四台矿液压支架姿态监测系统设计研究

李媛媛

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037001）

1 概况

四台矿年生产能力为0.14 Mt，主要开采4、5 号煤层。矿井最高点标高+1215 m，最低点标高975 m，高差达到240 m 左右，属于低中山区地形，总面积约1.1 km2。开采采用斜井开拓的方式，进行长壁式采煤。目前开采的1024 工作面采用的液压支架在综采工作面的安装空间受限，而综采面的围岩荷载大，液压支架支护难度较大，即使完成支护也常出现姿态不合理情况，导致支护顶梁与巷道顶板接触角度小，支护面贴合度不高，支护效果大大降低，还会使液压支架某些结构损坏，进一步降低支护效果和支护稳定性。基于此进行井下液压支架运行状态姿态实时监测系统研究[1-6]，将姿态实时数据采集处理并显示在控制室上位机[7-10]，实时掌握支护状态，及时调整不合理支护姿态，对综采工作面的安全掘进以及开采效率的提升意义重大。

2 液压支架姿态监测系统结构设计

液压支架姿态监测系统大致可以分为三个部分：液压支架工作姿态数据采集系统、信息处理系统以及数据管理显示系统，总体架构如图1 所示。液压支架工作姿态数据采集系统的核心是倾角传感器和惯性测量单元，其中倾角传感器分别安装在液压支架的顶梁、后连杆和底座上，主要采集这三个部位的倾斜角度。倾角传感器和惯性测量单元分别获取到各部位的姿态数据，经过自身微处理芯片完成数据的识别与转化，将4～20 mA 信号传输到姿态监测模块中；姿态监测模块具有信号处理、管理与传输功能，接收到传感器和测量单元的电流信号后，经过数据计算处理，将液压支架姿态监测数据转化为数据管理显示系统可识别的信号，通过CAN 总线传输到监控室上位机；姿态数据管理与显示系统一方面为姿态监测数据提供上位机显示功能，同时还具有监测报警、控制信号输入等作用，是客户的数据管理终端系统。

图1 液压支架姿态监测系统结构图

3 液压支架姿态测量模块硬件设计

（1）惯性测量单元

为了便于安装在井下液压支架特定部位上，惯性测量单元不仅要体积小、功能全，还要能够完全适应井下恶劣的工况环境。基于此，采用35 mm×20 mm 的PCB 板进行设计，主要包括SWD接口、RS232 串口、微型数据处理器和处理芯片。惯性测量单元处理芯片是核心部件，采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六轴运动处理组件，该芯片集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，集成性能优化度高，性价比高。芯片运算系统采集通过AD 转化器转化端口电压形成的数字信号进行运算，通过设定的运算规则，测量获取液压支架的角速度和加速度值。MPU6050 芯片的接口电路设计如图2，其中芯片的I2C 接口时钟线SCL 和数据线SDA 接口分别与处理器控制接口连接，进行系统角速度和加速度信息采集。

（2）倾角传感器模块

倾角传感器模块同样要考虑到工作工况，采用50 mm×30 mm 的PCB 板进行设计，倾角传感器芯片选择芬兰VTI Technologies 公司的SCA100T-D02型芯片。该芯片精度能达到0.002°，可以同时进行水平两轴倾角监测，芯片监测数据输出为数字量信号，便于微型处理器的识别和计算。芯片接口电路如图3 所示，工作电压为5 V，其中MOSI、MISO、SCK 为SPI 通讯接口，芯片采集的倾角数字量信号通过芯片电路中的Axis_X 和Axis_Y 接口输出。倾角传感器模块的测量轴安装时要注意轴线平衡，最大程度降低两测量轴的耦合影响，以提升模块的测量精度。

图3 SCA100T-D02 型倾角测量芯片接口电路图

4 液压支架姿态监测系统测量模块数据流程设计

液压支架姿态监测系统中的惯性测量单元的数据发送流程如图4。供电后惯性测量单元中的微型处理器自动对系统进行初始化设置，目的是将模块中的定时器归零，随后通过芯片中的I2C 总线发送指令到MPU6050 型惯性测量芯片，使芯片中的三轴加速度计和三轴陀螺仪进行校准；发送标注数据帧，对RS232 串口进行检验。如果数据帧发送失败，计数器计数加1；如果发送失败次数超过128，系统报错，数据流程结束；如果数据帧在128 次之内发送成功，进行使能定时器，芯片运算系统采集六轴端口电压进行液压支架姿态数据计算处理，将计算结果输出到姿态监测模块；如果发送不成功次数超多128 次，系统再次报警停机，如果发送成功则完成惯性测量数据的采集与处理。倾角传感器模块的数据发送模式与惯性测量单元数据发送模式类似，主要不同在于：芯片与传感器之间以及倾角传感器与监测模块的通讯都采用了SPI 总线接口。

图4 惯性测量单元模块数据发送框架图

5 应用效果

为了验证液压支架姿态监测系统效果，四台矿在综采工作面实验室平台上搭建液压支架姿态监测系统试验平台，实验室上位机上安装设计的监控软件，对1024 工作面液压支架进行姿态监测试验。将系统姿态测量模块安装在液压支架既定位置上，对倾角传感器、惯性测量模块以及姿态监测主板、控制器以及上位机等相互通讯进行调试，保证各模块之间通讯通道畅通。液压支架控制人员开始调整液压支架动作，待液压支架姿态达到试验监测位置时，停止液压支架姿态动作后，实验室人员通过上位机监测对应参数，与液压支架实际姿态数据进行对比，以确定姿态监测系统的准确性和稳定性。上位机监测界面如图5。试验共进行了15 轮，通过数据对比显示，液压支架顶梁角度监测数据比实际数据平均偏差0.22°，支架底座角度平均偏差0.16°，支架支护高度平均偏差0.01 m，说明姿态监测系统的精度和稳定性满足应用需求。

图5 四台矿液压支架姿态监测系统上位机试验界面

6 结论

（1）设计的液压支架姿态监测系统由姿态数据采集系统、信息处理系统和数据管理显示系统构成，分别实现液压支架数据采集、处理与管理功能，监测结果显示在上位机上，当液压支架姿态超出预设值后，系统自动报警。

（2）惯性测量单元采用Inven Sense 公司的MPU6050 型六轴运动处理组件，倾角传感器模块选择芬兰VTI Technologies 公司的SCA100T-D02 型芯片，并对芯片接口电路进行设计，对惯性测量单元和倾角传感器模块的数据发送流程进行设计。

（3）搭建液压支架姿态监测系统试验平台，进行15 轮支架顶梁、底座角度和支架高度监测，结果表明支架顶梁角度平均偏差0.22°，底座角度平均偏差0.16°，高度平均偏差0.01 m，系统精度和稳定性满足设计需求。