钻孔卸压感知系统研制

李伟

（安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤炭是全球范围的重要资源，在世界能源可采储量中占据一定比例，其工业发展前景良好。在煤炭开采的过程中，因其环境较为复杂，安全隐患也较多，因此导致安全问题时有发生[1]。冲击地压作为煤矿开采中的一种较为典型的地质灾害，给煤矿生产安全带来了很大的隐患。随着煤矿工作深度和广度的增加，煤矿冲击地压事故时有发生，当煤岩体瞬间释放弹性变形能，造成煤岩体失稳并产生动力，形成冲击地压时，严重危害煤矿安全生产和工人生命安全[2-4]。随着现代化的发展，智能化开采是煤炭工业发展的方向，也是煤炭工业发展的必然要求，增强煤矿智能化建设是大势所趋[5-6]。

在防治冲击地压的方法中，钻孔卸压因为简易的操作性及较低的成本，可以有效地释放围岩应力，防止冲击地压的发生，得到了广泛应用[7-8]。例如，朱斯陶等[9]在掘进迎头增加多组迎头斜上方卸压钻孔后，有效控制了冲击地压的发生。王胜等[10]通过大直径钻孔卸压和爆破解危进行了冲击地压的预防，结果显示卸压效果良好。李国玉等[11]通过大直径钻孔卸压，验证了钻孔卸压可以降低冲击危险，具有良好的卸压效果。

为了响应时代发展趋势，预防煤矿冲击地压意外发生，设计了钻孔卸压感知系统。该系统以FPGA和LabVIEW相结合，多通道实时高精度采集，在LabVIEW上实现显示，且可判断钻孔卸压后的卸压效果是否达到预期。

1 系统总体结构设计

系统的总体框架主要由LabVIEW作为上位机，FPGA作为核心主控制，2个8通道模拟多路选择器74HC4051，3块AD采集模块HX711及3个压力传感器。系统拥有多通道数据采集功能，且每通道都具有24位的采集精度，总体架构图如图1所示。该系统主要的工作流程为：将压力传感器3个为一组，分别测量煤层空间位置上以测量点为0点，XY、YZ和XZ三个空间面的压力，接受相应的电信号，并将电信号传输到HX711进行AD转换。HX711的128增益会先将接收的信号放大，然后对信号进行AD转换。3块HX711的DOUT和PD_SCK分别连接在2块74HC4051上，2块74HC4051分别做时钟和数据的多路转换选择，然后将信号传输到FPGA进行数据处理。FPGA将3个传感器传输而来的数据组成以OA为前缀、OD为结尾，并进行通道标识传输给上位机LabVIEW。钻孔卸压时，在LabVIEW上，根据煤层所处具体环境情况，可以对所测卸压位置设置需要达到的阈值，通过钻孔卸压，掌握钻孔卸压后煤层压力大小，当压力警示灯从红色变为绿色时，说明钻孔卸压达到了预期效果。

图1 系统总体框架图

2 硬件设计

2.1 HX711功能模块

AD采集模块选用的是HX711芯片，工作电压为5 V，该芯片是一款精度为24 位的高精度A/D 转换器芯片。当实时采集到传感器上的电压信号时，信号通过A通道进行128倍信号增益，其内部的24位A/D转换模块就会将电信号转变为数字量。HX711使用的A通道的128增益时序图如图2所示。HX711具有成本低、响应时间快、抗干扰能力强等优点。使用HX711不仅降低了数据采集的成本，还显著提高了数据采集的精度和可靠性。

图2 128增益时序图

2.2 74HC4051通道选择

8通道模拟多路选择器选择74HC4051，工作电压为5 V，在增加端口扩展的同时，可以极大地降低系统线路使用和硬件成本。74HC4051拥有8个独立输入端，其数字选择端有S0、S1和S2三个端口。74HC4051的数字使能输入是低电平多路转换有效，8个开关的选通根据真值表，如表1所示，通过地址信号输入端输入的信号控制输入通道选择。实验仅使用Y0、Y1、Y2三个输入端，实验时，当低有效使能端处于低电平时有效，通过控制相应的高低电平使得Y0、Y1、Y2通道接通。实验选择使用2个74HC4051分别当做数据和时钟信号传输的多路开关，Y0、Y1、Y2分别连接3块HX711的DOUT和PD_SCK上，以此进行时钟和数据的多路转换选择。

