李偉

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤炭是全球范圍的重要資源，在世界能源可采儲(chǔ)量中占據(jù)一定比例，其工業(yè)發(fā)展前景良好。在煤炭開采的過程中，因其環(huán)境較為復(fù)雜，安全隱患也較多，因此導(dǎo)致安全問題時(shí)有發(fā)生[1]。沖擊地壓作為煤礦開采中的一種較為典型的地質(zhì)災(zāi)害，給煤礦生產(chǎn)安全帶來了很大的隱患。隨著煤礦工作深度和廣度的增加，煤礦沖擊地壓事故時(shí)有發(fā)生，當(dāng)煤巖體瞬間釋放彈性變形能，造成煤巖體失穩(wěn)并產(chǎn)生動(dòng)力，形成沖擊地壓時(shí)，嚴(yán)重危害煤礦安全生產(chǎn)和工人生命安全[2-4]。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，智能化開采是煤炭工業(yè)發(fā)展的方向，也是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然要求，增強(qiáng)煤礦智能化建設(shè)是大勢所趨[5-6]。

在防治沖擊地壓的方法中，鉆孔卸壓因?yàn)楹喴椎牟僮餍约拜^低的成本，可以有效地釋放圍巖應(yīng)力，防止沖擊地壓的發(fā)生，得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。例如，朱斯陶等[9]在掘進(jìn)迎頭增加多組迎頭斜上方卸壓鉆孔后，有效控制了沖擊地壓的發(fā)生。王勝等[10]通過大直徑鉆孔卸壓和爆破解危進(jìn)行了沖擊地壓的預(yù)防，結(jié)果顯示卸壓效果良好。李國玉等[11]通過大直徑鉆孔卸壓，驗(yàn)證了鉆孔卸壓可以降低沖擊危險(xiǎn)，具有良好的卸壓效果。

為了響應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢，預(yù)防煤礦沖擊地壓意外發(fā)生，設(shè)計(jì)了鉆孔卸壓感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA和LabVIEW相結(jié)合，多通道實(shí)時(shí)高精度采集，在LabVIEW上實(shí)現(xiàn)顯示，且可判斷鉆孔卸壓后的卸壓效果是否達(dá)到預(yù)期。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框架主要由LabVIEW作為上位機(jī)，F(xiàn)PGA作為核心主控制，2個(gè)8通道模擬多路選擇器74HC4051，3塊AD采集模塊HX711及3個(gè)壓力傳感器。系統(tǒng)擁有多通道數(shù)據(jù)采集功能，且每通道都具有24位的采集精度，總體架構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要的工作流程為：將壓力傳感器3個(gè)為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點(diǎn)為0點(diǎn)，XY、YZ和XZ三個(gè)空間面的壓力，接受相應(yīng)的電信號(hào)，并將電信號(hào)傳輸?shù)紿X711進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。HX711的128增益會(huì)先將接收的信號(hào)放大，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。3塊HX711的DOUT和PD_SCK分別連接在2塊74HC4051上，2塊74HC4051分別做時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的多路轉(zhuǎn)換選擇，然后將信號(hào)傳輸?shù)紽PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。FPGA將3個(gè)傳感器傳輸而來的數(shù)據(jù)組成以O(shè)A為前綴、OD為結(jié)尾，并進(jìn)行通道標(biāo)識(shí)傳輸給上位機(jī)LabVIEW。鉆孔卸壓時(shí)，在LabVIEW上，根據(jù)煤層所處具體環(huán)境情況，可以對(duì)所測卸壓位置設(shè)置需要達(dá)到的閾值，通過鉆孔卸壓，掌握鉆孔卸壓后煤層壓力大小，當(dāng)壓力警示燈從紅色變?yōu)榫G色時(shí)，說明鉆孔卸壓達(dá)到了預(yù)期效果。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 HX711功能模塊

AD采集模塊選用的是HX711芯片，工作電壓為5 V，該芯片是一款精度為24 位的高精度A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。當(dāng)實(shí)時(shí)采集到傳感器上的電壓信號(hào)時(shí)，信號(hào)通過A通道進(jìn)行128倍信號(hào)增益，其內(nèi)部的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊就會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。HX711使用的A通道的128增益時(shí)序圖如圖2所示。HX711具有成本低、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。使用HX711不僅降低了數(shù)據(jù)采集的成本，還顯著提高了數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。

