液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫葉香

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心，山西 大同 037000）

引言

近年來，隨著煤炭工業(yè)由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型，煤礦生產(chǎn)將朝著智能化的方向發(fā)展，對采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等設(shè)備的自動(dòng)化、智能化以及整體配合提出了更高的要求。液壓支架作為綜采工作面的支護(hù)設(shè)備，支護(hù)性能直接決定煤礦生產(chǎn)的安全性。目前，針對液壓支架監(jiān)測主要存在姿態(tài)測量模型不完善、姿態(tài)監(jiān)測不全面以及精度不高的問題[1]。本文將設(shè)計(jì)一套完善、全面且高精度的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為綜采工作面的高效、安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本節(jié)將重點(diǎn)對液壓支架工作原理和總體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 液壓支架姿態(tài)概述

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其主要由液壓閥、液壓缸等液壓元器件組成，其結(jié)構(gòu)包括護(hù)幫板、前梁、頂梁以及各種連桿等[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中，若液壓支架支護(hù)動(dòng)作出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)誤動(dòng)作將會(huì)直接影響工作面的安全生產(chǎn)。液壓支架支護(hù)動(dòng)作工作原理如圖1所示。液壓支架控制器所發(fā)出的控制指令直接作用于電磁換向閥調(diào)節(jié)器乳化液方向、流量等參數(shù)分別對平衡千斤頂、立柱以及推移千斤頂部件進(jìn)行控制。其中，通過5號電磁換向閥實(shí)現(xiàn)對平衡千斤頂位移量的控制實(shí)現(xiàn)對頂梁姿態(tài)角度的調(diào)節(jié)；通過6號電磁換向閥實(shí)現(xiàn)對立柱位移量的控制實(shí)現(xiàn)對液壓支架支護(hù)高度的調(diào)節(jié)；通過7號電磁換向閥實(shí)現(xiàn)對推移千斤頂位移量的控制實(shí)現(xiàn)對液壓支架的移架操作[3]。

結(jié)合液壓支架的實(shí)際工作情況，為保證生產(chǎn)的安全性，需要對液壓支架底座的俯仰角度、液壓支架支護(hù)高度以及液壓支架頂梁的俯仰角度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

1.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

圖1 液壓支架支護(hù)動(dòng)作工作原理

鑒于液壓支架工作環(huán)境惡劣且工作面的空間有限，液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為工作現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)測兩部分，具體如圖2所示。

圖2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖2所示，工作現(xiàn)場主要包括有液壓支架控制器、人機(jī)交互界面和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其中，液壓支架控制器與網(wǎng)絡(luò)通信模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊、傳感器數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊進(jìn)行通信。本文重點(diǎn)對液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)中姿態(tài)監(jiān)測模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)

液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊作為姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，本節(jié)將根據(jù)監(jiān)測需求設(shè)計(jì)姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架，并詳細(xì)完成姿態(tài)監(jiān)測模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)。液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊重點(diǎn)對液壓支架頂梁的俯仰角度、底座的俯仰角度和支護(hù)高度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[4]。通過總體架構(gòu)可知，液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)通過慣性測量單元測量模型和傾角傳感器測量模型共同獲取。基于姿態(tài)監(jiān)測模塊主要完成姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和管理三部分功能。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，液壓支架姿態(tài)監(jiān)測模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 姿態(tài)監(jiān)測模塊總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

從功能上劃分，姿態(tài)監(jiān)測模塊分為兩個(gè)測量模塊和一個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊。其中，慣性測量模塊主要以陀螺儀傳感元件和加速度傳感元件為核心；傾角傳感器模塊主要以傾角傳感元件為核心；在上述核心元件的基礎(chǔ)上配置常規(guī)的信號調(diào)理、微處理以及通信接口單元即可保證功能的實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)選用MPU6050型芯片，該芯片集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的功能；選用SCA100T-D02型芯片實(shí)現(xiàn)對傾角傳感元件的功能。姿態(tài)監(jiān)測模塊選用STM32F103ZET6中央微處理器對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和管理；同時(shí)，為姿態(tài)監(jiān)測模塊配置SPI接口、RS232串口、CAN總線接口，并通過CAN總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓支架控制器通信[5]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

姿態(tài)監(jiān)測模塊軟件主要包括3個(gè)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，具體如圖4所示。

3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)研究

圖4 姿態(tài)監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用效果，將姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控軟件和姿態(tài)順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行開發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)平臺模擬的綜采工作面的長度為70 m，所配套的采煤機(jī)的具體型號為MG500/1130-WD，牽引速度為6 m/min；所配套刮板輸送機(jī)型號為SGZ1000/1050；鏈速為1.25m/s；配套液壓支架的型號為ZY4200/18/32，支護(hù)范圍為1.8～3.2 m。

所搭建的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺也分為工作現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分。結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求對現(xiàn)場35臺液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測進(jìn)行驗(yàn)證，配套的有35個(gè)液壓支架控制器和1臺順槽控制器，配置有140個(gè)慣性測量單元和105個(gè)傾角傳感器。

基于姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對液壓支架的工況進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集頻率為2 Hz，即每間隔0.5 s對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)包括液壓支架頂梁俯仰角、底座的俯仰角和支護(hù)高度，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即取得平均值，所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如下頁表1所示。

綜合對比表1中的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，液壓支架支護(hù)高度的平均誤差為0.02 m，相對誤差為0.32%；液壓支架頂梁俯仰角的平均誤差為0.34°，相對誤差為3.71%；液壓支架底座俯仰角的平均誤差為0.18°，相對誤差為0.32%。

表1 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果

4 結(jié)語

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其對于保證綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，液壓支架需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況對其姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)，同時(shí)對液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測也非常重要。因此，本文設(shè)計(jì)了一款液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括有慣性測量模塊、傾角測量模塊和姿態(tài)監(jiān)測模塊。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明：針對液壓支架支護(hù)高度、頂梁俯仰角和底座俯仰角三類參數(shù)的監(jiān)測平均誤差和相對誤差均在可接受范圍之內(nèi)。