煤礦液壓支架形態(tài)實時監(jiān)測技術研究

程 剛，趙晉紅

(1.晉城煤業(yè)集團 古書院礦人力資源部職工教育培訓中心，山西 晉城 048000；2.山西晉煤集團 晟泰能源投資有限公司技術服務分公司，山西 晉城 048000)

煤炭作為我國主體能源地位在長時間內不會改變，影響著經濟的可持續(xù)發(fā)展和能源安全。我國煤礦逐漸實現智能化開采，液壓支架作為采煤工作面的關鍵裝備，其智能水平和可靠性直接影響著工作面的安全生產。現有液壓支架電控系統(tǒng)對液壓支架監(jiān)測功能不完善，僅能監(jiān)測推移位移和立柱壓力。目前，國內對液壓支架的研究主要集中在電液控制技術方面，對其形態(tài)的研究甚少。近年來，國內外學者對煤礦液壓支架形態(tài)實時監(jiān)測技術進行了諸多研究。如文獻[1]以掩護式支架為研究對象，對支架形態(tài)監(jiān)測與控制的重要性進行了分析，設計了基于液壓支架電液控制系統(tǒng)的支架形態(tài)動態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，對綜采工作面的實際使用進行驗證，結果證明該系統(tǒng)可有效控制支架工作在較佳的工況下；文獻[2]提出了一種基于馬爾科夫理論的支架形態(tài)預測方法，實現了液壓支架移架過程中對下一個支護狀態(tài)相關形態(tài)參數的預測，此方法可以提供誤差較小的預測結果。國內外關于液壓支架形態(tài)監(jiān)測技術的分析，雖然取得了一定的成就，但是仍存在一定的問題：液壓支架形態(tài)參數監(jiān)測精度不高、液壓支架形態(tài)參數監(jiān)測還不夠全面、液壓支架形態(tài)測量模型不夠完善等。鑒于此，本文研究了煤礦液壓支架形態(tài)實時監(jiān)測技術，分析了液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測參數，設計了液壓支架形態(tài)監(jiān)測總體結構、硬件部分和軟件部分。研究為液壓支架的智能控制奠定了基礎。

1 液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測參數

1.1 液壓支架概況

液壓支架是綜采工作面的重要參數，其正常工作是綜采工作面安全高效生產的前提。液壓支架主要由后連桿、前連桿、推桿、推移液壓缸、底座、立柱、掩護梁、平衡千斤頂、頂梁、前梁千斤頂、前梁、護幫千斤頂、護幫板等[3-4]。液壓支架形態(tài)調節(jié)原理如圖1所示。

圖1 液壓支架形態(tài)調節(jié)原理Fig.1 Principle of hydraulic support shape adjustment

1.2 液壓支架形態(tài)監(jiān)測參數

根據煤礦液壓支架底座的形態(tài)角度的不同，把煤礦液壓支架分為底座前端抬頭形態(tài)、底座前端低頭形態(tài)、底座水平形態(tài)3大類。結合實際工況中液壓支架形態(tài)監(jiān)測要求，將液壓支架形態(tài)監(jiān)測參數分為3個：液壓支架頂梁的俯仰角度、液壓支架支護高度和液壓支架底座的俯仰角度[5-6]。

2 總體結構設計

根據液壓支架形態(tài)監(jiān)測參數，設計了液壓支架形態(tài)監(jiān)測總體結構，主要包括液壓支架形態(tài)數據的管理、處理和采集。系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控模塊、形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊[7-8]。液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成部分如圖2所示。其中，遠程監(jiān)控模塊和形態(tài)監(jiān)測模塊依靠CAN總線相連，慣性測量單元模塊和形態(tài)監(jiān)測模塊依靠RS-232串口相連，傾角傳感器模塊和形態(tài)監(jiān)測模塊依靠SPI接口相連。

圖2 液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成部分Fig.2 Components of the hydraulic support form monitoring system

3 硬件設計

根據液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結構設計，在系統(tǒng)硬件設計部分，主要設計形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊[9-12]。

