急倾斜煤层工作面液压支架压力监测系统设计

孙学波

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)



青年论坛

急倾斜煤层工作面液压支架压力监测系统设计

孙学波1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

针对在线矿压监测系统在急倾斜综采工作面布线复杂、系统不稳定等问题，设计了一种基于低功耗无线传感器的液压支架压力监测系统。该系统以低功耗TI单片机MSP430为主控CPU，通过无线射频芯片SI4463实现无线压力数据传输，结合TD-Mesh无线网络协议，实现对急倾斜工作面的液压支架压力数据进行采集、存储、显示、无线路由及发送等操作。测试结果表明，该系统数据测量精确，具有很高的可靠性，适合在急倾斜工作面环境下应用。

急倾斜煤层；液压支架；压力监测系统

Pressure Monitoring System Design of Hydraulic Support in Steeply Inclined Coal Seam Working Face

大倾斜矿井煤层产量占我国煤炭总产量约10%，其储量约占煤炭总储量的20%，而其中70%左右的大倾斜矿井分布在我国的中西部地区。在大倾斜煤层中，倾角在45～90°的煤层又称为急倾斜煤层，这类煤层的开采在我国的西部地区较为常见。目前，在急倾斜煤层的开采过程中，由于开采设备、工艺、围岩控制理论与方法的选择等问题，几乎均出现过矿压顶板事故问题。在急倾斜工作面回采过程中，随着工作面的推进，煤岩应力变化越来越复杂，如果不能有效地控制好工作面液压支架压力，往往会出现许多意想不到的液压支架下陷、倾倒、压架等事故，给煤矿的安全生产带来不可估量的损失。实际生产过程中，通过对液压支架的压力进行监测，研究回采工作面的顶板周期来压规律、研究上覆岩层的活动规律，进而分析调整液压支架的初撑力，为安全生产提供保障。目前的液压支架压力监测系统主要有两种，一种是离线式压力采集系统，该系统通过煤矿工人定时到工作面采集各个支架压力数据，然后带回地面加以分析，该类系统实时性差、工作强度大，只有极少部分煤矿还在使用这种系统；第二种系统是在线式液压支架压力监测系统，目前这种系统在工作面应用中还占主流，各个液压支架压力采集仪把采集到的压力数据经CAN总线或485总线传输到地面计算机，计算机再进行数据显示和处理。对于急倾斜综采工作面，工作面坡度很大、整个支架空间狭小，设备在运转过程中极易损坏监测系统通信线路，造成系统通信中断；当工作面需要增加或减少监测设备时，安装人员还不得不破坏原来系统的线路。整体而言，这种系统主要弊端是线缆在工作时容易被损坏，可靠性差，可移动性差，系统维护工作量大。

基于上述原因，提出急倾斜煤层工作面液压支架压力监测系统设计，该系统针对急倾斜工作面，设计了一种快速、高效、电池供电的液压支架监测系统，解决了以往在线液压支架压力监测系统在急倾斜工作面使用的弊端。

1　系统结构

系统主要由井下液压支架记录仪、无线信号转换器、矿用传输接口和地面计算机构成。工作面每隔5～10台液压支架布置1台无线液压支架记录仪，共有N台。工作面端头布置1台无线信号转换器。无线液压支架记录仪根据端头支架的无线信号转换器指令定时上传液压数据到该转换器，转换器再把无线矿压数据转化成CAN总线数据远程传输到地面。工作面N台无线液压支架的组网、路由传输都经过无线网络协议TD-Mesh来实现。每个无线液压支架记录仪由锂电池供电，工作时最大电流约为30mA，休眠时电流为15uA，功耗最省，单个电池供电时长为4～8个月。端头支架的无线信号转换器使用外部供电，一直处于工作状态，负责整个无线矿压系统的管理工作。

处于端头支架的无线信号转换器开启后定期发出数据读取命令，该命令中包含入网指令。无线液压支架记录仪上电后一直处于工作状态，搜寻与自己匹配的无线电波以便加入无线网络。当某台无线液压支架记录仪收到无线信号转换器的数据读取命令后，便上传自己的虚拟地址给信号转换器，等待信号转换器把这台无线记录仪加入无线网络中。当该无线记录仪成功加入网络后，便进入休眠状态，等待接收下一次无线信号转换器发出数据读取命令，这一次该无线记录仪就直接上传压力数据给信号转换器，然后再进入休眠状态，周而复始，实现低功耗无线记录仪采集与压力数据传输。

