段紅民 鄧占峰 侯會(huì)平 鄧鐵六

（1.北京天地華泰采礦工程技術(shù)有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.泰安弘謙泰電子有限責(zé)任公司，山東省泰安市，271019；3.淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司許廠煤礦，山東省濟(jì)寧市，272173）

為了防治頂板災(zāi)害，保障安全生產(chǎn)，國(guó)家要求煤礦改革采煤方法和采煤工藝、加強(qiáng)支護(hù)和完善頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)有礦壓和沖擊地壓災(zāi)害的礦井配備預(yù)警系統(tǒng)，而采煤工作面支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成之一。發(fā)生頂板事故的原因一方面是由于對(duì)頂板活動(dòng)和支架受力情況掌握不及時(shí)，另一方面是綜采支架設(shè)備和采煤技術(shù)發(fā)展不匹配，我國(guó)綜采工作面采煤機(jī)的平均開機(jī)率只有30%左右，影響開機(jī)率的一個(gè)主要因素就是支架對(duì)工作面的頂板控制不好，基于此設(shè)計(jì)開發(fā)了一套支架工況無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 支架工況監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及研究目標(biāo)

目前，各采煤工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即工作面上各壓力分機(jī)之間以及分機(jī)與監(jiān)測(cè)主站之間采用電纜連接，壓力數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳輸實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。隨著采煤的推進(jìn)，綜采支架和超前支架需要不斷地向前移架，移架過(guò)程容易拉斷或擠斷監(jiān)測(cè)分機(jī)之間的電纜、監(jiān)測(cè)分機(jī)與主站之間的電纜以及對(duì)監(jiān)測(cè)分站供電電纜等信號(hào)傳輸電纜，導(dǎo)致發(fā)生信號(hào)傳輸故障，進(jìn)而導(dǎo)致支架工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷。出現(xiàn)電纜拉斷故障后，故障點(diǎn)多數(shù)在電纜外皮內(nèi)，查找與定位維護(hù)困難，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳到地面，從而不能及時(shí)地掌握支架的工況情況，給礦井安全帶來(lái)了極大的隱患。

本文基于振弦傳感器理論和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs技術(shù)，研制了一套適合于煤礦生產(chǎn)實(shí)際的振弦式煤礦支架工況無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，徹底解決因工作面監(jiān)測(cè)設(shè)備連接電纜的拉／擠斷所帶來(lái)的系列問(wèn)題，保證支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地上傳至地面計(jì)算機(jī)。

2 KJ621支架工況無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用振弦傳感技術(shù)采集和計(jì)算支架壓力信息，安裝在采煤工作面液壓支架上的各數(shù)字壓力表 （帶2只振弦傳感器）按一定周期自動(dòng)采集支架前柱和后柱的壓力數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行處理、分析、顯示并存儲(chǔ)壓力數(shù)據(jù)。每一周期壓力表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中繼器或以多跳的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站，再經(jīng)光纜或電纜接入工業(yè)以太網(wǎng)，然后上傳至地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器，運(yùn)行的KJ621監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件同期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制出實(shí)時(shí)模擬曲線。KJ621監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件同時(shí)可以查詢到支架運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，從而可掌握工作面的壓力變化趨勢(shì)，進(jìn)而為分析來(lái)壓規(guī)律等提供依據(jù)。根據(jù)采煤工作面的長(zhǎng)度和拐彎情況，布置多個(gè)無(wú)線中繼器，組成以中繼器為核心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成工作面數(shù)據(jù)的采集和傳輸，KJ621支架工況監(jiān)測(cè)無(wú)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 KJ621支架工況監(jiān)測(cè)無(wú)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 KJ621支架無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

井下采煤工作面的各監(jiān)測(cè)設(shè)備組成無(wú)線壓力表網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)位置不變，采用直線式星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各無(wú)線節(jié)點(diǎn) （壓力表、中繼器、監(jiān)測(cè)分站）工作由各自內(nèi)部時(shí)鐘控制。為了消除時(shí)鐘芯片誤差，設(shè)計(jì)確定以1＃中繼器的時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)，事先用北京時(shí)間校準(zhǔn)，帶到工作面用1＃中繼器調(diào)整其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，開啟無(wú)線系統(tǒng)工作，以后每到規(guī)定時(shí)刻 （如5min的整數(shù)倍），時(shí)鐘喚醒井下各無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作一次，具體控制實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）1＃中繼器每到規(guī)定時(shí)刻被喚醒，發(fā)時(shí)鐘同步信號(hào)，同步工作面各無(wú)線節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)鐘；

（2）由最大編號(hào) （離分站最遠(yuǎn)）的壓力表到1＃壓力表，依次每隔2s向最近的主管中繼器無(wú)線發(fā)送編號(hào)和兩個(gè)壓力數(shù)據(jù)；

（3）最大編號(hào)中繼器將獲得的其主管的壓力表數(shù)據(jù)發(fā)給編號(hào)小1 的中繼器，依此類推，直到N個(gè)壓力表數(shù)據(jù)全部集中到1＃中繼器；

