基于无线传输方式的综采工作面液压支架压力监测系统研究

吴文彤

[摘 要]综采工作面由于采煤机震动及一些不确定因素，发生垮塌的可能性较大，而且现场因为采煤机移动，普通的顶板压力监测设备布线困难。目前，煤矿综采工作面安装顶板压力监测设备多为机械式压力表，不带通信功能，不能实时在线监测顶板状态。为此，相关研究人员设计了一种综采支架的无线压力监测系统。

[关键词]综采支架;压力监测;无线通信;低功耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.20.038

[中图分类号]TD355.4[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2019）20-00-05

0     引 言

目前，用于综采工作面液压支架压力的检测手段比较落后，主要有机械式测压表、圆图记录仪、带红外传输功能的手持压力记录仪等仪表和采用有线方式传输的压力监测系统两大类监测方式。虽然这些设备可以监测顶板情况，但存在以下几个弊端：一是必须选派专人定时去井下采集数据，用手持数据采集仪将数据收集至主机;二是数据采集仪通讯时多采用红外技术进行通信，要求手持设备必须直线对准压力表，采集现场数据在某些特定条件下很不方便;三是采用实时在線监测，设备有线方式供电，采用RS-485电缆传输数据方式，安装在工作面的液压支架上，随着采煤深入液压支架经常移动，容易导致供电和通信线缆折断，在线传输中断，使现有压力监测仪表没有从根本上达到指导安全生产的要求，设备现场安装也不方便。因此，设计用无线方式传输液压支架的压力数据，设备采用电池供电，通过光纤以太网把数据传输至地面通信主机，解决了通信线缆易断的问题，不用人工采集，自动化程度提高。

对液压支架的支撑力进行在线监测还有很多意义，记录支柱原始压力有助于分析顶板反弹和沉降量，对初次来压进行预警，原始的液压支架压力数据还可以用来分析某一工作面煤层的运动规律，对周围煤层活动有大体了解。顶板监测主要是为支护提供前期数据，对顶板不正常的地点需要支护或者伸缩相应支架。大型煤矿基本都采用了综采设备，支护形式主要靠液压支架，虽然综采降低了事故率，但是由于前期决策及管理不善等原因，支架倾斜和压死等现象也有发生，采空区顶板瞬时垮落还会造成超强飓风，对井下人员及相关设备造成很大损害。理论上要实现压力数据采集不是很难，然而井下实际测试表明，传统的无线通信在井下的效果并不理想，现有设备采用433 MHz模块和868 MHz的ZigBee模块。使用2.4 GHz的无线模块较少，原因是井下液压支架对2.4 GHz的通信频率干扰明显。433 MHz的无线模块适用于井下环境，在地面可以传输

1 km远，井下实测距离也足够适应现场需要，而且设计方便，便于开发。此外，笔者编写了适用于本系统的专业数据分析软件，可以显示实时柱形图、历史曲线图，打印报表，为安全生产提供必要依据。当某个支柱压力异常时，系统软件会报警，提醒值班员注意，通知井下人员，及时联系安全管理部门，排除该点的故障。

1     方案设计

无线压力数据采集系统由压力传感器节点、压力无线信号传输分站、串口服务器、数据处理主机等设备组成。由于综采工作面较长，需要采集的液压支架位置距离较远，而且压力采集系统需要长期运行，所以系统采用无线通信。压力监测设备采用MSP430F5438超低功耗单片机，井下监测点可以在数码管上看到液压支架实时压力相关数据，通过433 MHz无线模块发送出去，临近的后一级433 MHz无线模块接收后，将本机数据和前一级传感器节点的数据打包转发出去，这样一级一级接力传输数据至传输分站，最后通过有线方式传输至井下光纤以太网交换机，通过光缆传输至地面主机。系统总体设计框图如图1所示。

综采工作面液压支架预留了测量压力用的接口，定制的传感器可以接在此标准接口上。不同的测量点测量的压力数据不同，有后柱、前柱和前探梁等位置需要测量。以某矿二号井为例说明系统基本的安装方式，二号井11号工作面长约300 m，由200多个单体液压支架支撑采煤面，需要分段安装，每个区域都分配一个压力数据接收分站，专门负责采集该区域压力传感器节点的数据，所有压力数据传输分站通过串口服务器传输至光纤以太网。调度室主机可以虚拟出设备的串口号，以串口方式访问数据，也可以直接采取以太网协议TCP/IP方式访问数据，具体的实现方法是用微软集成TCP/IP协议的Winsock控件，设置相应端口号和IP地址连接串口服务器，采集服务器中的数据。当然，安装方式可以随具体情况而定，可以只用一个传输分站，中间布置足够多的传感器节点来接力传输数据，这种方法可行性并不高，因为随着数据包的增大，误码率也相应增加。考虑到系统的通用性，可以按支架分区域安装传感器，每个区域安装一个信号传输分站，区域内的压力传感器节点接力传输数据。