2　硬件设计

2.1无线液压支架记录仪硬件设计

无线液压支架记录仪在无线矿压系统中充当终端设备和路由设备，一是采集其所在液压支架的左右柱(或前后柱)压力数据并上传；二是充当系统中的路由设备，当接收到别的无线液压支架记录仪传递的数据时向信号转换器转发，实现中继和路由功能。硬件系统如图1所示，选用MSP430F149低功耗微处理器作为主控芯片，该芯片在休眠时电流只有0.1uA。无线支架记录仪根据矿井常用液压支架的样式设计为两柱式传感器，一个测前柱(或左柱)，一个测后柱(或右柱)。为了井下人员能够实时观察到压力数据，设计了按键和LCM液晶显示。无线射频芯片选用SILICON LABS公司生产的一种单片、低成本的UHF频段无线收发器，基于IEEE 802 .15 .4 标准开发，该芯片在休眠状态只有30～50nA。电源管理部分主要负责除CPU的外部芯片的供电，当需要工作时就给这些器件供电，不需要工作时就切断电源，达到功耗最省。

图1　无线液压支架记录仪系统框图

2.1.1主控芯片MSP430F149模块

单片机MSP430F149是美国TI公司生产的MSP430系列中的一种，MSP430单片机可工作在1.8～3.6V低电压下，有5种工作模式，其中4种为低功耗模式，在RAM数据保持方式下耗电仅为0.1uA。

2.1.2无线RF模块设计

无线RF模块选用SILICON LABS公司最新的高性能无线通信芯片SI4463，这是一款高度集成的无线ISM频段收发芯片，其覆盖了119MHz至1050MHz的Sub-1GHz频段。SI4463具有极低的接收灵敏度(-126dBm)，其发射功率可根据需要设置大小，其最大发射功率达到+20dBm，其数据传输速率最高可达500kb/s。抗干扰能力强，功耗较低，在休眠状态电流只有30～50nA。

在本监测仪设计中，MSP430F149的SPI接口和SI4463的端口(MOSI，SCKL，MISO，NSEL)连接。在SPI协议中，MSP430F149通过P1.0口控制SI4463的SDN，如果该引脚为低，则启动了SI4463MO模块。SCKL提供时钟脉冲，MOSI，MISO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过MISO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次)后，就可以完成8位数据的传输。

SI4463无线传输模块电路设计如图2。

图2　SI4463无线传输模块电路

SI4463的NIRQ是中断返回信号，当SI4463接收到或发送完一个完整的数据帧后，该引脚由高电平变为低电平，此时触动STM8L152的P1.1中断引脚，让单片机去处理数据，完成既定任务。尤其在低功耗模式下，SI4463处于休眠状态，功耗最省，其内核的工作状态处于呼叫唤醒状态，每个若干个时钟周期SI4463会醒来看周围是否有对应的呼叫信号，若有则通过NIRQ信号通知MSP430F149的P1.1口，让单片机处理数据。

2.1.3传感器模块设计

根据液压支架的压力范围，传感器的量程选为0～60MPA，输出信号对应为0～2.5V，这样传感器输出的信号直接给单片机使用，不用外加小信号处理电路，有利于系统的稳定性。考虑到常规的压阻式传感器稳定性差，零点误差随时间漂移严重等问题，设计选用全新的溅射薄膜式传感器，该传感器的优点是受温度影响小，在温度变化100℃时，零点漂移仅为0.5%；稳定性与可靠性高。传感器接口电路如图3。

图3　传感器接口电路

两传感器的信号引脚SENSOR1和SENSOR2分别接入MSP430F149单片机的P6.0和P6.1引脚。单片机定期转换该引脚电压信号并计算出相应的压力值。

2.1.4LCM显示模块的设计

本仪器是电池供电，为了保证系统电池供电时间最长，必须尽量使系统的各个模块的耗电最少。为此，系统的液晶显示选用耗电最省的LCM液晶模块。这种液晶显著特点就是功率消耗小、显示质量高，正常显示时其电流消耗只有5uA，当系统不需要其显示时，就关断LCM模块的电流，使系统功耗达到最小。

