综采工作面液压支架压力顺槽监测站研究

薛俊旺

（山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业，山西大同 037000）

0 引言

液压支架是综采工作面的主要开采设备之一，对支架所受压力的准确监测，能够为支架选型、顶板管理以及设备维护修理等提供重要的参考价值，是保障工作面安全生产的基础[1-2]。一般来讲，对液压支架的监测由监测分站、监测总站和地面监测站三部分组成。其中，监测分站的作用是在液压支架上监测、记录支架压力，将数据进行简单处理，然后传送至监测总站和地面监测站；监测总站的作用是接受所有分站传送的监测数据，进行整理，集中显示，然后传送至地面监测站，通常监测总站布置在工作面顺槽内；地面监测站的作用是接受井下监测总站的数据，整理归纳，生成报表，通常布置在地面监控室内[3-5]。郭庄煤业液压支架监测站目前采用PLC技术，存在着可靠性差、抗干扰能力低、功耗较高、体积较大等问题，针对这些问题，本文提出利用贝加莱工业自动化公司的可编程计算机控制器（PCC），对监测总站的硬件结构和主要程序进行优化改造，为工作面支架压力监测提供技术支持。与现有PLC技术相比，PCC技术可靠性更高，更加简单实用，能够保障设备在恶劣环境下正常工作，在近年来发展十分迅速。

1 监测总站的功能分析

工作面支架压力监测总站通常包括通信、显示、数据存储、设置以及系统重启5个功能[6]，下面对其依次进行分析。

1.1 通信

通信功能是监测总站的主要功能之一，主要包括两个方面：与监测分站通信和与地面监测站通信。

（1）与监测分站通信

监测分站安装在工作面支架处，对支架压力进行监测，当支架压力异常时，分站会通过CAN总线向总站发出警报；其次，监测分站会对监测到的支架压力数据进行记录，当记录的压力达到一个周期时，也会向总站传送数据；另外，监测分站的系统参数需从总站进行配置，在总站将参数配置好后，会通过CAN总线传输至各分站，能够根据工作面实际情况，快速调整系统参数。

（2）与地面监测站通信

在监测分站将支架压力数据传送至总站后，总站可将压力数据进行打包，将数据传送至地面监测站。与地面监测站的通信可以通过RS485总线或者以太网，每隔一个周期向地面传送一次。

1.2 显示

监测分站将压力数据传送至总站后，还可通过总站进行显示。

监测总站可对压力数据进行简单处理，通过柱状图或曲线图直观的显示各分站的压力数据，能够及时发现支架压力的异常位置；同时，监测总站还可以通过状态报表的形式对各分站的工作状态进行显示，当监测分站发现压力异常时，会发出警报，并向总站传送数据，监测总站也能够显示所有分站的警报信息。

1.3 数据存储

监测总站本身具有一定存储功能，当各分站数据传送至总站后，总站会将数据存储至缓冲区，当缓冲区容量存满时，系统会自动将数据存入存储卡内，需要时，也可由工作人员手动将数据存入卡内；同时，也可以通过总站将压力数据存入U盘内，方便研究人员将数据带至地面，对压力数据进行进一步的分析研究。

1.4 设置

工作人员可以通过监测总站对各分站的系统参数进行配置，具体参数包括分站个数、传感器数量、报警临界值等；还可以通过总站设置各分站与液压支架的相对关系，根据显示图，直观地看到各分站的相对位置。

1.5 系统重启

当对监测站重新设置参数或其他情况需要重启系统时，可以通过监测总站实现重启。

2 硬件设计

2.1 总体结构

监测总站的硬件结构包括开关电源、贝加莱显示终端、本安电源、CAN隔离器和USB隔离器等，具体结构如图1所示。

在监测总站中，开关电源的主要作用是控制贝加莱显示终端的供电情况；贝加莱显示终端包括一个液晶显示屏提供上述监测总站的显示功能，两个USB插口方便插入存储卡或者U盘，一个RS485总线接口和一个以太网接口向地面监测站传送压力数据，一个CAN总线接口负责接收各分站压力分站数据和向分站传送系统配置信息；本案电源的主要作用是控制RS485隔离器和CAN隔离器的供电情况；CAN隔离器的主要作用是隔离监测总站的CAN总线和外部通信设备；USB隔离器的主要作用是隔离总站USB数据和外部标准键盘；485隔离器的作用是隔离RS485总线和外部通信设备。

图1 监测总站结构图

2.2 部件选型

监测总站核心采用4PP420.1043-75型PCC，额定电压为24V，配置一个10.4英寸液晶显示屏，一个存储卡槽，一个RS232接口，一个以太网接口，两个USB接口和两个aPCI接口。RS485隔离器选用GS8093-EX型隔离器，USB隔离器选用E-CANG-F型隔离器，CAN隔离器选用E-CANG-F型隔离器，光端机选用FLSDE16型，键盘选用K-287Z型，隔离器和光端机采用5V本安电源。

3 软件设计

3.1 软件流程

监测总站的软件流程如图2所示[7-8]。

如图2所示，在总站程序初始化后，每隔一个周期接受一次监测分站的压力数据，并通过显示屏进行显示，若此时需要对数据进行处理或有故障时，可按相应按钮进行处理，总站接受数据后，会将数据打包，传送至地面监测站，同时，将数据存入缓冲区内，若缓冲区存满，则自动存入存储卡内，为下一轮工作做好准备。

3.2 主要显示界面

监测总站主要可以显示实时的压力数据、各分站的工作状态、各分站的报警记录、系统参数配置以及分站和支架的相对关系。

（1）显示实时压力数据时，可分别显示“液压支架压力—支架图”和“液压支架压力状态图”，“液压支架压力—支架图”可显示各支架所有立柱的对应的压力平均值，“液压支架压力状态图”可显示指定支架立柱的受力情况。

（2）显示各分站的工作状态时，可以显示各分站中CAN总线、EEPROM、外部RAM和传感器的工作状态，共分有3种不同状态：正常工作、出现故障和通信故障。

（3）显示各分站的报警记录时，可以将各分站的报警记录以报表的形式显示，具体可以显示出报警分站的编号、出现问题的立柱编号、引发报警的压力值以及报警发生时间等。

（4）显示系统参数配置时，可以在显示界面显示监测总站和分站的参数值，还可以在此对参数进行调整，重新配置。

（5）显示分站和支架的相对关系时，如表1所示，可以在各分站后输入对应的支架编号，配置各分站和液压支架的对应关系。

图2 软件流程

表1 分站—支架配置表

4 结论

针对郭庄煤业目前使用的支架压力监测总站存在的一系列问题，本文基于PCC技术，对监测总站进行优化设计，相较于原有PLC监测总站，具有界面简洁、操作简便等优点，能够接受各分站传送的压力数据，以图表的形式直观显示，还具有显示各分站报警记录和工作状态等功能。在郭庄煤业应用后，对液压支架的压力监测更加及时、准确，能够快速得到各支架的工作情况，为保障工作面顶板安全和维护管理提供保障。