（4）1＃中繼器先存貯數(shù)據(jù)，而后呼叫監(jiān)測(cè)分站，將這一循環(huán)的起始時(shí)間和各壓力表采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)分站，收到監(jiān)測(cè)分站回應(yīng)OK 后休眠；

（5）監(jiān)測(cè)分站收到所有壓力表數(shù)據(jù)并存貯后呼叫地面微機(jī)，將這一循環(huán)的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面監(jiān)測(cè)微機(jī)；

（6）地面微機(jī)采用多線程異步通信方式，實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)分站上傳的數(shù)據(jù)，一個(gè)線程分析和存貯數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)庫(kù)，另一個(gè)線程將各支架壓力實(shí)時(shí)顯示在模擬圖上，繪制各支架壓力-時(shí)間曲線和支架壓力-空間分布曲線，便于值班人員隨時(shí)觀察，以便及時(shí)了解工作面支架受力分布情況。

2.2 YHY60 W 數(shù)字壓力表設(shè)計(jì)

YHY60W 數(shù)字壓力表結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。時(shí)鐘喚醒MCU 后，電路上電，振弦壓力傳感器的鋼弦被激發(fā)振動(dòng)，激發(fā)電路輸出頻率為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，直接引到MCU，MCU 以多倍周期法快速準(zhǔn)確地測(cè)量頻率，并按振弦傳感器精確數(shù)學(xué)模型計(jì)算支架的壓力值P1和P2，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯、分析處理和顯示，若壓力值超限則立即報(bào)警。到規(guī)定的時(shí)刻，MCU 通過(guò)無(wú)線通信方式將壓力值P1和P2發(fā)送給相關(guān)中繼器，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)工作周期。

圖2 YHY60W 數(shù)字壓力表結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 振弦壓力變送器

為了改進(jìn)振弦傳感器的性能，提出了標(biāo)準(zhǔn)二次拋物線模型P=A （f2-f02）+B （f-f0），該模型能夠使擬合準(zhǔn)確度大幅提高，而且具有調(diào)零去皮和溫漂修正功能（即將皮重或某溫度對(duì)應(yīng)頻率做為f0）。在其指導(dǎo)下，開發(fā)了恒流輸出自激型弱激發(fā)鋼弦激發(fā)電路。進(jìn)一步改進(jìn)了傳感器液壓承載結(jié)構(gòu)，首創(chuàng)了彈性膜居中的H 型壓力膜，消除了其他彈性形變影響，增強(qiáng)了液壓安全性。根據(jù)以上3個(gè)方面的改進(jìn)，試驗(yàn)制做了16只振弦傳感器，標(biāo)定后誤差都符合高準(zhǔn)確度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)，其性能見(jiàn)表1。

表1 16只振弦壓力傳感器性能表 （環(huán)境溫度：21℃）

由表1可見(jiàn)，最大綜合誤差為0.2%FS，最大滯后誤差為-0.28%FS，這使振弦壓力傳感器進(jìn)入高準(zhǔn)確度壓力傳感器行列。

2.2.2 YHY60 W 數(shù)字壓力表軟件工作流程

YHY60W 數(shù)字壓力表上電后，初始化各硬件設(shè)備與中繼器進(jìn)行時(shí)鐘同步，然后按固定的周期（如5min）進(jìn)行工作，在每一個(gè)工作周期過(guò)程中，時(shí)鐘喚醒各電路進(jìn)入工作狀態(tài)，采集二只振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)值，濾波后進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示，然后將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)中繼器路由無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站，收到監(jiān)測(cè)分站回應(yīng)OK 后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一工作周期的到來(lái)。YHY60W 數(shù)字壓力表軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，軟件工作流程圖如圖3所示。

2.3 KJ621-Z無(wú)線中繼器

無(wú)線中繼器設(shè)計(jì)為礦用本質(zhì)安全型，采用3.6V鋰電池經(jīng)本安設(shè)計(jì)電路供電，符合GB3836標(biāo)準(zhǔn)要求。無(wú)線中繼器接受采集儀的指令后，設(shè)置中繼器編號(hào)、時(shí)鐘和工作周期，主要功能如下：

（1）1＃中繼器是工作面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心，起到控制與協(xié)調(diào)作用，以它的時(shí)鐘為基準(zhǔn)，同步工作面所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時(shí)鐘，各壓力表采集的支架工況信息經(jīng)它的路由無(wú)線發(fā)送給監(jiān)測(cè)分站。

（3）其他中繼器主要用于路由跳轉(zhuǎn)，以延長(zhǎng)無(wú)線壓力表網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.4 KJ621-F監(jiān)測(cè)分站

監(jiān)測(cè)分站采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，采用127VAC供電，由隔爆外殼保護(hù)防爆性能，符合GB3836標(biāo)準(zhǔn)要求。內(nèi)設(shè)以太網(wǎng)控制模塊與光纖收發(fā)器進(jìn)行雙向通信，將定時(shí)采集的各壓力表數(shù)據(jù)經(jīng)光纜傳送到地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

