李媛媛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037001）

1 概況

四臺(tái)礦年生產(chǎn)能力為0.14 Mt，主要開采4、5 號煤層。礦井最高點(diǎn)標(biāo)高+1215 m，最低點(diǎn)標(biāo)高975 m，高差達(dá)到240 m 左右，屬于低中山區(qū)地形，總面積約1.1 km2。開采采用斜井開拓的方式，進(jìn)行長壁式采煤。目前開采的1024 工作面采用的液壓支架在綜采工作面的安裝空間受限，而綜采面的圍巖荷載大，液壓支架支護(hù)難度較大，即使完成支護(hù)也常出現(xiàn)姿態(tài)不合理情況，導(dǎo)致支護(hù)頂梁與巷道頂板接觸角度小，支護(hù)面貼合度不高，支護(hù)效果大大降低，還會(huì)使液壓支架某些結(jié)構(gòu)損壞，進(jìn)一步降低支護(hù)效果和支護(hù)穩(wěn)定性?；诖诉M(jìn)行井下液壓支架運(yùn)行狀態(tài)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研究[1-6]，將姿態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理并顯示在控制室上位機(jī)[7-10]，實(shí)時(shí)掌握支護(hù)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整不合理支護(hù)姿態(tài)，對綜采工作面的安全掘進(jìn)以及開采效率的提升意義重大。

2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)大致可以分為三個(gè)部分：液壓支架工作姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理顯示系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖1 所示。液壓支架工作姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是傾角傳感器和慣性測量單元，其中傾角傳感器分別安裝在液壓支架的頂梁、后連桿和底座上，主要采集這三個(gè)部位的傾斜角度。傾角傳感器和慣性測量單元分別獲取到各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過自身微處理芯片完成數(shù)據(jù)的識別與轉(zhuǎn)化，將4～20 mA 信號傳輸?shù)阶藨B(tài)監(jiān)測模塊中；姿態(tài)監(jiān)測模塊具有信號處理、管理與傳輸功能，接收到傳感器和測量單元的電流信號后，經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算處理，將液壓支架姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)管理顯示系統(tǒng)可識別的信號，通過CAN 總線傳輸?shù)奖O(jiān)控室上位機(jī)；姿態(tài)數(shù)據(jù)管理與顯示系統(tǒng)一方面為姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)提供上位機(jī)顯示功能，同時(shí)還具有監(jiān)測報(bào)警、控制信號輸入等作用，是客戶的數(shù)據(jù)管理終端系統(tǒng)。

圖1 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 液壓支架姿態(tài)測量模塊硬件設(shè)計(jì)

（1）慣性測量單元

為了便于安裝在井下液壓支架特定部位上，慣性測量單元不僅要體積小、功能全，還要能夠完全適應(yīng)井下惡劣的工況環(huán)境?；诖?，采用35 mm×20 mm 的PCB 板進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括SWD接口、RS232 串口、微型數(shù)據(jù)處理器和處理芯片。慣性測量單元處理芯片是核心部件，采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，該芯片集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，集成性能優(yōu)化度高，性價(jià)比高。芯片運(yùn)算系統(tǒng)采集通過AD 轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化端口電壓形成的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算，通過設(shè)定的運(yùn)算規(guī)則，測量獲取液壓支架的角速度和加速度值。MPU6050 芯片的接口電路設(shè)計(jì)如圖2，其中芯片的I2C 接口時(shí)鐘線SCL 和數(shù)據(jù)線SDA 接口分別與處理器控制接口連接，進(jìn)行系統(tǒng)角速度和加速度信息采集。

