煤礦井下液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

擺世強　李志明　趙新亞

摘 要：液壓支架是煤礦綜采工作面的主要支護設(shè)備，對其工作參數(shù)進行實時監(jiān)測可促進綜采工作面的安全生產(chǎn)。因此設(shè)計了一種基于STM32系列單片機和RS485總線的井下液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)。對安裝在液壓支架上的傳感器信息進行采集并傳遞到數(shù)據(jù)采集分站，傳感器數(shù)據(jù)在采集分站被初步處理后，通過RS485總線傳送到中心主站進行進一步處理分析，并通過屏幕和鍵盤實現(xiàn)人機交互，能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓支架工作狀態(tài)實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：液壓支架；實時監(jiān)測；STM32；RS485

1 概述

液壓支架是煤礦綜采工作面的主要支護設(shè)備，對其工作參數(shù)進行實時監(jiān)測可促進綜采工作面的安全生產(chǎn)[1]。但是目前液壓支架液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展還不成熟，由于工作環(huán)境、技術(shù)條件等原因存在一定缺陷，如：監(jiān)控系統(tǒng)布線困難，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失等[2-3]。文章針對目前液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺點，設(shè)計了一種基于STM32系列單片機和RS485總線的煤礦井下液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

文章設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)基于主從模式的思想，分為采集分站和主機2個層次，該液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能特點如下：（1）利用采集分站對相鄰四組液壓支架的支柱壓力、傾角和支架位移等參數(shù)進行實時采集，并進行初步處理與顯示；（2）基于RS485將數(shù)據(jù)實時傳輸給主機進行處理分析和保存；（3）該監(jiān)測系統(tǒng)主機具有以太網(wǎng)接口，利用網(wǎng)絡(luò)與井上控制中心的PC機進行數(shù)據(jù)傳輸；（4）主機通過防爆鍵盤和屏幕實現(xiàn)人機交互；（5）主機具有報警功能，可設(shè)置一定的閥值，當監(jiān)測的參數(shù)不在閥值范圍內(nèi)時進行報警。

3 硬件設(shè)計

本液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)選用TI公司的STM32系列單片機作為主控制芯片，具有處理能力強、多種休眠模式、價格低廉等優(yōu)點，能夠滿足煤礦井下中低成本、低功耗的要求。屏幕選擇采用串口屏，STM32單片機通過串口與屏幕進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。

3.1 系統(tǒng)組成

該液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)包括采集分站和主機兩部分，采集分站主要包括ADC轉(zhuǎn)換模塊，RS485通訊模塊；主機主要包括RS485通訊模塊，屏幕接口，鍵盤接口，存儲模塊，網(wǎng)絡(luò)接口及其他輔助電路，如圖1所示。

液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)采集分站和主機都采用STM32F107VCT6作為主控制芯片，采集分站對液壓支架上的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，主機進行數(shù)據(jù)存儲與分析等。屏幕和鍵盤實現(xiàn)結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)設(shè)定等人機交互功能。

3.2 采集模塊

采集模塊實現(xiàn)液壓支架上各傳感器信號的采集，本系統(tǒng)采集模塊選用INA128U采集芯片，可實現(xiàn)模擬信號的16位A/D轉(zhuǎn)換。采集模塊的硬件電路圖如圖2所示。

3.3 存儲模塊

存儲模塊選用型號為W25Q64BV的Flash存儲芯片，具有64kb的存儲空間，用來存儲液壓監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果等，其硬件電路圖如圖3所示。

3.4 RS485通訊模塊

該液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)基于主從控制思想，基于RS485采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)采集分站和主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，利用主機可控制32個采集分站。本監(jiān)控系統(tǒng)采用總線式拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

在該監(jiān)測系統(tǒng)中RS485通訊的實現(xiàn)采用SP3485芯片，借助STM32的串口2實現(xiàn)接收與發(fā)送功能，利用PD7管腳實現(xiàn)對芯片發(fā)送/接受的控制，其硬件電路圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計

液壓之間監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了將采集分站采集的液壓之間各種傳感器參數(shù)實時傳輸至主機，利用RS485總線進行通信。主機輪流向各采集分站發(fā)送查詢數(shù)據(jù)指令，當采集分站接收到命令時，將采集的液壓支架傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。主機對接收的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示及分析，將分析結(jié)果顯示在串口屏上，同時具有報警功能，利用指示燈進行顯示。液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)主機的軟件設(shè)計流程如圖6所示，采集分站的軟件設(shè)計流程如圖7所示。

所設(shè)計的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)主機的串口屏軟件界面如圖8所示。通過開機和關(guān)機控制監(jiān)測系統(tǒng)的開關(guān)，歷史記錄用來查看歷史數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)設(shè)置功能鍵進行監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)置（利用詢問采集分站間隔等）。開機正常工作后，通過下拉框選擇液壓支架號，其左前立柱、右前立柱、左后立柱、右后立柱和推移千斤頂?shù)膫鞲衅鲄?shù)實時顯示在屏幕上。通過選擇參數(shù)下拉框，可具體選擇液壓支架某個傳感器，并將該傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線顯示在屏幕上。

5 結(jié)束語

針對煤礦井下液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)的缺點，設(shè)計了一種基于STM32和RS485總線的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)具有一個主機和多個采集分站，采用RS485總線進行主從通信。采集分站實現(xiàn)液壓支架壓力、傾角、位移等傳感器的數(shù)據(jù)采集，當接收到主機的查詢命令時將數(shù)據(jù)傳輸給主機。主機實現(xiàn)各液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、分析、顯示、報警等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)，將進一步推動煤礦機械設(shè)備的安全可靠運行。

參考文獻

[1]李洪杰，杜計平，晉智毅，等.基于CC2430與WSN的礦井液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].煤礦機電，2013（3）：33-36.

[2]劉穎，梁玉，張曉光.基于ARM的液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].礦山機械，2010，38（11）：6-10.

[3]王忠民.礦用液壓支架數(shù)據(jù)采集與預(yù)警系統(tǒng)的研究[D].濟南：山東大學，2008.