井下液壓支架壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王彬發(fā)

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽(yáng) 713500）

引言

隨著工作面埋深的加大，井下液壓支架所受地應(yīng)力越來(lái)越大[1]，為預(yù)防應(yīng)力過(guò)大對(duì)工作面造成的不良影響，做好對(duì)井下液壓支架壓力改變的監(jiān)測(cè)工作就顯得非常重要，而傳統(tǒng)的井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在有線組網(wǎng)規(guī)模小、壓力數(shù)據(jù)上傳不夠及時(shí)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題[2]。因此，對(duì)井下液壓支架壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化很有意義。

1 工程背景

小莊煤礦部分工作面井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線連接傳輸方式，傳感器采集液壓支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)電纜傳輸?shù)綁毫ΡO(jiān)測(cè)分站，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭簤罕O(jiān)測(cè)主機(jī)[3]。由于工作面環(huán)境比較惡劣，且工作面空間有限，電纜的放置與維護(hù)十分不便，當(dāng)電纜受落石破壞后，尋找和維修都會(huì)十分困難，導(dǎo)致液壓支架的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳。同時(shí)，有線組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式存在著組網(wǎng)規(guī)模小、壓力數(shù)據(jù)上傳不夠及時(shí)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

因此，針對(duì)有線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，選擇合適的井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化選擇

若有線壓力傳感器數(shù)據(jù)上傳不及時(shí)，液壓支架易在工作面惡劣環(huán)境的影響下產(chǎn)生故障，而無(wú)線壓力傳感系統(tǒng)可以有效解決這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)需要電纜傳輸數(shù)據(jù)的有線組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，無(wú)線壓力傳輸系統(tǒng)采用的是WaveMesh 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，安裝在液壓支架立柱上的無(wú)線壓力傳感的液體介質(zhì)作用到壓力探頭上會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，壓力探頭利用應(yīng)變?cè)韺毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入至AD7706。通過(guò)對(duì)AD7706 的PGA 編程控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同幅度輸入信號(hào)的1～128 倍放大，放大后的信號(hào)通過(guò)SPI 總線串行輸入至單片機(jī)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上并存至存儲(chǔ)電路，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信電路進(jìn)行傳輸（動(dòng)態(tài)路由算法選擇最合適的數(shù)據(jù)傳輸路徑）并匯集到無(wú)線監(jiān)測(cè)分站[4]，監(jiān)測(cè)分站采集數(shù)據(jù)完畢后，通過(guò)RS458 接口向監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。無(wú)線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液體介質(zhì)可以精確地監(jiān)測(cè)液壓支架壓力改變，無(wú)線通信電路可保證系統(tǒng)做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此，40309 工作面采用無(wú)線壓力傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作面液壓支架壓力變化情況。

3 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程

3.1 系統(tǒng)的組成

井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)主機(jī)、上位機(jī)軟件、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交換機(jī)、數(shù)據(jù)光端機(jī)、無(wú)線監(jiān)測(cè)分站、本質(zhì)安全型電源和無(wú)線壓力傳感器等組成，圖1 為無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 無(wú)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控主機(jī)對(duì)液壓支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交換機(jī)保障通訊及集控系統(tǒng)正常運(yùn)行；數(shù)據(jù)光端機(jī)實(shí)現(xiàn)“光-電”“電-光”信號(hào)相互轉(zhuǎn)換；無(wú)線監(jiān)測(cè)分站接收一組壓力傳感器的傳輸數(shù)據(jù)；本質(zhì)安全型電源保證系統(tǒng)斷電后正常運(yùn)行；無(wú)線壓力傳感器監(jiān)測(cè)液壓支架壓力變化情況，并將搜集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[5]。

