礦山本安型無線壓力計研發(fā)

韓成春+田傳耕+曹彥吉+侯立兵+唐翔

摘 要：井下支護安全直接影響煤礦井下的安全生產(chǎn)，早期發(fā)現(xiàn)支護設(shè)備缺陷及實現(xiàn)井下支護在線監(jiān)測與預(yù)警，提高支護設(shè)備的可靠性和安全性，為煤礦井下生產(chǎn)提供安全而可靠地工作環(huán)境。本研究將圍繞單體液壓支柱，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于CC2530主控芯片的嵌入式技術(shù)，研發(fā)一種具有無線通信功能的礦山本安型無線壓力計，實現(xiàn)準確而抗干擾的支護狀態(tài)信息監(jiān)測。通過現(xiàn)場測試，充分驗證該礦山本安型無線壓力計的信息檢測傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞：單體液壓支柱；無線傳感；承壓在線監(jiān)測；安全生產(chǎn)

1 概述

目前國內(nèi)懸浮式單體液壓支柱內(nèi)壓檢測普遍采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場定期采壓方式，部分產(chǎn)品借鑒液壓支架的壓力檢測方式采用有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測方式，但有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測方式存在檢測點少同時隨開采工作面的推進、移架、升降架等操作導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、系統(tǒng)布線容易被扯斷等缺陷，很難得到廣泛普及應(yīng)用，給煤礦井下生產(chǎn)留下嚴重安全隱患，不能為煤礦井下安全生產(chǎn)提供保障。為了有效地解決上述問題，亟待研制一種具有無線通信功能的懸浮式單體液壓支柱內(nèi)壓監(jiān)測裝置即礦山本安型無線壓力計，通過無線通信功能實時監(jiān)測井下單體液壓支柱的實際工作狀況，早期發(fā)現(xiàn)并及時更換損壞單體液壓支柱，從而實現(xiàn)井下單體液壓支柱在線監(jiān)測與預(yù)警，保證煤礦井下支護設(shè)備的安全運行和安全生產(chǎn)，為煤礦井下生產(chǎn)提供安全而可靠地工作環(huán)境。

2 設(shè)計思路

礦山本安型無線壓力計主要用于煤礦井下支護支柱的壓力檢測、檢測數(shù)據(jù)的匯聚和傳送。因此礦山本安型無線壓力計必須符合煤礦井下設(shè)備的國家標準，包括GB3836.1-2010爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求、GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境由本質(zhì)安全性“i”保護的設(shè)備要求、以及GB4208-2008外殼保護等級（IP代碼）等。為此礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監(jiān)測路由模塊、無線監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊。

2.1 壓力無線檢測模塊

壓力無線檢測模塊在整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中屬于最前端終端設(shè)備，主要由CC2530（或CC2430）主控制器模塊、電源管理模塊、壓力傳感器、信號調(diào)理模塊，以及時分復(fù)用模塊組成，如圖1所示。

2.2 無線監(jiān)測路由模塊

無線監(jiān)測路由模塊在設(shè)計上與壓力無線檢測模塊類似，主控制器仍然采用CC2530（或CC2430）負責(zé)簇內(nèi)若干個壓力無線檢測節(jié)點所檢測的各個支護設(shè)備所受的壓力數(shù)值進行匯總，通過數(shù)據(jù)匯聚和多跳方式傳送至無線網(wǎng)關(guān)（Sink）節(jié)點同時路由節(jié)點通過找尋、建立和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報文的路由信息，還可以有效地延長網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.3 無線監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊

無線監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊在設(shè)計上與無線監(jiān)測路由模塊類似，增加CAN收發(fā)模塊，仍采用具有較強的信息處理和通信功能的主控制芯片CC2530（或CC2430），通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和CAN收發(fā)模塊將收集數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)以太網(wǎng)，如圖2所示。

3 設(shè)計實現(xiàn)

礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監(jiān)測路由模塊、無線監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊。其中壓力無線檢測模塊是采集數(shù)據(jù)終端，它直接決定著采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性，主要組成部分有壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等。

（1）PC10型壓力傳感器及其電路由南京沃爾科技有限公司定制，由前端承壓彈片和后端調(diào)理電路組成，其量程為0～80MPa，非線性參數(shù)為-0.11%FS。每個傳感器調(diào)理電路在出廠時都已通過精密儀器與相應(yīng)承壓彈片進行校準。

（2）無線通信主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2530，內(nèi)置51內(nèi)核和無線通信模塊，通信協(xié)議IEEE802.15.4，工作頻率為2.4GHz，可選通信通道為16個，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbps。井下用防爆電池采用昊誠生產(chǎn)的防爆鋰電池，單節(jié)電池電壓為3.6V，電量為3400mAh。

