鉆孔卸壓感知系統研制

李偉

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤炭是全球范圍的重要資源，在世界能源可采儲量中占據一定比例，其工業發展前景良好。在煤炭開采的過程中，因其環境較為復雜，安全隱患也較多，因此導致安全問題時有發生[1]。沖擊地壓作為煤礦開采中的一種較為典型的地質災害，給煤礦生產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有發生，當煤巖體瞬間釋放彈性變形能，造成煤巖體失穩并產生動力，形成沖擊地壓時，嚴重危害煤礦安全生產和工人生命安全[2-4]。隨著現代化的發展，智能化開采是煤炭工業發展的方向，也是煤炭工業發展的必然要求，增強煤礦智能化建設是大勢所趨[5-6]。

在防治沖擊地壓的方法中，鉆孔卸壓因為簡易的操作性及較低的成本，可以有效地釋放圍巖應力，防止沖擊地壓的發生，得到了廣泛應用[7-8]。例如，朱斯陶等[9]在掘進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生。王勝等[10]通過大直徑鉆孔卸壓和爆破解危進行了沖擊地壓的預防，結果顯示卸壓效果良好。李國玉等[11]通過大直徑鉆孔卸壓，驗證了鉆孔卸壓可以降低沖擊危險，具有良好的卸壓效果。

為了響應時代發展趨勢，預防煤礦沖擊地壓意外發生，設計了鉆孔卸壓感知系統。該系統以FPGA和LabVIEW相結合，多通道實時高精度采集，在LabVIEW上實現顯示，且可判斷鉆孔卸壓后的卸壓效果是否達到預期。

1 系統總體結構設計

系統的總體框架主要由LabVIEW作為上位機，FPGA作為核心主控制，2個8通道模擬多路選擇器74HC4051，3塊AD采集模塊HX711及3個壓力傳感器。系統擁有多通道數據采集功能，且每通道都具有24位的采集精度，總體架構圖如圖1所示。該系統主要的工作流程為：將壓力傳感器3個為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點為0點，XY、YZ和XZ三個空間面的壓力，接受相應的電信號，并將電信號傳輸到HX711進行AD轉換。HX711的128增益會先將接收的信號放大，然后對信號進行AD轉換。3塊HX711的DOUT和PD_SCK分別連接在2塊74HC4051上，2塊74HC4051分別做時鐘和數據的多路轉換選擇，然后將信號傳輸到FPGA進行數據處理。FPGA將3個傳感器傳輸而來的數據組成以OA為前綴、OD為結尾，并進行通道標識傳輸給上位機LabVIEW。鉆孔卸壓時，在LabVIEW上，根據煤層所處具體環境情況，可以對所測卸壓位置設置需要達到的閾值，通過鉆孔卸壓，掌握鉆孔卸壓后煤層壓力大小，當壓力警示燈從紅色變為綠色時，說明鉆孔卸壓達到了預期效果。

圖1 系統總體框架圖

2 硬件設計

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 轉換器芯片。當實時采集到傳感器上的電壓信號時，信號通過A通道進行128倍信號增益，其內部的24位A/D轉換模塊就會將電信號轉變為數字量。HX711使用的A通道的128增益時序圖如圖2所示。HX711具有成本低、響應時間快、抗干擾能力強等優點。使用HX711不僅降低了數據采集的成本，還顯著提高了數據采集的精度和可靠性。

圖2 128增益時序圖

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，在增加端口擴展的同時，可以極大地降低系統線路使用和硬件成本。74HC4051擁有8個獨立輸入端，其數字選擇端有S0、S1和S2三個端口。74HC4051的數字使能輸入是低電平多路轉換有效，8個開關的選通根據真值表，如表1所示，通過地址信號輸入端輸入的信號控制輸入通道選擇。實驗僅使用Y0、Y1、Y2三個輸入端，實驗時，當低有效使能端處于低電平時有效，通過控制相應的高低電平使得Y0、Y1、Y2通道接通。實驗選擇使用2個74HC4051分別當做數據和時鐘信號傳輸的多路開關，Y0、Y1、Y2分別連接3塊HX711的DOUT和PD_SCK上，以此進行時鐘和數據的多路轉換選擇。