（2）傾角傳感器模塊

傾角傳感器模塊同樣要考慮到工作工況，采用50 mm×30 mm 的PCB 板進(jìn)行設(shè)計(jì)，傾角傳感器芯片選擇芬蘭VTI Technologies 公司的SCA100T-D02型芯片。該芯片精度能達(dá)到0.002°，可以同時(shí)進(jìn)行水平兩軸傾角監(jiān)測，芯片監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出為數(shù)字量信號，便于微型處理器的識別和計(jì)算。芯片接口電路如圖3 所示，工作電壓為5 V，其中MOSI、MISO、SCK 為SPI 通訊接口，芯片采集的傾角數(shù)字量信號通過芯片電路中的Axis_X 和Axis_Y 接口輸出。傾角傳感器模塊的測量軸安裝時(shí)要注意軸線平衡，最大程度降低兩測量軸的耦合影響，以提升模塊的測量精度。

圖3 SCA100T-D02 型傾角測量芯片接口電路圖

4 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測量模塊數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的慣性測量單元的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4。供電后慣性測量單元中的微型處理器自動(dòng)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，目的是將模塊中的定時(shí)器歸零，隨后通過芯片中的I2C 總線發(fā)送指令到MPU6050 型慣性測量芯片，使芯片中的三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀進(jìn)行校準(zhǔn)；發(fā)送標(biāo)注數(shù)據(jù)幀，對RS232 串口進(jìn)行檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1；如果發(fā)送失敗次數(shù)超過128，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，數(shù)據(jù)流程結(jié)束；如果數(shù)據(jù)幀在128 次之內(nèi)發(fā)送成功，進(jìn)行使能定時(shí)器，芯片運(yùn)算系統(tǒng)采集六軸端口電壓進(jìn)行液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，將計(jì)算結(jié)果輸出到姿態(tài)監(jiān)測模塊；如果發(fā)送不成功次數(shù)超多128 次，系統(tǒng)再次報(bào)警停機(jī)，如果發(fā)送成功則完成慣性測量數(shù)據(jù)的采集與處理。傾角傳感器模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送模式與慣性測量單元數(shù)據(jù)發(fā)送模式類似，主要不同在于：芯片與傳感器之間以及傾角傳感器與監(jiān)測模塊的通訊都采用了SPI 總線接口。

圖4 慣性測量單元模塊數(shù)據(jù)發(fā)送框架圖

5 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)效果，四臺(tái)礦在綜采工作面實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上搭建液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室上位機(jī)上安裝設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件，對1024 工作面液壓支架進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)。將系統(tǒng)姿態(tài)測量模塊安裝在液壓支架既定位置上，對傾角傳感器、慣性測量模塊以及姿態(tài)監(jiān)測主板、控制器以及上位機(jī)等相互通訊進(jìn)行調(diào)試，保證各模塊之間通訊通道暢通。液壓支架控制人員開始調(diào)整液壓支架動(dòng)作，待液壓支架姿態(tài)達(dá)到試驗(yàn)監(jiān)測位置時(shí)，停止液壓支架姿態(tài)動(dòng)作后，實(shí)驗(yàn)室人員通過上位機(jī)監(jiān)測對應(yīng)參數(shù)，與液壓支架實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以確定姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。上位機(jī)監(jiān)測界面如圖5。試驗(yàn)共進(jìn)行了15 輪，通過數(shù)據(jù)對比顯示，液壓支架頂梁角度監(jiān)測數(shù)據(jù)比實(shí)際數(shù)據(jù)平均偏差0.22°，支架底座角度平均偏差0.16°，支架支護(hù)高度平均偏差0.01 m，說明姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足應(yīng)用需求。

圖5 四臺(tái)礦液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)試驗(yàn)界面

6 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理顯示系統(tǒng)構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)液壓支架數(shù)據(jù)采集、處理與管理功能，監(jiān)測結(jié)果顯示在上位機(jī)上，當(dāng)液壓支架姿態(tài)超出預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

（2）慣性測量單元采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，傾角傳感器模塊選擇芬蘭VTI Technologies 公司的SCA100T-D02 型芯片，并對芯片接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對慣性測量單元和傾角傳感器模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）搭建液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行15 輪支架頂梁、底座角度和支架高度監(jiān)測，結(jié)果表明支架頂梁角度平均偏差0.22°，底座角度平均偏差0.16°，高度平均偏差0.01 m，系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)需求。