2.1.5供电电源与电源管理模块设计

无线矿井液压支架压力监测仪选用的电池为锂亚硫酰氯型电池，该电池显著特点是能量比高、单体电压高、寿命长、工作电压平稳，适合在矿井环境下使用。选用电池的额定电压为3.6V，额定容量为4Ah。以30mA放电，该电池能够连续工作约100h，期间工作电压变化0.2V左右，能够保证仪器正常工作。

按理论设计，电池在无线支架压力记录仪里能够工作4～6个月。为了便于更换电池，仪器电池腔设计成圆形带盖式，盖子用螺纹和壳体连接，更换电池相当方便。

2.2无线信号转换器硬件设计

端头支架上安装的1号设备为无线信号转换器，它是系统中一个桥梁设备：一是充当工作面无线网络的汇聚节点，负责系统的建网、组网和对各设备节点的管理工作；二是负责数据转换与地面计算机的通讯工作，无线信号转换器负责定期采集各无线节点的压力数据，然后把无线数据转换成CAN总线数据通过CAN总线上传到地面计算机。同时，无线信号转换器也接收地面计算机发来的命令，然后通过无线模块进行广播，实现对系统中每个无线节点的管理工作。

鉴于矿井是一个强电磁的高干扰环境，当信号长距离传输时一般选用CAN总线传输(在没有光纤环网的情况下)。在无线信号转换器主控单片机的选择上，设计选用STM32F103单片机，该单片机最高可以主频72MHz运行。STM32F103自带bxCAN，即基本扩展CAN。因其内部集成了CAN管理器模块，只需在STM32F103外面设计CAN信号转换电路而无需设计CAN管理器电路，这给系统的设计带来了便捷性，减少外部电路的设计，也有利于系统的稳定性。STM32F103同时和SI4463无线模块相连，负责无线数据的收发。

3　网络协议设计

TD-Mesh无线网络协议是本设计自行开发的无线自组网协议，该协议采用了先进的无线通信技术如跳频、自适应速率、安全可靠的全网无线唤醒技术与链路层采用智能的碰撞避免算法等，使整个网络具有优异的抗干扰能力。由于无线系统的各节点设备采取电池供电，整个网络的电能消耗要保持最小，这就要求无线网络协议具有支持节点设备休眠的技术。TD-Mesh无线网络协议拥有灵活的休眠技术，在网络中的所有设备都可以定时休眠，网络的主节点(系统中的无线信号转换器)可以通过无线网络协议来唤醒与使用各节点休眠功能。

系统采用串状网络拓扑结构，其中包括一个AP(Access Point)节点(即无线信号转换器)、多个ED(End Device)终端(即无线液压支架记录仪)，其中ED终端包含了RE(Range Extender)节点功能。在串状网络中，数据中心AP负责网络的管理，处理与转发RE和ED 提供的无线数据，并管理网络内设备成员权限、连接权限及安全；ED只作为一个数据采集与收发的站点，不进行网络路由管理，ED当接到数据传输命令后，立即主动采集数据并向AP目标节点传送，若接到其他节点数据，先对数据包进行分析，然后按照目标地址转发。

4　软件设计

系统的软件主要包括无线信号转换器和无线液压支架记录仪两部分软件设计。

4.1无线信号转换器软件设计

无线信号转换器在网络中充当汇聚节点角色，负责组建网络和信号转换两大任务。首先，转换器上电启动初始化，进行网络组建，设置网络频段值与该网群号。当系统初始化完成后，转换器启动系统数据采集计时器，当到达计时值时(系统无线采集时间间隔)，转换器发送对所有无线液压支架记录仪进行数据巡检命令。无线液压支架记录仪接收到转换器巡检命令后上传自身的液压支架压力数据，如果是第一次发送还携带入网命令，信号转换器根据网络协议规定接纳该监测仪进入网络。无线信号转换器在接收到各节点的液压支架压力数据后，对数据进行分析并经STM32F103的CAN网络接口上传到地面计算机。若无线信号转换器从CAN端口接收到PC机对监测仪的操作命令，信号转换器把该命令转化成无线数据经SI4463模块广播给各无线液压支架记录仪，实现PC机对其管理。无线信号转换器软件流程如图4。

