煤礦液壓支架立柱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

羅 坤

（同煤集團(tuán)煤峪口礦機(jī)電科，山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤炭開采的重要機(jī)械設(shè)備，對煤礦開采工作面的安全高效生產(chǎn)起著不可替代的作用。液壓支架在運(yùn)作時(shí)會對綜采面巷道頂部和巷道壁的圍巖產(chǎn)生一定的壓力，促使巖層在壓力下維持穩(wěn)定，而由于巖層結(jié)構(gòu)和巖層物化性質(zhì)的不同，對壓力的實(shí)際表現(xiàn)也是不同的，而液壓支架立柱提供的壓力過小，無法維持液壓支架的支撐效果[1-2]，過大的立柱壓力則會對圍巖的穩(wěn)定造成破壞，嚴(yán)重的會導(dǎo)致冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。因此，液壓支架立柱壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測成為液壓支架有效發(fā)揮支撐作用，保障煤礦綜采工作面安全高效開采的重要手段。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

液壓支架立柱實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)由地面上位機(jī)、控制中心服務(wù)器、信號傳輸設(shè)備以及立柱壓力監(jiān)測傳感器等組成，系統(tǒng)運(yùn)作流程為：分布在立柱上的壓力傳感器采集壓力信號，信號通過傳輸設(shè)備傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心?jīng)過信號處理計(jì)算，按照設(shè)定的程度，實(shí)現(xiàn)與地面上位機(jī)的通訊，將實(shí)時(shí)壓力顯示在上位機(jī)上，并按照程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)控功能。

系統(tǒng)的硬件包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊串口、PC 機(jī)以及換能器等，見圖1，數(shù)據(jù)處理器作為系統(tǒng)的核心硬件，本文選擇了DSP 微處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，傳感器模塊采用中航威斯特的AFG-50S 型壓力傳感器，其與處理器通訊采用4～20 mA 電流信號經(jīng)串口通訊模塊完成，PC 機(jī)則主要用于實(shí)時(shí)壓力的顯示以及監(jiān)測人員的數(shù)據(jù)查詢等，另外數(shù)據(jù)處理模塊還會將處理完成的能夠被識別的數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)存儲模塊，為監(jiān)測人員壓力查詢提供原始數(shù)據(jù)。

圖1 液壓支架立柱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

1.1 DSP 微處理器

根據(jù)煤礦液壓支架立柱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，本設(shè)計(jì)的DSP 微處理器芯片選用32 位定點(diǎn)外設(shè)的工業(yè)級別TMS320F2812。該處理器芯片采用總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)運(yùn)算與傳輸能力較傳統(tǒng)處理器芯片有較大提升，運(yùn)算和傳輸數(shù)據(jù)的速度也能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)需求；該芯片采用不同的電壓供電，內(nèi)核額定工作電壓為1.8 V，I/O 接口額定工作電壓為3.3 V。

1.2 DSP 電源電路與復(fù)位電路

本系統(tǒng)選擇的DSP 微處理器的內(nèi)核運(yùn)行電壓為1.8 V，接口運(yùn)行電壓為3.3 V，這對供電電源提出了較高的要求。對于傳統(tǒng)內(nèi)核供電電源電路而言，需要在工作時(shí)不斷切換處理器內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)，以達(dá)到處理器內(nèi)核和結(jié)構(gòu)工作電壓轉(zhuǎn)換，但這種工作流程對能源的消耗比較大，不利于能耗降低要求的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)選擇TPS767D301 電源芯片，該電源芯片的額定工作電壓為+5 V，經(jīng)過電源電路處理，可以實(shí)現(xiàn)不同等級電壓的輸出，滿足處理芯片內(nèi)核和接口的用電需求，同時(shí)當(dāng)電源處于非工作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)，電流保持在1μA，既能保證芯片功能正常，還能降低能耗。另外，該型號的電源芯片能適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，可以在-10～95 ℃范圍溫度內(nèi)正常運(yùn)行，且芯片自帶溫度異常自動保護(hù)程序，一旦運(yùn)行環(huán)境溫度超出范圍，電源芯片自動啟動保護(hù)程序，切斷電源供給[3-4]。

