液压支架压力监测系统的研究与设计

王晓兰

（大同煤矿集团机电装备力泰有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

我国煤炭资源分布复杂，伴随着国内煤炭开采过程的不断推进，煤炭的开采难度越来越大，导致发生坍塌、瓦斯爆炸等事故的概率大大增加[1-2]。虽然我国政府及相关部分出台了一系列应对政策与措施，但是安全事故依旧给煤矿与工人带来了生命财产的损失，其中工作面顶板事故尤为严重[3-4]。由于在开采过程中，巷道岩石变形、离层易发生煤矿顶板事故，通常利用液压支架进行支护，防止坍塌[5]。因此，为了有效预防顶板事故的发生，本文设计了一种液压支架压力监测系统，可对工作面的顶板状态进行监测。

1 监测系统整体方案及基本功能

1.1 系统整体方案

液压支架压力监测系统的整体结构由井上部分与井下部分组成，如图1 所示。其中井上部分由远程监控端、上位机、备用电源与打印机等设备组成，井下部分由中心分站、各节点分站、信号转换器与压力传感器等组成。井上部分中上位机为工业计算机，负责井上的调度与监测功能。井下中心分站为整个监测系统的核心部分，实时接收各节点传输回的数据，并对数据进行分析处理。本系统选用ARM 处理器作为中心分站的核心处理器，具有体积小、功耗低、性能高的优点，可满足中心分站的数据处理与计算的需求[6]。系统利用信号转换器，通过工业以太网实现井上与井下的信息传输。由于煤炭开采过程中，用到的机电设备较多，而工作面空间有限，导致监测系统布线困难，并且采用有线传输时，电缆等设备随着生产的推进也需要移动，容易发生断裂等现象，所以本文采用无线传输的方式，实现压力传感器与各分站的信息传输。

图1 系统整体方案设计

1.2 系统基本功能

液压支架压力监测系统的功能主要有监测功能、故障诊断与报警功能、信号采集功能、存储与查询功能、多任务运行功能、人机交互功能与自检功能。

1）监测功能：压力传感器将检测数据经过信号放大无线传输到各分站节点，并通过串口通讯传输到中心分站，利用ARM 处理器进行数据分析，并将数据传输到地面上位机，实现实时监测功能。

2）故障诊断与报警功能：当传感器监测到压力数据过大时，地面上位机将显示故障分站并报警。

3）信号采集功能：压力传感器对各液压支架的工作压力信号进行采集，并将数据实时传输到各分站。

4）存储与查询功能：检测数据将被保存一年以上，并绘制成液压支架压力参数时间曲线图，方便工作人员查阅。

5）多任务运行功能：支持打印、查询、存储与实时监测等多任务同时运行。

6）人机交互功能：工作人员可通过显示器实时查看监测数据，并通过键盘对系统的各种运行参数进行设置与修改。

7）自检功能：系统对电源模块、各硬件设备与软件程序进行自检，防止系统故障所引发的安全事故。

2 监测系统硬件分析设计

2.1 系统硬件的结构及接线

监测系统的硬件结构（见图2）主要分为中心分站部分、节点分站部分与终端节点部分。中心分站的硬件结构主要包括ARM处理器及外围电路、电源模块与无线通讯模块；节点分站主要设备为路由器及电源模块，负责扩大井下无线传输网络的范围；终端节点主要包括压力传感器、信号放大电路、电源模块及无线通讯模块等。终端节点负责液压支架压力信号的采集，并通过信号调节电路对信号放大，利用CC2530模块将信号传输到路由节点；路由节点作为中转站将信号传输到中心分站；中心分站利用核心处理器对数据进行计算分析，并将结果传输到上位机。当中心分站监测到数据异常时，将启动报警装置。

中心分站的处理器选用S3C2440 型处理器，S3C2440 是32 位的微型ARM处理器，采用1.2 V 内核电压供电，3.3 V 外部I/O 供电，130 个I/O 通用接口，支持摄像头接入、具有普通模式、低功耗模式与空闲模式。芯片具有较大的开发扩展余量，编程简单，兼容性好，方便技术人员的开发编译，满足本系统的功能要求[7-8]。

图2 系统硬件的结构与接线图

2.2 传感器的选型

压力传感器主要有电感式、电容式、压电式与压阻式等，其中压阻式传感器具有抗干扰性强与测量准确等优点，所以本文选用SLM211 压阻式压力传感器负责液压支架信号的采集。SLM211 传感器采用10 V 恒压直流供电、工作温度-40～85 ℃，压力测量范围位0～80 MPa，芯片封装于不锈钢壳内，适应井下工作环境。SLM211 压力传感器采用惠斯通电桥测量结构，电阻为单晶硅材料，随着外界压力的变化，电路中的阻值发生相应变化。

2.3 无线通讯的实现

井下无线通讯时，应当充分考虑通信频率与巷道倾斜度等干扰因素，通过比较市面上常用的几种无线通讯技术，如WIFI、ZigBee 与蓝牙传输技术等，本系统选用ZigBee 技术。ZigBee 为一种短距离通讯技术，其组网方便，功能丰富，可较好应用于液压支架组的整体监测，并且具有运行功耗低、响应速度快等优点，但同时具有传输距离短的缺点，所以为了满足井下液压支架监测系统的长距离传输功能，本文在中心分站与终端节点之间设计了路由节点，负责信号的中转，扩大了ZigBee 技术的通讯范围。

2.4 信号放大电路设计

压力传感器输出的信号电压在1 000 mV 左右，无法通过无线通讯系统传输到路由节点，所以在压力传感器信号传输之前应经过放大电路调节。本系统选用AD620 运算放大器，具有结构简单、设计计算方便、噪声低等优点，其电路如图3。

图3 系统信号放大电路设计

3 监测系统软件编程

中心分站嵌入式系统利用组态王进行软件程序的编译，根据系统功能要求，监测系统的软件程序主要分为：逻辑管理程序，将I/O 设备与设备一一对应；数据存储程序，上位机与分站之间的桥梁，实现数据的显示与查询功能；实时监测程序，采集各支架的压力参数，当数据超过限值时，显示报警画面，并保存记录故障时间与位置；人机交互程序，通过调用数据库，可显示实时的压力信号与历史压力曲线图。

4 结语

应用无线通讯技术设计的一种基于ARM 的液压支架监测系统，有效解决了井下空间狭小，铺线不便的难题，同时保证了数据传输过程中的准确率，为煤矿预防井下顶板事故提供了重要的数据支撑。