图4　无线信号转换器软件流程

4.2无线液压支架记录仪软件设计

无线液压支架记录仪首先进行系列初始化，包括自身主频的设置，存储体的设置。无线液压支架记录仪无线主频必须和无线信号转换器的频率设置成相同的值，系统运行(数据开始采集并发送)由信号转换器通过广播信号发起，无线液压支架记录仪接收到信号转换器信号后采集自身数据并传送，当第一次传送时，记录仪内部的网络地址为空(网络地址由信号转换器赋予)，当申请网络成功后，通过虚拟地址向信号装换器提出申请，申请成功后无线记录仪再发送数据，同时无线记录仪也记录了自己到信号转换器的最佳传输路径。如果，当系统中无线记录仪收到的数据的目的地址不是自己而是信号转换器，则根据自己记录的最佳传输路径向信号转换器续传，最终实现无线系统所有液压支架压力数据的采集任务。无线液压支架记录仪软件流程如图5。

图5　无线液压支架记录仪软件流程

5　系统测试

系统设计完成后在川煤集团广旺公司唐家河煤矿1111工作面进行了一系列测试，1111工作面倾角大(平均47°，局部地段55°)，属于典型的急倾斜综采工作面。在1111工作面一共安装了16个无线液压支架记录仪，每隔5个液压支架安装1台无线液压支架记录仪，无线液压支架记录仪的2个传感器分别接液压支架的左右柱。在工作面端头的位置安装1个无线信号转换器，信号转换器接CAN总线把数据传输到地面。系统信号传输完整性很好，传输速度快，很好地反映了该无线网络的健壮性与设计的科学性。

图6曲线显示了第8号无线支架记录仪从2015年11月1日至11月10日的数据。从实际运行数据记录与曲线来看，数据完整性很好，丢失数据很少。数据曲线完整地反映了液压支架在回采过程中的压力变化规律，为生产运行过程中分析初撑力、末阻力、工作面推进度、周期来压提供依据。

图6　无线液压支架记录仪曲线

6　结束语

针对急倾斜综采工作面布线复杂、系统不稳定等问题，设计了急倾斜综采工作面液压支架压力监测系统，结合先进的无线自组网协议TD-Mesh，实现了无线液压支架记录仪以电池供电，采集并传

输液压支架压力数据到无线信号转换器，无线信号转换器再将数据上传至地面计算机实时显示。通过在唐家河煤矿的实际应用，系统在通信性能和组网稳定性方面都得到了很好地验证，解决了常规在线液压支架记录仪在急倾斜综采工作面易断线、系统可靠性不高等难题。

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[责任编辑：施红霞]

SUN Xue-bo1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;

2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

To the problems of wire arrangement complex and system instability of on-line mine pressure monitoring system in steeply inclined fully mechanized coal mining working face，one hydraulic support pressure on-line monitoring system was designed based on low power consumption wireless sensor.Its main CPU of the system is low power consumption TI single chip MSP430，wireless pressure data transmission realized according wireless radio frequency chip SI4463，with TD-Mesh wireless networking protocol，the following operations of data collection，storage，display，wireless router and transmit of hydraulic support in steeply inclined working face were realized.The test results showed that data measurement precision and reliability，it fit for steeply inclined working face environment.

steeply inclined coal seam，hydraulic support，pressure monitoring system

2016-03-14

国家自然科学基金青年基金项目(51304115)；天地科技股份有限公司研发项目(KJ-2015-TDKC-12)

孙学波(1976-)，男，江苏沭阳人，硕士，助理研究员，从事煤矿安全生产监控与通信、安全生产信息化及煤矿电气安全方面的研究和实践工作。

TD355.41

A

1006-6225(2016)05-0106-05

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.030

[引用格式]孙学波.急倾斜煤层工作面液压支架压力监测系统设计[J].煤矿开采，2016，21(5)：106-110.