表1 真值表逻辑关系

3 系统软件设计

3.1 FPGA功能模块

FPGA因为其内部逻辑资源丰富、方便拓展、采集率高，具有强大的数据处理和时序控制优势，所以选用FPGA作为多通道数据采集的主控芯片。本系统使用的FPGA主控芯片为Xilinx的ARTIX-7芯片，型号为XC7A35T-2FGG484I。

FPGA接收74HC4051传输而来的时钟信号和数据信号，然后对数据进行以OA为数据帧头，OD为数据 帧 尾，在OA 和OD 之 间 以00、01 和02 对 应 的74HC4051上面的Y0、Y1和Y2通道的格式输出，确保数据的完整性和准确性，避免数据丢失或错误。对程序的时钟时序准确性进行仿真验证，如图3所示。

图3 时钟时序仿真验证图

3.2 LabVIEW软件系统设计

使用LabVIEW作为上位机，对FPGA发送的数据进行实时呈现。LabVIEW软件部分需要对FPGA传输的数据进行串口接收、进制转换和数据显示。读取数据的程序框图如图4所示。在LabVIEW中，进行串口初始化，设定相关参数，在接收缓冲区提取OA和OD及相关通道标记，对其进行解析，最后在前面板实时显示。数据读取程序框图如图4所示。

图4 数据读取程序框图

钻孔卸压实验时，3个压力传感器为一组，分别测量煤层空间位置上以测量点为0点，XY、YZ和XZ三个空间面的压力，分别称为通道一、通道二、通道三，对钻孔卸压后的压力进行显示。根据不同的煤层环境及参数，设置数据预警的上下限阈值。钻孔卸压时，可以对所测位置设置需要卸压达到的阈值，通过钻孔卸压，实时掌握钻孔卸压后压力大小，当压力警示灯从红色变为绿色时，说明钻孔卸压达到了预期效果。同时也可以对每一个通道进行数据保存分析，如图5所示。

图5 压力显示前面板

4 实验平台搭建

实验平台的钻孔卸压部分使用钻进动力试验台微缩模型进行钻孔，通过可触屏的串口屏发送指令，分别控制丝杠进退及钻头钻孔，充分模拟煤层钻孔卸压时的钻孔装置，如图6所示。模拟钻孔卸压时钻头对煤层进行钻孔及压力测量，试验台如图7所示。

图6 钻进动力试验台微缩模型

图7 钻孔卸压试验台

钻孔卸压实验时，3个压力传感器为一组，分别测量煤层空间位置上以测量点为0点，XY、YZ和XZ三个空间面的压力。通过多次模拟不同煤层压力状态下的钻孔卸压实验，设置相应的阈值，钻孔卸压后3个通道警示灯由红色变为绿色，不同煤层压力状态下钻孔卸压实验前后数据如表2～表4所示，可以达到钻孔卸压后的预期效果。

表2 钻孔卸压测点1

表3 钻孔卸压测点2

表4 钻孔卸压测点3

5 结语

该系统使用FPGA和LabVIEW相结合的开发模式，使用HX711确保了24位高精度采集及低成本，同时使用74HC4051实现了系统多通道数据传输。在LabVIEW上，根据不同的煤层环境，可以对所测位置设置需要卸压达到的阈值，通过钻孔卸压，掌握钻孔卸压后所测压力大小，当压力警示灯从红色变为绿色时，说明钻孔卸压达到了预期效果。该系统可以准确、高效、直观地采集多通道的数据信号并呈现，达到预期的效果，具有较高的工程应用价值。