（3）現(xiàn)有的三用閥是針對液壓支柱而設(shè)計，基于安全增設(shè)壓力無線監(jiān)測模塊不應(yīng)改變現(xiàn)有的液壓支柱結(jié)構(gòu)。為了增加壓力無線模塊的適用性，在現(xiàn)有的三用閥基礎(chǔ)上，重新設(shè)計新型三用閥取壓接口并通過螺旋安裝直接接在柱體的三用閥上，安裝到位后頂針將會頂開三用閥內(nèi)單向閥，使柱體內(nèi)的液體壓力通過新型三用閥取壓接口施加在壓力傳感器上，如圖3所示。新型三用閥取壓接口包括取壓接頭本體、接頭鎖緊套、密封圈、頂針、通液孔、頂針座，接頭鎖緊套與取壓接頭本體螺紋連接，用于取壓接頭和三用閥的連接固定；密封圈位于三用閥與接頭鎖緊套之間，用于取壓接頭本體和三用閥之間的密封。

由上述的壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等模塊組成的礦山本安型無線壓力計如圖4所示。

壓力無線檢測模塊設(shè)計工作中最重要的兩個衡量標準是壓力測量的準確性和運行功耗。測量壓力值的準確與否直接決定系統(tǒng)的成敗，而支柱一旦安裝便不可能更換電池，運行功耗決定系統(tǒng)的監(jiān)測時長。測量的準確性主要通過現(xiàn)場測試進行。在液壓支柱的生產(chǎn)車間，通過打壓機對液壓支柱加壓，待加壓到40～50MPa時，拆除打壓機注液槍并換上壓力無線檢測節(jié)點。通過測試專用的液壓支柱壓力計接口獲取腔內(nèi)壓力值，并與壓力無線檢測節(jié)點所測壓力值進行比較；再通過三用閥的卸載閥降壓，并記錄壓力計和壓力無線檢測節(jié)點的壓力變化是否一致來測試壓力無線檢測節(jié)點壓力測量的準確性。

4 實驗結(jié)果

本文所設(shè)計的礦山本安型無線壓力計現(xiàn)場測試環(huán)境如圖5所示。通過與物理壓力計的測量比較，來驗證無線壓力計的測量有效性，目前正在進行測量誤差分析與其優(yōu)化補償補正環(huán)節(jié)。

通過該模塊電路中串聯(lián)10歐姆電阻來測試該模塊的運行功耗。該模塊采用嵌入式Contiki操作系統(tǒng)。在CC2530芯片上Contiki操作系統(tǒng)的工作時鐘為7.8ms，增加系統(tǒng)的工作時鐘周期來進一步降低功耗，經(jīng)實際測試平均能耗降低約一半。圖6中幅值相對較高的一段波形為該模塊啟動傳感器電路采集數(shù)據(jù)，并進行發(fā)射的波形，幅值最高的一段時間為無線發(fā)射時間，持續(xù)約2ms。通過萬用表串聯(lián)，可測得壓力無線檢測模塊在每隔5秒發(fā)射一次數(shù)據(jù)的情況下，平均工作電流約為0.2mA。選用3節(jié)3400mAh防爆電池并聯(lián)供電，預(yù)計至少可工作5年。

利用C#語言開發(fā)承壓信息監(jiān)控的人機交互界面。通過人機交互界面，可以觀察煤礦井下工作面液壓支柱的實時承壓情況，以及可查詢承壓歷史數(shù)據(jù)，如圖7、圖8所示。

5 結(jié)束語

根據(jù)煤礦井下設(shè)備的相關(guān)國家標準，以TI公司CC2530為主控芯片，設(shè)計出基于嵌入式操作系統(tǒng)Contiki3.0的礦山本安型無線壓力計包括壓力無線檢測模塊、無線監(jiān)測路由模塊、無線監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊。同時不改變液壓支柱結(jié)構(gòu)和三用閥結(jié)構(gòu)為前提，設(shè)計出新型三用閥取壓接口（取壓接頭），相連液壓支柱與壓力無線檢測模塊，實現(xiàn)液壓支柱承壓狀態(tài)信息的檢測。再設(shè)計過程中，為了進一步降低硬件功耗，調(diào)整系統(tǒng)工作時鐘周期和底層調(diào)用，延長了檢測節(jié)點的使用壽命。通過現(xiàn)場測試，充分驗證礦山本安型無線壓力計的信息檢測與傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

參考文獻

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