3.2 系統(tǒng)的工作流程

40309 工作面液壓支架壓力傳感器分別安裝在ZF14000/21/40D 液壓支架的左右支架控制閥上，系統(tǒng)接通電源后，各部分開(kāi)始工作。首先由無(wú)線壓力傳感器采集液壓支架支柱壓力的數(shù)據(jù)（通過(guò)測(cè)量油壓力換算出支架或支柱的工作阻力），然后通過(guò)壓力信號(hào)采集電路將采集到的液壓支架的壓力變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)搜集的不同幅度的電信號(hào)進(jìn)行不同程度的放大，放大后的信號(hào)通過(guò)SPI 總線串行輸入至單片機(jī)，再在單片機(jī)電路中對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析處理，然后通過(guò)無(wú)線通信電路將數(shù)據(jù)以無(wú)線電波的形式傳給監(jiān)測(cè)分站，監(jiān)測(cè)分站與傳感器的無(wú)線通信采用群呼方式，監(jiān)測(cè)分站先向全網(wǎng)進(jìn)行幀群發(fā)，各傳感器收到命令后觸發(fā)中斷，將自身數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)分站，當(dāng)液壓支架壓力值超過(guò)安全范圍后系統(tǒng)開(kāi)始預(yù)警，確保液壓支架工作阻力在安全閾值范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)分站通過(guò)RS485 總線與光纖環(huán)網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)上傳到液壓監(jiān)測(cè)主機(jī)，系統(tǒng)在上位機(jī)軟件的支持下，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)井下采集數(shù)據(jù)的顯示、統(tǒng)計(jì)、分析、查詢、打印和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4 無(wú)線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 無(wú)線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

各液壓支架無(wú)線壓力傳感器可互相自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)，可有效防止外來(lái)無(wú)線干擾，保證相互間不受影響，即使系統(tǒng)中部分傳感器存在因故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)那闆r，也不會(huì)影響其他傳感器的正常運(yùn)行；可避免因工作面惡劣環(huán)境導(dǎo)致有線電纜損壞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)遺漏現(xiàn)象，且數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器，可防止因系統(tǒng)程序更新或是傳感器發(fā)生故障后導(dǎo)致的前期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失的情況，液壓支架的壓力改變數(shù)據(jù)在無(wú)需無(wú)線傳輸部分采用光纜傳輸，數(shù)據(jù)先通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬟f至無(wú)線監(jiān)測(cè)分站，然后傳輸至壓力監(jiān)測(cè)主機(jī)，以保證數(shù)據(jù)在井下傳送到井上過(guò)程中的穩(wěn)定性，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

4.2 無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用效果

為驗(yàn)證優(yōu)化后系統(tǒng)的應(yīng)用效果，觀測(cè)小莊煤礦40309 工作面液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效果。工作面采用123 架ZF14000/21/40D 放頂煤支架，每隔5 架安裝一組傳感器，分別安裝在液壓支架的左右支架控制閥上，共24 組傳感器（一組2 個(gè)）。取各液壓支架壓力監(jiān)測(cè)平均值繪制液壓支架壓力監(jiān)測(cè)圖，回采期間液壓支架壓力監(jiān)測(cè)圖如圖2 所示。

圖2 液壓支架壓力監(jiān)測(cè)圖

由圖2 可知，在初次來(lái)壓及周期來(lái)壓期間，液壓支架所受工作阻力劇增。表1 為來(lái)壓期間工作面支架支護(hù)阻力表。

表1 40309 工作面支架支護(hù)阻力表

由表1 可知，工作面初次來(lái)壓步距為33 m，液壓支架最大工作阻力為12 170 kN；5 次周期來(lái)壓的步距在23.2～25.6 m 范圍，液壓支架最大工作阻力分別為9 178 kN、9 541 kN、9 436 kN、9 760 kN、8 993 kN，工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的液壓支架壓力數(shù)據(jù)與通過(guò)無(wú)線壓力傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測(cè)主機(jī)的數(shù)據(jù)一致，來(lái)壓期間液壓支架數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確有效的實(shí)時(shí)傳輸，且在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，并未出現(xiàn)因系統(tǒng)數(shù)據(jù)造成的判斷失誤、顯示不正確等問(wèn)題，監(jiān)測(cè)監(jiān)控、上傳準(zhǔn)確有效。

5 結(jié)論

1）為解決有線組網(wǎng)井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)困難、數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)的問(wèn)題，40309 工作面采用無(wú)線壓力傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作面液壓支架壓力變化。

2）無(wú)線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄毫鞲衅鞯谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)分站，進(jìn)而傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行處理分析。

3）將優(yōu)化后的井下液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在小莊煤礦工作面回采過(guò)程中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、上傳準(zhǔn)確、有效且及時(shí)。