煤矿液压支架形态实时监测技术研究

程 刚，赵晋红

(1.晋城煤业集团 古书院矿人力资源部职工教育培训中心，山西 晋城 048000；2.山西晋煤集团 晟泰能源投资有限公司技术服务分公司，山西 晋城 048000)

煤炭作为我国主体能源地位在长时间内不会改变，影响着经济的可持续发展和能源安全。我国煤矿逐渐实现智能化开采，液压支架作为采煤工作面的关键装备，其智能水平和可靠性直接影响着工作面的安全生产。现有液压支架电控系统对液压支架监测功能不完善，仅能监测推移位移和立柱压力。目前，国内对液压支架的研究主要集中在电液控制技术方面，对其形态的研究甚少。近年来，国内外学者对煤矿液压支架形态实时监测技术进行了诸多研究。如文献[1]以掩护式支架为研究对象，对支架形态监测与控制的重要性进行了分析，设计了基于液压支架电液控制系统的支架形态动态监测与控制系统，对综采工作面的实际使用进行验证，结果证明该系统可有效控制支架工作在较佳的工况下；文献[2]提出了一种基于马尔科夫理论的支架形态预测方法，实现了液压支架移架过程中对下一个支护状态相关形态参数的预测，此方法可以提供误差较小的预测结果。国内外关于液压支架形态监测技术的分析，虽然取得了一定的成就，但是仍存在一定的问题：液压支架形态参数监测精度不高、液压支架形态参数监测还不够全面、液压支架形态测量模型不够完善等。鉴于此，本文研究了煤矿液压支架形态实时监测技术，分析了液压支架概况及形态监测参数，设计了液压支架形态监测总体结构、硬件部分和软件部分。研究为液压支架的智能控制奠定了基础。

1 液压支架概况及形态监测参数

1.1 液压支架概况

液压支架是综采工作面的重要参数，其正常工作是综采工作面安全高效生产的前提。液压支架主要由后连杆、前连杆、推杆、推移液压缸、底座、立柱、掩护梁、平衡千斤顶、顶梁、前梁千斤顶、前梁、护帮千斤顶、护帮板等[3-4]。液压支架形态调节原理如图1所示。

图1 液压支架形态调节原理Fig.1 Principle of hydraulic support shape adjustment

1.2 液压支架形态监测参数

根据煤矿液压支架底座的形态角度的不同，把煤矿液压支架分为底座前端抬头形态、底座前端低头形态、底座水平形态3大类。结合实际工况中液压支架形态监测要求，将液压支架形态监测参数分为3个：液压支架顶梁的俯仰角度、液压支架支护高度和液压支架底座的俯仰角度[5-6]。

2 总体结构设计

根据液压支架形态监测参数，设计了液压支架形态监测总体结构，主要包括液压支架形态数据的管理、处理和采集。系统包括远程监控模块、形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块[7-8]。液压支架形态监测系统组成部分如图2所示。其中，远程监控模块和形态监测模块依靠CAN总线相连，惯性测量单元模块和形态监测模块依靠RS-232串口相连，倾角传感器模块和形态监测模块依靠SPI接口相连。

图2 液压支架形态监测系统组成部分Fig.2 Components of the hydraulic support form monitoring system

3 硬件设计

根据液压支架形态监测系统总体结构设计，在系统硬件设计部分，主要设计形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块[9-12]。

(1)形态监测模块硬件设计。主要包括功能模块的组成、模块PCB和关键节点接口电路。形态监测模块的功能模块主要包括中央微处理器、复位开关、SWD接口、电源模块接口、RS232串口、SPI接口和其他预留接口。根据液压支架形态监测系统的处理速度和处理数据量的要求，本文选用STM32F103ZET6型芯片作为中央微处理器，SD卡驱动芯片选择CH376S型文件管理芯片，Ethernet接口选择ENC28J60型以太网收发芯片；CAN总线接口选用TJA1050型收发芯片。

(2)倾角传感器模块硬件设计。本文选择SCA100T-D02型倾角传感芯片作为倾角传感器。该芯片能够检测2个维度，分辨率为0.002 5°。双轴倾角传感器SCA100T-D02芯片接口电路如图3所示。

图3 双轴倾角传感器SCA100T-D02芯片接口电路Fig.3 Dual-axis tilt sensor SCA100T-D02 chip interface circuit

(3)惯性测量单元模块硬件设计。惯性测量单元模块选择MPU6050型整体性6轴运动处理组件。该芯片集成三轴陀螺仪和三轴加速度计，分别对应16位A/D转换器。惯性测量单元MPU6050芯片接口电路如图4所示。

图4 惯性测量单元MPU6050芯片接口电路Fig.4 Inertial measurement unit MPU6050 chip interface circuit

4 软件设计

根据液压支架形态监测系统总体结构设计，在系统软件设计部分，主要包括形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块的软件设计。

(1)形态监测模块软件设计。主要包括液压支架形态监测系统数据流和形态监测模块数据发送机制2部分。本文仅介绍液压支架形态监测系统数据流流程(图5)。

图5 液压支架形态监测系统数据流流程Fig.5 Data flow process of hydraulic support form monitoring system

(2)倾角传感器模块软件设计。倾角传感器模块软件设计主要包括数据发送机制和数据发送协议的设计。倾角传感器模块液压支架形态监测数据发送协议见表1。表1中，2个轴(x轴、y轴)的输出数据由4个字节组成，第1和第2字节表示协议的数据类型和协议长度；第3字节和第4字节代表倾角传感器模块在2个轴的形态角数据。其中，第3字节代表数据高位，第4字节代表数据低位。

表1 倾角传感器模块液压支架形态监测数据发送协议Tab.1 Inclination sensor module hydraulic support attitude monitoring data transmission protocol

(3)惯性测量单元模块软件设计。惯性测量单元模块软件设计主要包括数据发送机制和数据发送协议的设计。在液压支架形态监测过程中，惯性测量单元模块数据发送框架如图6所示。

图6 惯性测量单元模块数据发送框架Fig.6 Inertial measurement unit module data transmission framework

5 模块通信接口调试

根据形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块的硬件和软件设计，对监测系统进行了模块调试，主要为通信接口的调试，包括形态监测模块和2类传感器模块的连接、液压支架控制器和形态监测模块的连接。形态传感器模块调试如图7(a)所示，液压支架控制器和形态监测模块连接调试如图7(b)所示。

图7 模块通信接口调试Fig.7 Module communication interface debugging

6 结论

根据液压支架概况及形态监测参数，设计了液压支架形态监测总体结构，包括远程监控模块、形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块组成，研究了形态监测模块、倾角传感器模块和惯性测量单元模块的硬件和软件设计及监控系统的调试。