程 剛，趙晉紅

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

煤炭作為我國(guó)主體能源地位在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，影響著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和能源安全。我國(guó)煤礦逐漸實(shí)現(xiàn)智能化開采，液壓支架作為采煤工作面的關(guān)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(chǎn)。現(xiàn)有液壓支架電控系統(tǒng)對(duì)液壓支架監(jiān)測(cè)功能不完善，僅能監(jiān)測(cè)推移位移和立柱壓力。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)液壓支架的研究主要集中在電液控制技術(shù)方面，對(duì)其形態(tài)的研究甚少。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦液壓支架形態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了諸多研究。如文獻(xiàn)[1]以掩護(hù)式支架為研究對(duì)象，對(duì)支架形態(tài)監(jiān)測(cè)與控制的重要性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于液壓支架電液控制系統(tǒng)的支架形態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，對(duì)綜采工作面的實(shí)際使用進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)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(xiàn)[2]提出了一種基于馬爾科夫理論的支架形態(tài)預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了液壓支架移架過程中對(duì)下一個(gè)支護(hù)狀態(tài)相關(guān)形態(tài)參數(shù)的預(yù)測(cè)，此方法可以提供誤差較小的預(yù)測(cè)結(jié)果。國(guó)內(nèi)外關(guān)于液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)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(shù)監(jiān)測(cè)精度不高、液壓支架形態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)還不夠全面、液壓支架形態(tài)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析了液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，設(shè)計(jì)了液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)、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(chǔ)。

1 液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)

1.1 液壓支架概況

液壓支架是綜采工作面的重要參數(shù)，其正常工作是綜采工作面安全高效生產(chǎn)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(hù)梁、平衡千斤頂、頂梁、前梁千斤頂、前梁、護(hù)幫千斤頂、護(hù)幫板等[3-4]。液壓支架形態(tài)調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

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

1.2 液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)

根據(jù)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(jié)合實(shí)際工況中液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)要求，將液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)分為3個(gè)：液壓支架頂梁的俯仰角度、液壓支架支護(hù)高度和液壓支架底座的俯仰角度[5-6]。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，設(shè)計(jì)了液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)，主要包括液壓支架形態(tài)數(shù)據(jù)的管理、處理和采集。系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊[7-8]。液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成部分如圖2所示。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊依靠CAN總線相連，慣性測(cè)量單元模塊和形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊依靠RS-232串口相連，傾角傳感器模塊和形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊依靠SPI接口相連。

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

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分，主要設(shè)計(jì)形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊[9-12]。

(1)形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)。主要包括功能模塊的組成、模塊PCB和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)接口電路。形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的功能模塊主要包括中央微處理器、復(fù)位開關(guān)、SWD接口、電源模塊接口、RS232串口、SPI接口和其他預(yù)留接口。根據(jù)液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的處理速度和處理數(shù)據(jù)量的要求，本文選用STM32F103ZET6型芯片作為中央微處理器，SD卡驅(qū)動(dòng)芯片選擇CH376S型文件管理芯片，Ethernet接口選擇ENC28J60型以太網(wǎng)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(shè)計(jì)。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(cè)2個(gè)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(cè)量單元模塊硬件設(shè)計(jì)。慣性測(cè)量單元模塊選擇MPU6050型整體性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件。該芯片集成三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別對(duì)應(yīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器。慣性測(cè)量單元MPU6050芯片接口電路如圖4所示。

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

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，主要包括形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊的軟件設(shè)計(jì)。

(1)形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)。主要包括液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制2部分。本文僅介紹液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流流程(圖5)。

圖5 液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)。傾角傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制和數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議的設(shè)計(jì)。傾角傳感器模塊液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議見表1。表1中，2個(gè)軸(x軸、y軸)的輸出數(shù)據(jù)由4個(gè)字節(jié)組成，第1和第2字節(jié)表示協(xié)議的數(shù)據(jù)類型和協(xié)議長(zhǎng)度；第3字節(jié)和第4字節(jié)代表傾角傳感器模塊在2個(gè)軸的形態(tài)角數(shù)據(jù)。其中，第3字節(jié)代表數(shù)據(jù)高位，第4字節(jié)代表數(shù)據(jù)低位。

表1 傾角傳感器模塊液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議Tab.1 Inclination sensor module hydraulic support attitude monitoring data transmission protocol

(3)慣性測(cè)量單元模塊軟件設(shè)計(jì)。慣性測(cè)量單元模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制和數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議的設(shè)計(jì)。在液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，慣性測(cè)量單元模塊數(shù)據(jù)發(fā)送框架如圖6所示。

圖6 慣性測(cè)量單元模塊數(shù)據(jù)發(fā)送框架Fig.6 Inertial measurement unit module data transmission framework

5 模塊通信接口調(diào)試

根據(jù)形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊調(diào)試，主要為通信接口的調(diào)試，包括形態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)模塊的連接。形態(tài)傳感器模塊調(diào)試如圖7(a)所示，液壓支架控制器和形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊連接調(diào)試如圖7(b)所示。

圖7 模塊通信接口調(diào)試Fig.7 Module communication interface debugging

6 結(jié)論

根據(jù)液壓支架概況及形態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，設(shè)計(jì)了液壓支架形態(tài)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊組成，研究了形態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、傾角傳感器模塊和慣性測(cè)量單元模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試。