煤矿液压支架立柱压力实时监测系统的设计研究

罗 坤

（同煤集团煤峪口矿机电科，山西 大同 037000）

引言

液压支架是煤炭开采的重要机械设备，对煤矿开采工作面的安全高效生产起着不可替代的作用。液压支架在运作时会对综采面巷道顶部和巷道壁的围岩产生一定的压力，促使岩层在压力下维持稳定，而由于岩层结构和岩层物化性质的不同，对压力的实际表现也是不同的，而液压支架立柱提供的压力过小，无法维持液压支架的支撑效果[1-2]，过大的立柱压力则会对围岩的稳定造成破坏，严重的会导致冒顶等事故发生。因此，液压支架立柱压力的实时监测成为液压支架有效发挥支撑作用，保障煤矿综采工作面安全高效开采的重要手段。

1 系统的硬件设计

液压支架立柱实时监测系统由地面上位机、控制中心服务器、信号传输设备以及立柱压力监测传感器等组成，系统运作流程为：分布在立柱上的压力传感器采集压力信号，信号通过传输设备传输到控制中心，控制中心经过信号处理计算，按照设定的程度，实现与地面上位机的通讯，将实时压力显示在上位机上，并按照程序实现联控功能。

系统的硬件包括传感器模块、数据处理模块、数据存储模块、通讯串口、PC 机以及换能器等，见图1，数据处理器作为系统的核心硬件，本文选择了DSP 微处理器来实现数据处理功能，传感器模块采用中航威斯特的AFG-50S 型压力传感器，其与处理器通讯采用4～20 mA 电流信号经串口通讯模块完成，PC 机则主要用于实时压力的显示以及监测人员的数据查询等，另外数据处理模块还会将处理完成的能够被识别的数据信息传送到数据存储模块，为监测人员压力查询提供原始数据。

图1 液压支架立柱压力实时监测系统硬件组成结构图

1.1 DSP 微处理器

根据煤矿液压支架立柱压力实时监测系统的功能需求，本设计的DSP 微处理器芯片选用32 位定点外设的工业级别TMS320F2812。该处理器芯片采用总线结构，数据运算与传输能力较传统处理器芯片有较大提升，运算和传输数据的速度也能满足实时监测系统需求；该芯片采用不同的电压供电，内核额定工作电压为1.8 V，I/O 接口额定工作电压为3.3 V。

1.2 DSP 电源电路与复位电路

本系统选择的DSP 微处理器的内核运行电压为1.8 V，接口运行电压为3.3 V，这对供电电源提出了较高的要求。对于传统内核供电电源电路而言，需要在工作时不断切换处理器内部的开关状态，以达到处理器内核和结构工作电压转换，但这种工作流程对能源的消耗比较大，不利于能耗降低要求的实现。根据以上分析，本系统选择TPS767D301 电源芯片，该电源芯片的额定工作电压为+5 V，经过电源电路处理，可以实现不同等级电压的输出，满足处理芯片内核和接口的用电需求，同时当电源处于非工作状态时，进入休眠状态，电流保持在1μA，既能保证芯片功能正常，还能降低能耗。另外，该型号的电源芯片能适应不同的环境温度，可以在-10～95 ℃范围温度内正常运行，且芯片自带温度异常自动保护程序，一旦运行环境温度超出范围，电源芯片自动启动保护程序，切断电源供给[3-4]。

基于系统稳定性考虑，在电源芯片输出端电压产生一定波动时，为了保护电源系统芯片以及负载端元件，系统设计了一种以MAX708 芯片为核心的电源复位电路，复位电路图见图2，复位电路主要是将MAX708 芯片的引脚复位端与DSP 芯片的复位端相连，一旦DSP 电源芯片的任何一路输出端电压降低或升高到正常范围之外后，复位电路的复位端口立即输出一个低电平，使处理器芯片复位。

图2 基于MAX708 芯片的DSP 电源复位电路

1.3 压力信号采集电路

系统的压力采集处理模块由中航威斯特的AFG-50S 型压力传感器和AD7706 模数转换器组合而成，主要实现立柱压力信号的采集功能。AFG-50S型压力传感器检测实时压力并将压力信号通过传感器内部数据器转化为电压信号输出，AD7706 模数转换器接收到电压信号后，对不同振幅电信号倍数的处理放大后，依靠内部芯片实现电平信号自动校正，完成电平信号的十六位快速转换为处理器识别的数字量信号，输送给处理器完成压力信号监测。本系统采用的压力信号采集处理模块应用高基准电压供电技术，相较传统功能模块，监测与识别压力信号精度更高。

煤矿用的液压支架在移动或升降支架的时候，立柱的压力变化较大，容易出现事故，因此本文设计的实时监测系统总思路为立柱压力在出现异常以及在一定时间周期内进行信号采集与处理，当立柱压力变化不大时，监测系统将处于休眠状态，最大程度地实现系统能耗降低以及监测流程简单化，液压支架立柱压力实时监测程序流程示意图见图3。

图3 液压支架立柱压力实时监测程序流程示意图

系统通电后，程序首先进行协议、硬件初始化，初始化完成后，系统开始执行既定流程。按照流程设定对各函数进行调用、判断、监测、执行，根据各函数运算结果不断轮询，执行对应程序。本系统针对立柱压力设定了不同的阈值，分别为压力阈值和压差阈值。将压力采集处理模块采集分析完成后的压力值与阈值进行对比，一旦监测压力值超过了压力阈值范围，则系统立即执行开中断程序，并将异常压力值传送到上位机；如果监测压力值在阈值范围之内，系统会对最近两次的监测压力值做差值计算，如果差值超过设定压差阈值，系统同样立即执行开中断程序，并将异常压力值传送到上位机；如果各监测压力值都没有超过设定的阈值，则系统在完成定时监测后进入休眠状态。

2 结论

1）系统采用TPS767D301 电源芯片，自动完成处理器内核和接口供电电压调整，有效降低系统运行能耗，提升系统运行稳定性；

2）设计了系统闲时休眠程序，设定系统只在立柱压力发生较大变化以及一定周期内定时监测两种模式，避免压力实时监测系统的频繁无效运行；

3）液压支架立柱实时监测系统能够将监测数据远程实时传输到上位机，有效提升监测效率，间接保障了液压支架的运行安全。