(1)形態(tài)監(jiān)測模塊硬件設計。主要包括功能模塊的組成、模塊PCB和關鍵節(jié)點接口電路。形態(tài)監(jiān)測模塊的功能模塊主要包括中央微處理器、復位開關、SWD接口、電源模塊接口、RS232串口、SPI接口和其他預留接口。根據液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的處理速度和處理數據量的要求，本文選用STM32F103ZET6型芯片作為中央微處理器，SD卡驅動芯片選擇CH376S型文件管理芯片，Ethernet接口選擇ENC28J60型以太網收發(fā)芯片；CAN總線接口選用TJA1050型收發(fā)芯片。

(2)傾角傳感器模塊硬件設計。本文選擇SCA100T-D02型傾角傳感芯片作為傾角傳感器。該芯片能夠檢測2個維度，分辨率為0.002 5°。雙軸傾角傳感器SCA100T-D02芯片接口電路如圖3所示。

圖3 雙軸傾角傳感器SCA100T-D02芯片接口電路Fig.3 Dual-axis tilt sensor SCA100T-D02 chip interface circuit

(3)慣性測量單元模塊硬件設計。慣性測量單元模塊選擇MPU6050型整體性6軸運動處理組件。該芯片集成三軸陀螺儀和三軸加速度計，分別對應16位A/D轉換器。慣性測量單元MPU6050芯片接口電路如圖4所示。

圖4 慣性測量單元MPU6050芯片接口電路Fig.4 Inertial measurement unit MPU6050 chip interface circuit

4 軟件設計

根據液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結構設計，在系統(tǒng)軟件設計部分，主要包括形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的軟件設計。

(1)形態(tài)監(jiān)測模塊軟件設計。主要包括液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數據流和形態(tài)監(jiān)測模塊數據發(fā)送機制2部分。本文僅介紹液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數據流流程(圖5)。

圖5 液壓支架形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數據流流程Fig.5 Data flow process of hydraulic support form monitoring system

(2)傾角傳感器模塊軟件設計。傾角傳感器模塊軟件設計主要包括數據發(fā)送機制和數據發(fā)送協(xié)議的設計。傾角傳感器模塊液壓支架形態(tài)監(jiān)測數據發(fā)送協(xié)議見表1。表1中，2個軸(x軸、y軸)的輸出數據由4個字節(jié)組成，第1和第2字節(jié)表示協(xié)議的數據類型和協(xié)議長度；第3字節(jié)和第4字節(jié)代表傾角傳感器模塊在2個軸的形態(tài)角數據。其中，第3字節(jié)代表數據高位，第4字節(jié)代表數據低位。

表1 傾角傳感器模塊液壓支架形態(tài)監(jiān)測數據發(fā)送協(xié)議Tab.1 Inclination sensor module hydraulic support attitude monitoring data transmission protocol

(3)慣性測量單元模塊軟件設計。慣性測量單元模塊軟件設計主要包括數據發(fā)送機制和數據發(fā)送協(xié)議的設計。在液壓支架形態(tài)監(jiān)測過程中，慣性測量單元模塊數據發(fā)送框架如圖6所示。

圖6 慣性測量單元模塊數據發(fā)送框架Fig.6 Inertial measurement unit module data transmission framework

5 模塊通信接口調試

根據形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的硬件和軟件設計，對監(jiān)測系統(tǒng)進行了模塊調試，主要為通信接口的調試，包括形態(tài)監(jiān)測模塊和2類傳感器模塊的連接、液壓支架控制器和形態(tài)監(jiān)測模塊的連接。形態(tài)傳感器模塊調試如圖7(a)所示，液壓支架控制器和形態(tài)監(jiān)測模塊連接調試如圖7(b)所示。

圖7 模塊通信接口調試Fig.7 Module communication interface debugging

6 結論

根據液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測參數，設計了液壓支架形態(tài)監(jiān)測總體結構，包括遠程監(jiān)控模塊、形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊組成，研究了形態(tài)監(jiān)測模塊、傾角傳感器模塊和慣性測量單元模塊的硬件和軟件設計及監(jiān)控系統(tǒng)的調試。