壓支架運行狀態姿態實時監測系統研究[1-6]，將姿態實時數據采集處理并顯示在控制室上位機[7-10]，實時掌握支護狀態，及時調整不合理支護姿態，對綜采工作面的安全掘進以及開采效率的提升意義重大。

2 液壓支架姿態監測系統結構設計

液壓支架姿態監測系統大致可以分為三個部分：液壓支架工作姿態數據采集系統、信息處理系統以及數據管理顯示系統，總體架構如圖1 所示。液壓支架工作姿態數據采集系統的核心是傾角傳感器和慣性測量單元，其中傾角傳感器分別安裝在液壓支架的頂梁、后連桿和底座上，主要采集這三個部位的傾斜角度。傾角傳感器和慣性測量單元分別獲取到各部位的姿態數據，經過自身微處理芯片完成數據的識別與轉化，將4～20 mA 信號傳輸到姿態監測模塊中；姿態監測模塊具有信號處理、管理與傳輸功能，接收到傳感器和測量單元的電流信號后，經過數據計算處理，將液壓支架姿態監測數據轉化為數據管理顯示系統可識別的信號，通過CAN 總線傳輸到監控室上位機；姿態數據管理與顯示系統一方面為姿態監測數據提供上位機顯示功能，同時還具有監測報警、控制信號輸入等作用，是客戶的數據管理終端系統。

圖1 液壓支架姿態監測系統結構圖

3 液壓支架姿態測量模塊硬件設計

（1）慣性測量單元

為了便于安裝在井下液壓支架特定部位上，慣性測量單元不僅要體積小、功能全，還要能夠完全適應井下惡劣的工況環境。基于此，采用35 mm×20 mm 的PCB 板進行設計，主要包括SWD接口、RS232 串口、微型數據處理器和處理芯片。慣性測量單元處理芯片是核心部件，采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六軸運動處理組件，該芯片集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀，集成性能優化度高，性價比高。芯片運算系統采集通過AD 轉化器轉化端口電壓形成的數字信號進行運算，通過設定的運算規則，測量獲取液壓支架的角速度和加速度值。MPU6050 芯片的接口電路設計如圖2，其中芯片的I2C 接口時鐘線SCL 和數據線SDA 接口分別與處理器控制接口連接，進行系統角速度和加速度信息采集。

（2）傾角傳感器模塊

傾角傳感器模塊同樣要考慮到工作工況，采用50 mm×30 mm 的PCB 板進行設計，傾角傳感器芯片選擇芬蘭VTI Technologies 公司的SCA100T-D02型芯片。該芯片精度能達到0.002°，可以同時進行水平兩軸傾角監測，芯片監測數據輸出為數字量信號，便于微型處理器的識別和計算。芯片接口電路如圖3 所示，工作電壓為5 V，其中MOSI、MISO、SCK 為SPI 通訊接口，芯片采集的傾角數字量信號通過芯片電路中的Axis_X 和Axis_Y 接口輸出。傾角傳感器模塊的測量軸安裝時要注意軸線平衡，最大程度降低兩測量軸的耦合影響，以提升模塊的測量精度。

圖3 SCA100T-D02 型傾角測量芯片接口電路圖

4 液壓支架姿態監測系統測量模塊數據流程設計

液壓支架姿態監測系統中的慣性測量單元的數據發送流程如圖4。供電后慣性測量單元中的微型處理器自動對系統進行初始化設置，目的是將模塊中的定時器歸零，隨后通過芯片中的I2C 總線發送指令到MPU6050 型慣性測量芯片，使芯片中的三軸加速度計和三軸陀螺儀進行校準；發送標注數據幀，對RS232 串口進行檢驗。如果數據幀發送失敗，計數器計數加1；如果發送失敗次數超過128，系統報錯，數據流程結束；如果數據幀在128 次之內發送成功，進行使能定時器，芯片運算系統采集六軸端口電壓進行液壓支架姿態數據計算處理，將計算結果輸出到姿態監測模塊；如果發送不成功次數超多128 次，系統再次報警停機，如果發送成功則完成慣性測量數據的采集與處理。傾角傳感器模塊的數據發送模式與慣性測量單元數據發送模式類似，主要不同在于：芯片與傳感器之間以及傾角傳感器與監測模塊的通訊都采用了SPI 總線接口。

圖4 慣性測量單元模塊數據發送框架圖

5 應用效果

為了驗證液壓支架姿態監測系統效果，四臺礦在綜采工作面實驗室平臺上搭建液壓支架姿態監測系統試驗平臺，實驗室上位機上安裝設計的監控軟件，對1024 工作面液壓支架進行姿態監測試驗。將系統姿態測量模塊安裝在液壓支架既定位置上，對傾角傳感器、慣性測量模塊以及姿態監測主板、控制器以及上位機等相互通訊進行調試，保證各模塊之間通訊通道暢通。液壓支架控制人員開始調整液壓支架動作，待液壓支架姿態達到試驗監測位置時，停止液壓支架姿態動作后，實驗室人員通過上位機監測對應參數，與液壓支架實際姿態數據進行對比，以確定姿態監測系統的準確性和穩定性。上位機監測界面如圖5。試驗共進行了15 輪，通過數據對比顯示，液壓支架頂梁角度監測數據比實際數據平均偏差0.22°，支架底座角度平均偏差0.16°，支架支護高度平均偏差0.01 m，說明姿態監測系統的精度和穩定性滿足應用需求。

圖5 四臺礦液壓支架姿態監測系統上位機試驗界面

6 結論

（1）設計的液壓支架姿態監測系統由姿態數據采集系統、信息處理系統和數據管理顯示系統構成，分別實現液壓支架數據采集、處理與管理功能，監測結果顯示在上位機上，當液壓支架姿態超出預設值后，系統自動報警。

（2）慣性測量單元采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六軸運動處理組件，傾角傳感器模塊選擇芬蘭VTI Technologies 公司的SCA100T-D02 型芯片，并對芯片接口電路進行設計，對慣性測量單元和傾角傳感器模塊的數據發送流程進行設計。

（3）搭建液壓支架姿態監測系統試驗平臺，進行15 輪支架頂梁、底座角度和支架高度監測，結果表明支架頂梁角度平均偏差0.22°，底座角度平均偏差0.16°，高度平均偏差0.01 m，系統精度和穩定性滿足設計需求。