圖2 128增益時(shí)序圖

2.2 74HC4051通道選擇

8通道模擬多路選擇器選擇74HC4051，工作電壓為5 V，在增加端口擴(kuò)展的同時(shí)，可以極大地降低系統(tǒng)線路使用和硬件成本。74HC4051擁有8個(gè)獨(dú)立輸入端，其數(shù)字選擇端有S0、S1和S2三個(gè)端口。74HC4051的數(shù)字使能輸入是低電平多路轉(zhuǎn)換有效，8個(gè)開關(guān)的選通根據(jù)真值表，如表1所示，通過地址信號(hào)輸入端輸入的信號(hào)控制輸入通道選擇。實(shí)驗(yàn)僅使用Y0、Y1、Y2三個(gè)輸入端，實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)?shù)陀行鼓芏颂幱诘碗娖綍r(shí)有效，通過控制相應(yīng)的高低電平使得Y0、Y1、Y2通道接通。實(shí)驗(yàn)選擇使用2個(gè)74HC4051分別當(dāng)做數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)亩嗦烽_關(guān)，Y0、Y1、Y2分別連接3塊HX711的DOUT和PD_SCK上，以此進(jìn)行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的多路轉(zhuǎn)換選擇。

表1 真值表邏輯關(guān)系

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA功能模塊

FPGA因?yàn)槠鋬?nèi)部邏輯資源豐富、方便拓展、采集率高，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和時(shí)序控制優(yōu)勢，所以選用FPGA作為多通道數(shù)據(jù)采集的主控芯片。本系統(tǒng)使用的FPGA主控芯片為Xilinx的ARTIX-7芯片，型號(hào)為XC7A35T-2FGG484I。

FPGA接收74HC4051傳輸而來的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以O(shè)A為數(shù)據(jù)幀頭，OD為數(shù)據(jù) 幀 尾，在OA 和OD 之 間 以00、01 和02 對(duì) 應(yīng) 的74HC4051上面的Y0、Y1和Y2通道的格式輸出，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，避免數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。對(duì)程序的時(shí)鐘時(shí)序準(zhǔn)確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘時(shí)序仿真驗(yàn)證圖

3.2 LabVIEW軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用LabVIEW作為上位機(jī)，對(duì)FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。LabVIEW軟件部分需要對(duì)FPGA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行串口接收、進(jìn)制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)顯示。讀取數(shù)據(jù)的程序框圖如圖4所示。在LabVIEW中，進(jìn)行串口初始化，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，在接收緩沖區(qū)提取OA和OD及相關(guān)通道標(biāo)記，對(duì)其進(jìn)行解析，最后在前面板實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)讀取程序框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取程序框圖

鉆孔卸壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，3個(gè)壓力傳感器為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點(diǎn)為0點(diǎn)，XY、YZ和XZ三個(gè)空間面的壓力，分別稱為通道一、通道二、通道三，對(duì)鉆孔卸壓后的壓力進(jìn)行顯示。根據(jù)不同的煤層環(huán)境及參數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)預(yù)警的上下限閾值。鉆孔卸壓時(shí)，可以對(duì)所測位置設(shè)置需要卸壓達(dá)到的閾值，通過鉆孔卸壓，實(shí)時(shí)掌握鉆孔卸壓后壓力大小，當(dāng)壓力警示燈從紅色變?yōu)榫G色時(shí)，說明鉆孔卸壓達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)也可以對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)保存分析，如圖5所示。

圖5 壓力顯示前面板

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的鉆孔卸壓部分使用鉆進(jìn)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)微縮模型進(jìn)行鉆孔，通過可觸屏的串口屏發(fā)送指令，分別控制絲杠進(jìn)退及鉆頭鉆孔，充分模擬煤層鉆孔卸壓時(shí)的鉆孔裝置，如圖6所示。模擬鉆孔卸壓時(shí)鉆頭對(duì)煤層進(jìn)行鉆孔及壓力測量，試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。

圖6 鉆進(jìn)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)微縮模型

圖7 鉆孔卸壓試驗(yàn)臺(tái)

鉆孔卸壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，3個(gè)壓力傳感器為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點(diǎn)為0點(diǎn)，XY、YZ和XZ三個(gè)空間面的壓力。通過多次模擬不同煤層壓力狀態(tài)下的鉆孔卸壓實(shí)驗(yàn)，設(shè)置相應(yīng)的閾值，鉆孔卸壓后3個(gè)通道警示燈由紅色變?yōu)榫G色，不同煤層壓力狀態(tài)下鉆孔卸壓實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)如表2～表4所示，可以達(dá)到鉆孔卸壓后的預(yù)期效果。

表2 鉆孔卸壓測點(diǎn)1

表3 鉆孔卸壓測點(diǎn)2

表4 鉆孔卸壓測點(diǎn)3

5 結(jié)語

該系統(tǒng)使用FPGA和LabVIEW相結(jié)合的開發(fā)模式，使用HX711確保了24位高精度采集及低成本，同時(shí)使用74HC4051實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)傳輸。在LabVIEW上，根據(jù)不同的煤層環(huán)境，可以對(duì)所測位置設(shè)置需要卸壓達(dá)到的閾值，通過鉆孔卸壓，掌握鉆孔卸壓后所測壓力大小，當(dāng)壓力警示燈從紅色變?yōu)榫G色時(shí)，說明鉆孔卸壓達(dá)到了預(yù)期效果。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、高效、直觀地采集多通道的數(shù)據(jù)信號(hào)并呈現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期的效果，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。