陳 斯,趙同彬,高建東,楊增汪

(1.徐州師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510;3.徐州礦務(wù)集團(tuán)龐莊煤礦安監(jiān)部,江蘇徐州 221141)

基于 ZigBee的綜采工作面頂板壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳 斯1,趙同彬2,高建東3,楊增汪1

(1.徐州師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510;3.徐州礦務(wù)集團(tuán)龐莊煤礦安監(jiān)部,江蘇徐州 221141)

基于 ZigBee協(xié)議棧,設(shè)計(jì)了一種礦井綜采工作面礦壓無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測(cè)工作面頂板壓力,經(jīng) ZigBee無線系統(tǒng)傳輸至地面上位機(jī)并通過 LabV IEW自動(dòng)繪制成壓力曲線圖,實(shí)現(xiàn)綜采工作面頂壓力的實(shí)時(shí)采集、測(cè)量、無線傳輸通信功能。

綜采工作面;壓力監(jiān)測(cè);無線傳輸

在煤礦的各類自然災(zāi)害中,頂板事故是煤礦的多發(fā)事故。資料顯示在煤礦生產(chǎn)中重大事故 40%以上由頂板事故引起[1-3]。因此,如何實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)頂板的壓力已經(jīng)成為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的研究重點(diǎn)[4]。

目前國(guó)內(nèi)礦井綜采工作面的頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用在液壓支架上安裝數(shù)字壓力計(jì),通過人工定期檢查壓力計(jì)數(shù)據(jù)并手工繪制曲線來分析頂板壓力的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5,6]。這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且無法體現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。近年來出現(xiàn)了在井下安裝壓力傳感器并敷設(shè)電纜來傳輸數(shù)據(jù)的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7],但是隨著工作面的推進(jìn),礦井結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化,高地壓作用會(huì)使巷道變形,對(duì)通信線路的延伸和維護(hù)帶來很大的困難。此外有線通信方式布線煩雜,勞動(dòng)強(qiáng)度較大,容易出現(xiàn)監(jiān)控盲點(diǎn)。一旦通信線路由于某種原因發(fā)生故障,整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可能癱瘓,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)目前礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足之處,以徐州礦務(wù)集團(tuán)龐莊煤礦 942綜采工作面為研究對(duì)象,提出了一種基于 ZigBee技術(shù)的綜采工作面頂板壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 頂板壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

龐莊煤礦 942綜采工作面位于井下 -620m水平采區(qū),工作面長(zhǎng) 100m,平均采高 3m,安裝液壓支架 70架。目前工作面采用指針式壓力計(jì)測(cè)量頂板壓力,通過人工讀表采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。新設(shè)計(jì)的無線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 綜采面壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)由壓力傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及井上監(jiān)控中心等部分組成。工作面安放 4個(gè)壓力傳感器,分別布置在 5號(hào)、25號(hào)、45號(hào)和 65號(hào)支架內(nèi),對(duì)頂板壓力實(shí)時(shí)采集。節(jié)點(diǎn)將采集到的實(shí)時(shí)信息通過無線方式傳送到路由器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收路由器發(fā)送過來的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理經(jīng)副井中的 RS485專用電纜將數(shù)據(jù)傳送至地面服務(wù)器,由連接在服務(wù)器的監(jiān)控設(shè)備對(duì)壓力信息數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析,同時(shí)繪制成實(shí)時(shí)圖形曲線。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器 3部分,如圖 2所示。系統(tǒng)主控制器件采用 Freescale公司新一代 ZigBee平臺(tái) SoC芯片MC13213,其采用 SIP技術(shù)在 9mm×9mm的 LGA封裝內(nèi)集成 1個(gè) 8位主控MCU和 1個(gè)低功耗射頻收發(fā)器。其中主控 MCU是 HCS08系列最新的MC9S08GT60,具有 64KB Flash和 4KB RAM,足夠存放 ZigBee的協(xié)議棧并運(yùn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序,其 CPU時(shí)鐘頻率高達(dá) 40MHz,能夠很好的支持高實(shí)時(shí)性的無線射頻模塊。射頻收發(fā)器工作在2.4GHz IS M頻段,設(shè)計(jì)構(gòu)架符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),可提供 250kb/s的數(shù)據(jù)吞吐率和 16個(gè)可選的信道。采用直接序列擴(kuò)頻的二進(jìn)制編碼方式,增強(qiáng)了抗干擾能力;采用數(shù)字相移鍵控調(diào)制技術(shù),大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率;采用免沖突的載波檢測(cè)多址接入機(jī)制,避免了數(shù)據(jù)傳輸過程中的沖突。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分,其硬件電路框圖如圖 3所示。主要包括電源、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、天線匹配電路、復(fù)位及時(shí)鐘等模塊。壓力傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后送到MC13213的 HCS08進(jìn)行處理,并經(jīng)射頻模塊將信號(hào)發(fā)送出去。