監(jiān)測(cè)分站 （Sink 節(jié)點(diǎn)）一方面負(fù)責(zé)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，“握手”成功后，才接收各壓力表節(jié)點(diǎn)采集的支架工況數(shù)據(jù)，否則予以清除，以免干擾進(jìn)入；另一方面將兩個(gè)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換，把無(wú)線接收的支架工況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到有線網(wǎng)絡(luò)上，完成與地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。監(jiān)測(cè)分站軟件采用C語(yǔ)言開發(fā)，具有網(wǎng)絡(luò)重發(fā)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)記、定時(shí)無(wú)線收發(fā)和消除干擾等功能。

圖3 YHY60W 數(shù)字壓力表軟件工作流程圖

2.5 YHC64數(shù)據(jù)采集儀

便攜式無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀是系統(tǒng)必要的功能補(bǔ)充設(shè)備，主要用于設(shè)置或修改無(wú)線壓力表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)和時(shí)鐘校準(zhǔn)，采集壓力表、1＃中繼器和監(jiān)測(cè)分站數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 接口輸入到地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

2.6 KJ621支架工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分運(yùn)用礦井自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)的各種設(shè)施及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面支架工況信息的監(jiān)控。KJ621支架工況無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C＃.NET2010+MSSQL 平臺(tái)開發(fā)，后臺(tái)線程監(jiān)聽各監(jiān)測(cè)分站，并異步接收上傳的數(shù)據(jù)，通信誤碼率小于10-8。前臺(tái)線程把采集來(lái)的各支架數(shù)據(jù)分析處理，做出實(shí)時(shí)壓力曲線和報(bào)表，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供管理人員查詢和調(diào)用。歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以方便生產(chǎn)指揮人員及時(shí)掌握井下作業(yè)信息，了解工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓情況，從而合理調(diào)度指揮生產(chǎn)。軟件設(shè)計(jì)符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT209和MT210煤礦通信、檢測(cè)、控制用電工電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體要求。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置測(cè)試及結(jié)果分析

該無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦4318 工作面進(jìn)行了3 個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)，4318工作面開切眼位置距離井下以太網(wǎng)接入設(shè)備約為5km，監(jiān)測(cè)分站安裝在軌順端頭的超前支架上，采用光纜接入430泵房環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，進(jìn)入礦井以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫘畔⒅行姆?wù)器。由于4318工作面存在金屬支架和采煤機(jī)等設(shè)備，無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度衰減較大，所以將無(wú)線收發(fā)頻率提高到470 MHz，通信距離能達(dá)到50 m，為了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，采用每隔40m 設(shè)置一個(gè)中繼器組網(wǎng)的方式，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸。上位機(jī)軟件記錄的某一時(shí)刻10個(gè)液壓支架前后柱的壓力值見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際測(cè)試支架壓力數(shù)據(jù) MPa

由表2 可以看出，壓力值在24～30 MPa的正常變化范圍，從實(shí)時(shí)顯示的10 個(gè)支架壓力數(shù)據(jù)來(lái)看，相鄰支架的壓力變化不明顯，所以可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)行分組，每8～10個(gè)支架安裝一個(gè)YHY60W 數(shù)字壓力表，既可以降低系統(tǒng)費(fèi)用，又可以解決因采集點(diǎn)過(guò)于密集、數(shù)據(jù)量大帶來(lái)的數(shù)據(jù)上傳速度瓶頸和能耗大的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)上位機(jī)提供的歷史數(shù)據(jù)曲線，可以方便掌握工作面周期來(lái)壓規(guī)律、升降架次數(shù)和壓力變化趨勢(shì)等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研究開發(fā)了振弦式煤礦支架工況無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的振弦傳感技術(shù)采集、計(jì)算和分析處理各支架壓力信息，并在采煤工作面組成無(wú)線壓力表網(wǎng)絡(luò)，完成支架工況信息的采集、無(wú)線傳輸和分析處理，解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信電纜隨采煤推進(jìn)出現(xiàn)的拉斷問(wèn)題，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和及時(shí)上傳。研制出的KJ621煤礦支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件方便管理人員及時(shí)掌握采煤工作面礦壓規(guī)律，為礦井的信息化打下基礎(chǔ)。

作為功能的擴(kuò)展，可以考慮在每個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上加入瓦斯傳感器、溫度傳感器以及煙霧和灰塵濃度等傳感器，這樣可以全面獲得工作面的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，從而更加有效地保障煤礦的安全生產(chǎn)。

［1］ 鄧鐵六，趙勝利，趙振遠(yuǎn)等.高準(zhǔn)確度振弦式傳感器研究 ［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010 （1）

［2］ 催玉亮，鄧鐵六，于鳳.諧振式傳感器理論及測(cè)試技術(shù) ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997

［3］ 秦邦振，秦杰.副井摩擦式提升機(jī)載荷無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2010 （10）

［4］ 武蘊(yùn)濤，鄭豐隆.ZJ-1 型綜采支架工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.煤礦自動(dòng)化，1995 （2）

［5］ 李崢，陳得寶.基于WSN 的工作面液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 ［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010 （6）

［6］ 王志敏.主井提升機(jī)載荷動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在九龍礦的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2009 （11）

［7］ 宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988

［8］ 孫利民，李建中，陳渝.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005