煤矿井下液压支架监控系统设计

摆世强　李志明　赵新亚

摘 要：液压支架是煤矿综采工作面的主要支护设备，对其工作参数进行实时监测可促进综采工作面的安全生产。因此设计了一种基于STM32系列单片机和RS485总线的井下液压支架监测系统。对安装在液压支架上的传感器信息进行采集并传递到数据采集分站，传感器数据在采集分站被初步处理后，通过RS485總线传送到中心主站进行进一步处理分析，并通过屏幕和键盘实现人机交互，能够实现对液压支架工作状态实时监测。

关键词：液压支架；实时监测；STM32；RS485

1 概述

液压支架是煤矿综采工作面的主要支护设备，对其工作参数进行实时监测可促进综采工作面的安全生产[1]。但是目前液压支架液压支架监控系统发展还不成熟，由于工作环境、技术条件等原因存在一定缺陷，如：监控系统布线困难，系统稳定性不高，监测数据丢失等[2-3]。文章针对目前液压支架监控系统存在的缺点，设计了一种基于STM32系列单片机和RS485总线的煤矿井下液压支架监控系统。

2 系统功能

文章设计的监控系统基于主从模式的思想，分为采集分站和主机2个层次，该液压支架监测系统的主要功能特点如下：（1）利用采集分站对相邻四组液压支架的支柱压力、倾角和支架位移等参数进行实时采集，并进行初步处理与显示；（2）基于RS485将数据实时传输给主机进行处理分析和保存；（3）该监测系统主机具有以太网接口，利用网络与井上控制中心的PC机进行数据传输；（4）主机通过防爆键盘和屏幕实现人机交互；（5）主机具有报警功能，可设置一定的阀值，当监测的参数不在阀值范围内时进行报警。

3 硬件设计

本液压支架监控系统选用TI公司的STM32系列单片机作为主控制芯片，具有处理能力强、多种休眠模式、价格低廉等优点，能够满足煤矿井下中低成本、低功耗的要求。屏幕选择采用串口屏，STM32单片机通过串口与屏幕进行通信，实现数据结果显示。

3.1 系统组成

该液压支架监测系统包括采集分站和主机两部分，采集分站主要包括ADC转换模块，RS485通讯模块；主机主要包括RS485通讯模块，屏幕接口，键盘接口，存储模块，网络接口及其他辅助电路，如图1所示。

液压支架监测系统采集分站和主机都采用STM32F107VCT6作为主控制芯片，采集分站对液压支架上的传感器进行数据采集，主机进行数据存储与分析等。屏幕和键盘实现结果显示、数据设定等人机交互功能。

3.2 采集模块

采集模块实现液压支架上各传感器信号的采集，本系统采集模块选用INA128U采集芯片，可实现模拟信号的16位A/D转换。采集模块的硬件电路图如图2所示。

3.3 存储模块

存储模块选用型号为W25Q64BV的Flash存储芯片，具有64kb的存储空间，用来存储液压监测系统的数据及处理结果等，其硬件电路图如图3所示。

3.4 RS485通讯模块

该液压支架监控系统基于主从控制思想，基于RS485采用Modbus协议实现采集分站和主机之间的数据传输，利用主机可控制32个采集分站。本监控系统采用总线式拓扑结构，如图4所示。

在该监测系统中RS485通讯的实现采用SP3485芯片，借助STM32的串口2实现接收与发送功能，利用PD7管脚实现对芯片发送/接受的控制，其硬件电路图如图5所示。

4 软件设计

液压之间监测系统实现了将采集分站采集的液压之间各种传感器参数实时传输至主机，利用RS485总线进行通信。主机轮流向各采集分站发送查询数据指令，当采集分站接收到命令时，将采集的液压支架传感器数据发送给主机。主机对接收的数据进行存储、显示及分析，将分析结果显示在串口屏上，同时具有报警功能，利用指示灯进行显示。液压支架监测系统主机的软件设计流程如图6所示，采集分站的软件设计流程如图7所示。

所设计的液压支架监控系统主机的串口屏软件界面如图8所示。通过开机和关机控制监测系统的开关，历史记录用来查看历史数据，通过系统设置功能键进行监测系统的功能设置（利用询问采集分站间隔等）。开机正常工作后，通过下拉框选择液压支架号，其左前立柱、右前立柱、左后立柱、右后立柱和推移千斤顶的传感器参数实时显示在屏幕上。通过选择参数下拉框，可具体选择液压支架某个传感器，并将该传感器的监测数据随时间变化的曲线显示在屏幕上。

5 结束语

针对煤矿井下液压支架监测系统的缺点，设计了一种基于STM32和RS485总线的液压支架监控系统，该监控系统具有一个主机和多个采集分站，采用RS485总线进行主从通信。采集分站实现液压支架压力、倾角、位移等传感器的数据采集，当接收到主机的查询命令时将数据传输给主机。主机实现各液压支架监测数据的存储、分析、显示、报警等功能。该监控系统的设计研发，将进一步推动煤矿机械设备的安全可靠运行。

参考文献

[1]李洪杰，杜计平，晋智毅，等.基于CC2430与WSN的矿井液压支架监测系统研究[J].煤矿机电，2013（3）：33-36.

[2]刘颖，梁玉，张晓光.基于ARM的液压支架监测系统设计[J].矿山机械，2010，38（11）：6-10.

[3]王忠民.矿用液压支架数据采集与预警系统的研究[D].济南：山东大学，2008.