表1 真值表邏輯關系

3 系統軟件設計

3.1 FPGA功能模塊

FPGA因為其內部邏輯資源豐富、方便拓展、采集率高，具有強大的數據處理和時序控制優勢，所以選用FPGA作為多通道數據采集的主控芯片。本系統使用的FPGA主控芯片為Xilinx的ARTIX-7芯片，型號為XC7A35T-2FGG484I。

FPGA接收74HC4051傳輸而來的時鐘信號和數據信號，然后對數據進行以OA為數據幀頭，OD為數據 幀 尾，在OA 和OD 之 間 以00、01 和02 對 應 的74HC4051上面的Y0、Y1和Y2通道的格式輸出，確保數據的完整性和準確性，避免數據丟失或錯誤。對程序的時鐘時序準確性進行仿真驗證，如圖3所示。

圖3 時鐘時序仿真驗證圖

3.2 LabVIEW軟件系統設計

使用LabVIEW作為上位機，對FPGA發送的數據進行實時呈現。LabVIEW軟件部分需要對FPGA傳輸的數據進行串口接收、進制轉換和數據顯示。讀取數據的程序框圖如圖4所示。在LabVIEW中，進行串口初始化，設定相關參數，在接收緩沖區提取OA和OD及相關通道標記，對其進行解析，最后在前面板實時顯示。數據讀取程序框圖如圖4所示。

圖4 數據讀取程序框圖

鉆孔卸壓實驗時，3個壓力傳感器為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點為0點，XY、YZ和XZ三個空間面的壓力，分別稱為通道一、通道二、通道三，對鉆孔卸壓后的壓力進行顯示。根據不同的煤層環境及參數，設置數據預警的上下限閾值。鉆孔卸壓時，可以對所測位置設置需要卸壓達到的閾值，通過鉆孔卸壓，實時掌握鉆孔卸壓后壓力大小，當壓力警示燈從紅色變為綠色時，說明鉆孔卸壓達到了預期效果。同時也可以對每一個通道進行數據保存分析，如圖5所示。

圖5 壓力顯示前面板

4 實驗平臺搭建

實驗平臺的鉆孔卸壓部分使用鉆進動力試驗臺微縮模型進行鉆孔，通過可觸屏的串口屏發送指令，分別控制絲杠進退及鉆頭鉆孔，充分模擬煤層鉆孔卸壓時的鉆孔裝置，如圖6所示。模擬鉆孔卸壓時鉆頭對煤層進行鉆孔及壓力測量，試驗臺如圖7所示。

圖6 鉆進動力試驗臺微縮模型

圖7 鉆孔卸壓試驗臺

鉆孔卸壓實驗時，3個壓力傳感器為一組，分別測量煤層空間位置上以測量點為0點，XY、YZ和XZ三個空間面的壓力。通過多次模擬不同煤層壓力狀態下的鉆孔卸壓實驗，設置相應的閾值，鉆孔卸壓后3個通道警示燈由紅色變為綠色，不同煤層壓力狀態下鉆孔卸壓實驗前后數據如表2～表4所示，可以達到鉆孔卸壓后的預期效果。

表2 鉆孔卸壓測點1

表3 鉆孔卸壓測點2

表4 鉆孔卸壓測點3

5 結語

該系統使用FPGA和LabVIEW相結合的開發模式，使用HX711確保了24位高精度采集及低成本，同時使用74HC4051實現了系統多通道數據傳輸。在LabVIEW上，根據不同的煤層環境，可以對所測位置設置需要卸壓達到的閾值，通過鉆孔卸壓，掌握鉆孔卸壓后所測壓力大小，當壓力警示燈從紅色變為綠色時，說明鉆孔卸壓達到了預期效果。該系統可以準確、高效、直觀地采集多通道的數據信號并呈現，達到預期的效果，具有較高的工程應用價值。