煤礦支架工況振弦式無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

段紅民 鄧占峰 侯會平 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)集團有限責(zé)任公司許廠煤礦，山東省濟寧市，272173）

為了防治頂板災(zāi)害，保障安全生產(chǎn)，國家要求煤礦改革采煤方法和采煤工藝、加強支護和完善頂板監(jiān)測系統(tǒng)，并對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)測系統(tǒng)就是頂板監(jiān)測系統(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頂板活動和支架受力情況掌握不及時，另一方面是綜采支架設(shè)備和采煤技術(shù)發(fā)展不匹配，我國綜采工作面采煤機的平均開機率只有30%左右，影響開機率的一個主要因素就是支架對工作面的頂板控制不好，基于此設(shè)計開發(fā)了一套支架工況無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 支架工況監(jiān)測現(xiàn)狀及研究目標(biāo)

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

本文基于振弦傳感器理論和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs技術(shù)，研制了一套適合于煤礦生產(chǎn)實際的振弦式煤礦支架工況無線監(jiān)測系統(tǒng)，徹底解決因工作面監(jiān)測設(shè)備連接電纜的拉／擠斷所帶來的系列問題，保證支架監(jiān)測數(shù)據(jù)及時準確地上傳至地面計算機。

2 KJ621支架工況無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用振弦傳感技術(shù)采集和計算支架壓力信息，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）按一定周期自動采集支架前柱和后柱的壓力數(shù)據(jù)，之后進行處理、分析、顯示并存儲壓力數(shù)據(jù)。每一周期壓力表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過中繼器或以多跳的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測分站，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)測服務(wù)器，運行的KJ621監(jiān)測系統(tǒng)分析軟件同期對數(shù)據(jù)進行分析處理，繪制出實時模擬曲線。KJ621監(jiān)測系統(tǒng)分析軟件同時可以查詢到支架運行的歷史數(shù)據(jù)，從而可掌握工作面的壓力變化趨勢，進而為分析來壓規(guī)律等提供依據(jù)。根據(jù)采煤工作面的長度和拐彎情況，布置多個無線中繼器，組成以中繼器為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)測無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 KJ621支架工況監(jiān)測無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 KJ621支架無線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

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

（1）1＃中繼器每到規(guī)定時刻被喚醒，發(fā)時鐘同步信號，同步工作面各無線節(jié)點內(nèi)部時鐘；

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

（3）最大編號中繼器將獲得的其主管的壓力表數(shù)據(jù)發(fā)給編號小1 的中繼器，依此類推，直到N個壓力表數(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)測分站，將這一循環(huán)的起始時間和各壓力表采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測分站，收到監(jiān)測分站回應(yīng)OK 后休眠；

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

（6）地面微機采用多線程異步通信方式，實時接收監(jiān)測分站上傳的數(shù)據(jù)，一個線程分析和存貯數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)庫，另一個線程將各支架壓力實時顯示在模擬圖上，繪制各支架壓力-時間曲線和支架壓力-空間分布曲線，便于值班人員隨時觀察，以便及時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

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

圖2 YHY60W 數(shù)字壓力表結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 振弦壓力變送器

為了改進振弦傳感器的性能，提出了標(biāo)準二次拋物線模型P=A （f2-f02）+B （f-f0），該模型能夠使擬合準確度大幅提高，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。進一步改進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，增強了液壓安全性。根據(jù)以上3個方面的改進，試驗制做了16只振弦傳感器，標(biāo)定后誤差都符合高準確度傳感器的標(biāo)準，其性能見表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，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入高準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)備與中繼器進行時鐘同步，然后按固定的周期（如5min）進行工作，在每一個工作周期過程中，時鐘喚醒各電路進入工作狀態(tài)，采集二只振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)值，濾波后進行計算、存儲和顯示，然后將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)中繼器路由無線傳輸?shù)奖O(jiān)測分站，收到監(jiān)測分站回應(yīng)OK 后進入休眠狀態(tài)，等待下一工作周期的到來。YHY60W 數(shù)字壓力表軟件采用C語言設(shè)計，軟件工作流程圖如圖3所示。

2.3 KJ621-Z無線中繼器

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

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

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

2.4 KJ621-F監(jiān)測分站

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

監(jiān)測分站 （Sink 節(jié)點）一方面負責(zé)組建無線網(wǎng)絡(luò)，“握手”成功后，才接收各壓力表節(jié)點采集的支架工況數(shù)據(jù)，否則予以清除，以免干擾進入；另一方面將兩個使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實現(xiàn)無線網(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)測服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。監(jiān)測分站軟件采用C語言開發(fā)，具有網(wǎng)絡(luò)重發(fā)、存儲數(shù)據(jù)標(biāo)記、定時無線收發(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

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

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

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

3 監(jiān)測系統(tǒng)裝置測試及結(jié)果分析

該無線監(jiān)測系統(tǒng)在山東能源淄博礦業(yè)集團許廠煤礦4318 工作面進行了3 個月的工業(yè)性試驗，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，進入礦井以太網(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等設(shè)備，無線電信號強度衰減較大，所以將無線收發(fā)頻率提高到470 MHz，通信距離能達到50 m，為了保證無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，采用每隔40m 設(shè)置一個中繼器組網(wǎng)的方式，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和傳輸。上位機軟件記錄的某一時刻10個液壓支架前后柱的壓力值見表2。

表2 實際測試支架壓力數(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，從實時顯示的10 個支架壓力數(shù)據(jù)來看，相鄰支架的壓力變化不明顯，所以可以根據(jù)測試結(jié)果對采集點進行分組，每8～10個支架安裝一個YHY60W 數(shù)字壓力表，既可以降低系統(tǒng)費用，又可以解決因采集點過于密集、數(shù)據(jù)量大帶來的數(shù)據(jù)上傳速度瓶頸和能耗大的問題。同時通過上位機提供的歷史數(shù)據(jù)曲線，可以方便掌握工作面周期來壓規(guī)律、升降架次數(shù)和壓力變化趨勢等信息。

4 結(jié)語

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

作為功能的擴展，可以考慮在每個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上加入瓦斯傳感器、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環(huán)境參數(shù)，從而更加有效地保障煤礦的安全生產(chǎn)。

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