壓力數(shù)據(jù)的采集采用 sns/dmd/c型壓力傳感器。安裝在液控單向閥和立柱下腔之間,檢測(cè)立柱下腔的壓力。sns/dmd/c礦用本安型壓力傳感器為全不銹鋼圓柱型結(jié)構(gòu),體積小,重量輕,使用方便,適用于煤礦井下惡劣的環(huán)境。其壓力測(cè)量范圍最高達(dá)到 66MPa,零點(diǎn)輸出 0.2mA(0MPa),滿量程輸出小于 1.3mA (60MPa)。sns/dmd/c壓力傳感器采用壓阻應(yīng)變的 4個(gè)金屬濺射電阻組成電橋電路,如圖 4所示。R1,R2,R3和 R4為濺射在敏感元件彈性片上的電橋電阻,其中相對(duì)設(shè)置的一對(duì)電阻受壓,另一對(duì)受拉。流體介質(zhì)壓力直接作用在敏感元件的彈性體膜片上,使膜片產(chǎn)生變形,惠斯登電橋的電阻值發(fā)生變化 R1R3≠R2R4,電橋失去平衡,輸出與壓力成正比的電信號(hào)。此電信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器 AD620放大后接到MC13213的 AD1P0端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖3 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

圖4 壓力傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位端軟件設(shè)計(jì)

下位端軟件主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、路由器轉(zhuǎn)發(fā)及協(xié)調(diào)器采集 3部分。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),接收來自于路由器的數(shù)據(jù),開啟空閑通道等功能。而路由器與壓力傳感器節(jié)點(diǎn)功能相似,主要負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)、周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。圖 5所示為壓力傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。首先網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電初始化 ZigBee協(xié)議棧,進(jìn)行信道掃描,選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),開啟一個(gè)網(wǎng)絡(luò),等待其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)上電初始化后,首先進(jìn)行信道掃描,尋找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并申請(qǐng)加入,如果沒有加入成功,則重新加入網(wǎng)絡(luò),直到收到響應(yīng)信號(hào),獲得 16位的網(wǎng)絡(luò)地址,則加入網(wǎng)絡(luò)成功。然后協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通道的綁定,分別執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的函數(shù)。

圖5 傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程

3.2 上位端軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用軟件 LabV IEW設(shè)計(jì)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面,通過 RS485總線與下位機(jī)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊,實(shí)時(shí)接收下位機(jī)采集到的頂板壓力數(shù)據(jù),并繪成曲線圖,其界面如圖 6所示。

圖6 頂板壓力監(jiān)測(cè)界面

界面可以實(shí)時(shí)顯示頂板的壓力數(shù)值、實(shí)時(shí)繪制壓力曲線、歷史壓力數(shù)據(jù)及迄今為止整個(gè)壓力曲線圖,同時(shí)可以外接打印機(jī)打印壓力數(shù)據(jù)表。另外可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定最大壓力上限值,當(dāng)頂板壓力值超過此上限時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)生報(bào)警。

4 工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果

根據(jù) 5個(gè)多月的試驗(yàn),942綜采工作面的液壓支架最大工作阻力為 52.16MPa,最小工作阻力為16.2MPa。初次來壓平均步距為 28m,最大周期來壓步距為 25m,最小周期來壓步距為 16m,周期來壓平均步距為 22m,如表 1所示。

表1 942工作面來壓步距

5 結(jié)論

針對(duì)目前煤礦頂板壓力監(jiān)測(cè)的不足,結(jié)合龐莊煤礦高壓力實(shí)際情況,將 ZigBee無線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于 942綜采工作面。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等特點(diǎn),大大節(jié)省了人力和時(shí)間。此外,本系統(tǒng)還可以與瓦斯、煤塵等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)融為一體,經(jīng)服務(wù)器與局域網(wǎng)相連,整個(gè)礦務(wù)局經(jīng)局域網(wǎng)均可觀測(cè)到監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]劉 亮,劉 毅,劉明舉 .2002～2003年我國(guó)煤礦死亡事故統(tǒng)計(jì)分析 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(1)：7-9.

[2]劉叢喜 .采煤工作面頂板事故分析與預(yù)防 [J].煤炭技術(shù),2009,28(7)：169-170.

[3]盧振龍,盧國(guó)斌 .礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控概述 [J].煤炭技術(shù),2008,27(11)：85-86.

[4]蔣 磊,江 敏 .基于 ZigBee技術(shù)的礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].科技傳播,2010,(12)：207.

[5]李志強(qiáng),董慧群.朝陽煤礦礦壓觀測(cè)與分析 [J].煤礦支護(hù),2009,(4)：36-38.

[6]張 劍 .綜采工作面新型礦壓監(jiān)測(cè)儀器在中興煤礦的應(yīng)用[J].煤礦開采,2007,12(3)：73-74.

[7]付東波 .基于 uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程傳輸解決方案[J].煤礦開采,2010,15(4)：121-124.

[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

Wireless Monitoring System of Roof Pressure in Full-mechanized Mining Face Based on ZigBee

CHEN Si1,ZHAO Tong-bin2,GAO Jian-dong,3,YANG Zeng-wang1
(1.Physics&Electronic Engineering School,Xuzhou Normal University,Xuzhou 221116,China;2.Resources&Environment Engineering School,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266510,China;3.Safety Supervision Department,Xuzhou Mining Group,Xuzhou 221141,China)

Based on ZigBee protocol,a wireless monitoring system for underground pressure of full-mechanized mining face was designed.The system could monitor roof pressure of mining face and transmit it to surface by pressure sensors and automatically plot pressure curve by LabV IEW.It realized real-time data collection,monitoring and wireless trans mission of roof pressure in full-mechanized mining face.

full-mechanized mining face;pressure monitoring;wireless transmission

TD323

A

1006-6225(2011)02-0107-03

2010-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51004068)

陳 斯 (1973-),男,江蘇宿遷人,講師,碩士,主要從事嵌入式系統(tǒng)及模擬集成電路的設(shè)計(jì)、研究與教學(xué)。