矿山本安型无线压力计研发

韩成春+田传耕+曹彦吉+侯立兵+唐翔

摘 要：井下支护安全直接影响煤矿井下的安全生产，早期发现支护设备缺陷及实现井下支护在线监测与预警，提高支护设备的可靠性和安全性，为煤矿井下生产提供安全而可靠地工作环境。本研究将围绕单体液压支柱，利用无线传感网络技术和基于CC2530主控芯片的嵌入式技术，研发一种具有无线通信功能的矿山本安型无线压力计，实现准确而抗干扰的支护状态信息监测。通过现场测试，充分验证该矿山本安型无线压力计的信息检测传输的有效性和可靠性。

关键词：单体液压支柱；无线传感；承压在线监测；安全生产

1 概述

目前国内悬浮式单体液压支柱内压检测普遍采用传统的现场定期采压方式，部分产品借鉴液压支架的压力检测方式采用有线网络压力检测方式，但有线网络压力检测方式存在检测点少同时随开采工作面的推进、移架、升降架等操作导致系统布线复杂、系统布线容易被扯断等缺陷，很难得到广泛普及应用，给煤矿井下生产留下严重安全隐患，不能为煤矿井下安全生产提供保障。为了有效地解决上述问题，亟待研制一种具有无线通信功能的悬浮式单体液压支柱内压监测装置即矿山本安型无线压力计，通过无线通信功能实时监测井下单体液压支柱的实际工作状况，早期发现并及时更换损坏单体液压支柱，从而实现井下单体液压支柱在线监测与预警，保证煤矿井下支护设备的安全运行和安全生产，为煤矿井下生产提供安全而可靠地工作环境。

2 设计思路

矿山本安型无线压力计主要用于煤矿井下支护支柱的压力检测、检测数据的汇聚和传送。因此矿山本安型无线压力计必须符合煤矿井下设备的国家标准，包括GB3836.1-2010爆炸性环境设备通用要求、GB3836.4-2010爆炸性环境由本质安全性“i”保护的设备要求、以及GB4208-2008外壳保护等级（IP代码）等。为此矿山本安型无线压力计包括压力无线检测模块、无线监测路由模块、无线监测网关模块。

2.1 压力无线检测模块

压力无线检测模块在整个无线传感网络中属于最前端终端设备，主要由CC2530（或CC2430）主控制器模块、电源管理模块、压力传感器、信号调理模块，以及时分复用模块组成，如图1所示。

2.2 无线监测路由模块

无线监测路由模块在设计上与压力无线检测模块类似，主控制器仍然采用CC2530（或CC2430）负责簇内若干个压力无线检测节点所检测的各个支护设备所受的压力数值进行汇总，通过数据汇聚和多跳方式传送至无线网关（Sink）节点同时路由节点通过找寻、建立和修复网络报文的路由信息，还可以有效地延长网络的覆盖范围。

2.3 无线监测网关模块

无线监测网关模块在设计上与无线监测路由模块类似，增加CAN收发模块，仍采用具有较强的信息处理和通信功能的主控制芯片CC2530（或CC2430），通过无线传感网络和CAN收发模块将收集数据传送至工业以太网，如图2所示。

3 设计实现

矿山本安型无线压力计包括压力无线检测模块、无线监测路由模块、无线监测网关模块。其中压力无线检测模块是采集数据终端，它直接决定着采集数据的准确性和稳定性，主要组成部分有压力传感器及其电路、井下用防爆电池、无线通信控制器芯片、新型三用阀取压接口和井下用防爆外壳等。

（1）PC10型压力传感器及其电路由南京沃尔科技有限公司定制，由前端承压弹片和后端调理电路组成，其量程为0～80MPa，非线性参数为-0.11%FS。每个传感器调理电路在出厂时都已通过精密仪器与相应承压弹片进行校准。

（2）无线通信主控芯片采用TI公司生产的CC2530，内置51内核和无线通信模块，通信协议IEEE802.15.4，工作频率为2.4GHz，可选通信通道为16个，数据传输速率为250Kbps。井下用防爆电池采用昊诚生产的防爆锂电池，单节电池电压为3.6V，电量为3400mAh。

