矿用液压支架姿态监测系统方案研究

王月旺

（大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司，山西 忻州 034000）

引言

矿用液压支架是煤矿综采工作面最常用的重要支护设备，其自身性能的稳定性以及工况下的安全性，对煤矿开采的效率以及生产活动的安全有着关键影响[1]。由于综采工作面液压支架安装空间受限，且综采工作面往往载荷变化较大，液压支架工作时可能会处于姿态不合理状态，该状态下的液压支架顶梁出现的不平衡会直接造成顶梁与支护顶板之间接触面积较小，导致支护效果下降[2]，另外液压支架不合理的姿态极有可能使其某些关键零部件受到损坏，使得液压支架功能稳定性受到影响，严重的还可能引发支护事故。本文旨在建立一套符合液压支架运行工况的姿态监测系统，实时监测工作状态，从而提升液压支架支护的稳定性和安全性。

1 液压支架姿态形式

两立柱掩护式液压支架是我国煤矿应用最多的液压支架，其结构组成见图1。液压支架姿态不合理的原因主要有液压支架安装位置地面不平整、综采工作面顶部不平整导致顶梁受力不均匀、液压支架安装调整错误以及液压支架掩护梁角度过小等。

当液压支架底座处于水平状态时，根据综采工作面顶板的实际情况，液压支架的顶梁会承受不同方向与大小的压力，处于支护稳定状态后，支护顶梁可能出现抬头、低头和水平三种状态，示意图见图2（上）。当液压支架底座由于安装位置地面不平整或者拉架作时提底动作过高，使得液压支架可能出现不同的姿态，示意图见图2（下）。另外如果在液压支架拉架过程中前部受到的阻力过大，底座会出现低头现象，同样会使得液压支架出现抬头、水平和低头三种姿态。

图1 两立柱掩护式液压支架结构组成示意图

图2 底座处于不同状态时液压支架姿态示意图

总之，不同状态下引起的液压支架不合理姿态主要表现为底座和顶梁的非水平，这对液压支架的支护能力和安全性有着很大的影响。液压支架的姿态形式可以通过部分构件的对应参数变量来确定，基于监测需求，一般选择液压支架姿态关键构件的倾角和前后立柱的压力来确定。液压支架倾角参数是表现液压支架姿态的最直观参数，通过分析不同状态时液压支架的姿态可以看出，底座水平倾角和顶梁水平倾角是监测的关键，一般而言，顶梁俯仰角不可以超过5°。另外液压支架姿态不合理时，前后立柱液压气缸的压力必定是不相同的，因此监测前后液压支架的压力也是有效的。

2 姿态监测系统方案设计

系统主要包括三大模块：数据采集模块、数据传输交互模块以及上位机应用模块，主要实现监测液压支架工作状态以及姿态情况的功能。系统结构组成示意图见图3。

图3 液压支架姿态监测系统结构组成示意图

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要由具有数据采集与转化功能的各种传感器构成。压力传感器采用中航威斯特本安型GST-20S 隔膜矿用压力变送器，内部的核心隔膜采用高性能弹性材料，内部电路能够实现压力信号-弹性形变-电信号的转化，输出量为4～20 mA信号，测量量程为0～65 MPa，误差±0.25%FS，能够高精度准确采集液压支架的压力信号。倾角传感器由位移传感器GSF-880 和加速度传感器ADXL235共同组成，测量三轴方向的位移和加速度分量，组合计算后输出电压信号，经数据处理单元C8051F020单片机计算处理得到倾角数据。除此之外，数据采集模块还包括超声波探伤仪、超声波泄漏仪、温湿度传感器以及瓦斯浓度传感器等，主要采集液压支架工作状态信号[3-4]。煤矿液压支架姿态监测系统各监测分站之间信号采集采用并联方式，采集互不干扰，数据处理采用集中处理方式。

2.2 信息传输交互模块

信息传输交互模块是连接数据采集模块与上位机的桥梁，信息传输是建立在统一的数据传输协议基础上的，将系统采集数据经过一定的识别处理，通过串口通讯和工业总线相结合的方式完成数据采集到数据处理以及数据处理完成到上位机等其他终端设备的传输。本系统采用的信息传输方式是RS485结合以太环网通信方式[5]。液压支架姿态监测系统中各监测分站之间的通讯采用RS485 总线通讯方式实现实时数据传输与共享，井下防爆液压支架监测主机对各监测分站的周期性监测状态巡检也是通过该种通讯方式实现的。而各类地面监测主机、远程监测主机以及矿山监测监控主机与井下就地监测分系统的通讯方式采用的是以太网方式，数据传输方式示意图见图4。

图4 液压支架姿态监测系统数据传输网络图

2.3 上位机应用模块

上位机应用模块是液压之间姿态监测系统的核心，本系统上位机采用LabVIEW 开发平台，利用应用接口使其与MySQL 数据库管理软件相连，通过RS485 总线通信方式接收系统监测分站传输的数据，并利用软件程序完成随液压支架姿态变化形成的数据的处理、显示、调取、存储、查询以及管理等功能。本文采用的LabVIEW 开发平台是一种将所有通信功能与符合GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 协议的硬件和数据采集卡集成在一起的开发平台。基于LabVIEW的液压支架姿态监测系统上位机界面见图5。

图5 基于LabVIEW 的液压支架姿态监测系统上位机界面

3 结论

1）针对我国井下常用的两立柱掩护式液压支架姿态形式做了归纳，分析不同姿态下数据参量的变化趋势，为姿态监测量提供理论依据；

2）对液压支架姿态监测系统结构方案进行了设计，对其中关键性的数据采集模块、数据传输交互模块以及上位机应用模块的原理和部分选型情况做了说明；

3）液压支架姿态监测系统以RS485 和以太网结合的通讯方式，实现了监测分站、矿山监测系统以及地面监测系统之间的数据传输和共享，符合智慧矿山的系统设计理念。