硬件的程序编写调试在IAR编译器下实现，IAR的C语言编程环境在程序小于4 KB的情况下是免费的，MSP430单片机调试采用北京博维电子的MSP430UIF USB型仿真器，支持在线调试。当前流行的编程语言有JAVA、C#、VC++、VB等。每种语言都有特定的编译环境，JAVA流行的编译环境是Eclipse，VB和VC的编译环境主要有Visual Basic、Visual Studio2008、Visual Studio2010等。就入门来说，VB语言最简单，甚至接近于日常用语，所以选择VB作为上位机编程语言，VB有很多编程环境，包括VB6.0、VB.NET、Visual Studio 2008等。

2     数据采集硬件设计

2.1   主电路

硬件因为特定环境限制，必须采用电池供电，所以就要考虑低功耗。而低功耗产品领域，TI公司的MSP系列单片机功能强大，操作比较简单，而且常用的5系列单片机对很多功能都做了扩展。MSP430F54系列单片机是TI公司近年推出的一款单片机，主要特性体现在以下几方面：18/25 MHz运行频率;128～256 KB FLASH存储器;16 KB SRAM存储器;67/87通用I/O引脚;16通道12位ADC;硬件乘法器;片内实时时钟RTC，也可做通用计数器使用;8通道DMA;2～4通用串行接口，支持UART/SPI/IrDA;3个16位通用定时器，每个配备3～7个捕捉/比较寄存器;看门狗定时器;超低功耗片内低频时钟VLO;经校正的片内32 KHz参考时钟;超低运行功耗、超低休眠功耗、快速休眠唤醒。TI公司的MSP430F5438单片机较为合适，芯片引脚如图2所示，图中包括了与硬件其他模块的接口电路等很多内容，用网络标号的形式和其他模块关联。

4.2   系统软件设计

系统软件设计主要包括显示部分和无线通信部分的程序，程序设计思路如图7所示。

编写和调试单片机程序是在IAR环境中进行的，其中，显示部分采用动态扫描显示压力数值，只有在矿灯照射的情况下才会显示5 s，然后自动关闭。数据采集程序注意A/D通道和相应寄存器配置，通信程序注意区别接收分站和每个压力传感器节点，按照预先制定好的点对点无线传输协议将数据传输至接收分站后，由接收分站经过数据处理后，变为一个一个16字节的十六进制数据包发送到串口服务器，串口服务器再经以太网发送至地面数据采集主机。上位机采用VB 6.0编写，关键是Winsock控件的相应参数属性值配置，监听预定义的端口，当接收缓冲区到达16字节时，触发接收事件，在事件相应程序中处理接收的数据，把数据包还原为字符数据后便于分割处理，然后经过校验后，再按照协议分开显示再存入SQL2005数据库中。

数据库中有多个表格，可以配置传感器的安装位置，设置通信参数，修改传感器的地址号。用微软的MSChart控件实现了压力的实时柱形图和历史曲线图绘制，用水晶报表制作了相应压力报表文件。上位机软件预留了其他监测系统的接口，比如离层监测系统、锚杆应力监测系统等。可以用很短时间开发出通信驱动和相应数据分析处理模块，实现煤矿综合监测系统，为综采和掘进提供更全面的数据。

5     结 语

针对现有顶板压力监测设备的缺点，相关研究人员设计了综采工作面液压支架的无线压力监测系统。通过系统设计方案的选型和测试，选择了效果比较好的433 MHz无线通信模块，在工作面等复杂环境下可以稳定传输50 m。结合工作面实际情况，制订了点对点接力传输的无线组网方案，虽然这种方案需要提前对设备安装方式及无线组网进行详细规划，不利于现场安装，但综合分析，还是比网状网络有优势。

硬件设计方面，针对433 MHz无线模块，配备了适用于现场要求的外围设备。主芯片选择TI公司的超低功耗单片机，选择专业厂家的液压支架压力传感器，通过仪表放大器AD623对信号进行处理，通过单片机UART接口发送给定制的无线模块，数据被一级一级传递到终端节点，通过光纤网络发送至地面服务器。上位机采用VB 6.0编写相应数据采集和分析程序，用Winsock控件采集压力数据，MSChart控件用于绘制实时柱形图和历史曲线图，用水晶报表制作专业压力分析报表文件。

通过上述工作，实现了煤矿综采工作面液压支架压力监测的基本功能，通过对相应数据进行分析、绘制图表等操作，可以直观看出某个支架的工作情况，及时调整液压支架的工作状态，对压力不正常的支柱进行调整，为其他系统预留的接口可以很快开发出离层、锚杆应力的分析软件。

主要参考文献

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