（3）现有的三用阀是针对液压支柱而设计，基于安全增设压力无线监测模块不应改变现有的液压支柱结构。为了增加压力无线模块的适用性，在现有的三用阀基础上，重新设计新型三用阀取压接口并通过螺旋安装直接接在柱体的三用阀上，安装到位后顶针将会顶开三用阀内单向阀，使柱体内的液体压力通过新型三用阀取压接口施加在压力传感器上，如图3所示。新型三用阀取压接口包括取压接头本体、接头锁紧套、密封圈、顶针、通液孔、顶针座，接头锁紧套与取压接头本体螺纹连接，用于取压接头和三用阀的连接固定；密封圈位于三用阀与接头锁紧套之间，用于取压接头本体和三用阀之间的密封。

由上述的压力传感器及其电路、井下用防爆电池、无线通信控制器芯片、新型三用阀取压接口和井下用防爆外壳等模块组成的矿山本安型无线压力计如图4所示。

压力无线检测模块设计工作中最重要的两个衡量标准是压力测量的准确性和运行功耗。测量压力值的准确与否直接决定系统的成败，而支柱一旦安装便不可能更换电池，运行功耗决定系统的监测时长。测量的准确性主要通过现场测试进行。在液压支柱的生产车间，通过打压机对液压支柱加压，待加压到40～50MPa时，拆除打压机注液枪并换上压力无线检测节点。通过测试专用的液压支柱压力计接口获取腔内压力值，并與压力无线检测节点所测压力值进行比较；再通过三用阀的卸载阀降压，并记录压力计和压力无线检测节点的压力变化是否一致来测试压力无线检测节点压力测量的准确性。

4 实验结果

本文所设计的矿山本安型无线压力计现场测试环境如图5所示。通过与物理压力计的测量比较，来验证无线压力计的测量有效性，目前正在进行测量误差分析与其优化补偿补正环节。

通过该模块电路中串联10欧姆电阻来测试该模块的运行功耗。该模块采用嵌入式Contiki操作系统。在CC2530芯片上Contiki操作系统的工作时钟为7.8ms，增加系统的工作时钟周期来进一步降低功耗，经实际测试平均能耗降低约一半。图6中幅值相对较高的一段波形为该模块启动传感器电路采集数据，并进行发射的波形，幅值最高的一段时间为无线发射时间，持续约2ms。通过万用表串联，可测得压力无线检测模块在每隔5秒发射一次数据的情况下，平均工作电流约为0.2mA。选用3节3400mAh防爆电池并联供电，预计至少可工作5年。

利用C#语言开发承压信息监控的人机交互界面。通过人机交互界面，可以观察煤矿井下工作面液压支柱的实时承压情况，以及可查询承压历史数据，如图7、图8所示。

5 结束语

根据煤矿井下设备的相关国家标准，以TI公司CC2530为主控芯片，设计出基于嵌入式操作系统Contiki3.0的矿山本安型无线压力计包括压力无线检测模块、无线监测路由模块、无线监测网关模块。同时不改变液压支柱结构和三用阀结构为前提，设计出新型三用阀取压接口（取压接头），相连液压支柱与压力无线检测模块，实现液压支柱承压状态信息的检测。再设计过程中，为了进一步降低硬件功耗，调整系统工作时钟周期和底层调用，延长了检测节点的使用寿命。通过现场测试，充分验证矿山本安型无线压力计的信息检测与传输的有效性和可靠性。

参考文献

[1]张磊，王晓荣，王希林，等.基于ZigBee的无线顶板压力监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2015（4）：54-57.

[2]张晓光，景晓军，陈志国，等.基于ZigBee的低功耗无线顶板压力监测系统[J].煤矿安全，2013（5）：130-133.

[3]陈斯，赵同彬，高建东，等.基于ZigBee的综采工作面顶板压力无线检测系统[J].煤矿开采，2011（6）：107-109.

[4]连清汪.矿井顶板（围岩）状态监测及灾害预警系统研究及应用[D].太原理工大学，2012.

[5]孙继平.安全高效矿井监控关键技术研究[J].工矿自动化，2012，38（12）：1-5.

[6]孙继平.煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报，2011，36（1）：167-171.