基于系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，在電源芯片輸出端電壓產(chǎn)生一定波動時(shí)，為了保護(hù)電源系統(tǒng)芯片以及負(fù)載端元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以MAX708 芯片為核心的電源復(fù)位電路，復(fù)位電路圖見圖2，復(fù)位電路主要是將MAX708 芯片的引腳復(fù)位端與DSP 芯片的復(fù)位端相連，一旦DSP 電源芯片的任何一路輸出端電壓降低或升高到正常范圍之外后，復(fù)位電路的復(fù)位端口立即輸出一個(gè)低電平，使處理器芯片復(fù)位。

圖2 基于MAX708 芯片的DSP 電源復(fù)位電路

1.3 壓力信號采集電路

系統(tǒng)的壓力采集處理模塊由中航威斯特的AFG-50S 型壓力傳感器和AD7706 模數(shù)轉(zhuǎn)換器組合而成，主要實(shí)現(xiàn)立柱壓力信號的采集功能。AFG-50S型壓力傳感器檢測實(shí)時(shí)壓力并將壓力信號通過傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)器轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，AD7706 模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收到電壓信號后，對不同振幅電信號倍數(shù)的處理放大后，依靠內(nèi)部芯片實(shí)現(xiàn)電平信號自動校正，完成電平信號的十六位快速轉(zhuǎn)換為處理器識別的數(shù)字量信號，輸送給處理器完成壓力信號監(jiān)測。本系統(tǒng)采用的壓力信號采集處理模塊應(yīng)用高基準(zhǔn)電壓供電技術(shù)，相較傳統(tǒng)功能模塊，監(jiān)測與識別壓力信號精度更高。

煤礦用的液壓支架在移動或升降支架的時(shí)候，立柱的壓力變化較大，容易出現(xiàn)事故，因此本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)總思路為立柱壓力在出現(xiàn)異常以及在一定時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行信號采集與處理，當(dāng)立柱壓力變化不大時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)將處于休眠狀態(tài)，最大程度地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低以及監(jiān)測流程簡單化，液壓支架立柱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測程序流程示意圖見圖3。

圖3 液壓支架立柱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測程序流程示意圖

系統(tǒng)通電后，程序首先進(jìn)行協(xié)議、硬件初始化，初始化完成后，系統(tǒng)開始執(zhí)行既定流程。按照流程設(shè)定對各函數(shù)進(jìn)行調(diào)用、判斷、監(jiān)測、執(zhí)行，根據(jù)各函數(shù)運(yùn)算結(jié)果不斷輪詢，執(zhí)行對應(yīng)程序。本系統(tǒng)針對立柱壓力設(shè)定了不同的閾值，分別為壓力閾值和壓差閾值。將壓力采集處理模塊采集分析完成后的壓力值與閾值進(jìn)行對比，一旦監(jiān)測壓力值超過了壓力閾值范圍，則系統(tǒng)立即執(zhí)行開中斷程序，并將異常壓力值傳送到上位機(jī)；如果監(jiān)測壓力值在閾值范圍之內(nèi)，系統(tǒng)會對最近兩次的監(jiān)測壓力值做差值計(jì)算，如果差值超過設(shè)定壓差閾值，系統(tǒng)同樣立即執(zhí)行開中斷程序，并將異常壓力值傳送到上位機(jī)；如果各監(jiān)測壓力值都沒有超過設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)在完成定時(shí)監(jiān)測后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2 結(jié)論

1）系統(tǒng)采用TPS767D301 電源芯片，自動完成處理器內(nèi)核和接口供電電壓調(diào)整，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；

2）設(shè)計(jì)了系統(tǒng)閑時(shí)休眠程序，設(shè)定系統(tǒng)只在立柱壓力發(fā)生較大變化以及一定周期內(nèi)定時(shí)監(jiān)測兩種模式，避免壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的頻繁無效運(yùn)行；

3）液壓支架立柱實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，有效提升監(jiān)測效率，間接保障了液壓支架的運(yùn)行安全。