液压支架工况无线监测系统研究与应用

摘要：采煤工作面液压支架工况监测中经常会因信号线拉断导致数据中断的问题，本文设计了一套无线液压支架工况监测系统，详细介绍了该系统的结构原理、系统结构，通过应用监测，确定该系统可靠有效，可彻底解决有线矿压监测系统信号线拉断的问题，实践表明液压支架工况无线监测具有广阔的应用前景。

关键词：矿压监测；液压支架；无线监测系统；传感器；信号中断

引言

目前，各采煤工作面矿压监测系统多采用有线监测系统，即工作面上各压力分机之间以及分机与监测主站之间采用电缆连接，压力数据通过电缆传输，实现在线监测。随着开采工作面的推进，伴随支架的移动和升降等操作，极易拉/挤断信号传输电缆（如监测分机之间电缆、监测分机与主站之间电缆、对监测分站供电的电缆等），发生信号传输故障。出现电缆故障后，故障点多数在电缆外皮内，查找与定位维护困难，导致支架工况监测数据中断，现场采集的压力数据不能及时上传到地面计算机，从而不能及时地掌握支架的工况情况，给矿井安全带来了极大的隐患。

本文基于振弦传感器理论和无线传感器网络WSNs技术，研制了一套适合于煤矿生产实际的振弦式煤矿支架工况无线监测系统，彻底解决了因工作面监测设备连接电缆的拉/挤断带来的一系列问题，保证支架监测数据及时准确上传至地面计算机。

一、KJ621支架工况无线监测系统结构设计

（一）系统总体结构。针对井下工作面长度和液压支架的实际排列，布置多个无线中继器，组成以中继器为核心的无线传感器网络拓扑结构，完成工作面数据采集和传输。KJ621支架工况监测无线系统结构如图1所示。

本系统采用振弦传感技术采集和计算支架压力信息，矿井下无线传感器网络主要由YHY60W数字压力表、KJ621-Z无线中继器和KJ621-F监测分站组成。YHY60W数字压力表（各带二只振弦压力传感器）安装在采煤工作面液压支架立柱上，按一定周期（如5min）自动采集支架的压力信息，之后进行处理、计算、分析、显示并存储并将每周期采集的数据通过无线方式传输到中继器；中继器一方面通过多跳的方式将这些数值传至监测分站，另一方面负责将监测分站收到的监测服务器命令传到压力表，对这些节点起到控制作用；监测分站通过光缆或电缆接入工业以太网，负责将系统内所有压力表采集到的监测数据上传至地面监测服务器，以供地面计算机的显示与控制。地面计算机运行的KJ621监测系统分析软件同期对数据进行分析处理，绘制出实时模拟曲线。KJ621监测系统分析软件同时可以查询支架运行的历史数据，从而可掌握工作面的压力变化趋势，进而为分析来压规律等提供依据。

图1 KJ621支架工况监测无线系统结构图

（二）KJ621支架无线监测系统工作原理。井下采煤工作面的各监测设备组成无线压力表网络，相对位置不变，采用直线式星形拓扑结构。各无线节点（压力表、中继器、监测分站）工作由各自内部时钟控制。为消除时钟芯片误差，设计以1#中继器的时钟为标准，事先用北京时间校准，带到工作面用1#中继器调整其他无线节点时钟，开启无线系统工作，以后每到规定时刻（如5 min的整数倍），时钟唤醒井下各无线节点设备工作一次，具体控制实现方式如下：

1、1#中继器每到规定时刻被唤醒，发出时钟同步信号，同步工作面各无线节点内部时钟；

2、由最大编号（离分站最远）的压力表到1#压力表，依次每隔2秒钟向最近的主管中继器无线发送编号和两个压力数据，即最大编号中继器将获得的其主管的压力表数据发给编号小1的中继器，依此类推，直到N个压力表数据全部集中到1#中继器；

3、1#中继器先存贮数据而后呼叫监测分站，将这一循环的起始时间和各压力表采集的数据发送给监测分站，收到监测分站回应OK后休眠；

4、监测分站收到所有压力表数据并存贮后呼叫地面微机，将这一循环的数据发送给地面监测微机；

5、地面微机采用多线程异步通信方式，实时接收监测分站上传的数据，一个线程分析和存贮数据于数据库，另一个线程将各支架压力实时显示在模拟图上，绘制各支架压力-时间曲线和支架压力-空间分布曲线，便于值班人员随时观察，以及时了解工作面支架受力分布情况。

二、系统硬件设计

（一）YHY60W数字压力表

图2 YHY60W数字压力表结构图

YHY60W数字压力表结构图如图2所示。时钟在每个工作周期唤醒MCU后，电路上电，振弦压力传感器的钢弦被激发振动，激发电路输出准数字频率信号，直接引到MCU，MCU以多倍周期法快速准确测量频率，并按振弦传感器精确数学模型计算支架的压力值P1和P2，之后进行数据存贮、数据分析处理和显示，若压力值超限则立即报警。到规定的时刻，MCU通过无线通信方式将压力值P1和P2发送给相关中继器，然后进入休眠状态，等待下一个工作周期。

1、振弦压力变送器。为了改进振弦传感器的性能，提出了标准二次抛物线模型P=A（f2-f02）+B（f-f0），

该模型使拟合准确度大幅提高，而且具有调零去皮和温漂修正功能（即将皮重或某温度对应频率作为f0）。在其指导下，开发了恒流输出自激型弱激发钢弦激发电路。进一步改进了传感器液压承载结构，首创了弹性膜居中的H 型压力膜，消除了其他弹性形变影响，增强了液压安全性。根据以上3个方面的改进，试验制作了16只振弦传感器，标定后误差都符合高准确度传感器的标准，其性能见表1。

表1 16只振弦压力传感器性能表（环境温度：21℃）

编号 综合误差/%FS 滞后误差/%FS 编号 综合误差/%FS 滞后误差/%FS

01 -0.07 0.13 09 0.06 -0.07

02 0.12 -0.13 10 -0.05 0.07

03 0.08 -0.10 11 0.12 -0.13

04 0.06 -0.08 12 0.06 -0.04

05 0.18 -0.28 13 0.02 0.03

06 0.06 -0.09 14 -0.09 -0.17

07 0.10 -0.17 15 0.20 -0.28

08 -0.06 0.11 16 0.11 -0.19

说明：%FS为满量程误差

由表1可见，最大综合误差为满量程误差的0.2%，最大滞后误差为满量程误差的-0.28%，表明振弦压力传感器进入高准确度压力传感器行列。

2、YHY60W数字压力表软件工作流程。YHY60W数字压力表供电后，初始化各硬件设备，并与中继器进行时钟同步，然后按固定的周期（如5 min）工作，在每一个工作周期过程中，时钟唤醒各电路进入工作状态，采集二只振弦传感器的频率数据值，滤波后进行计算、存储和显示，然后将压力数据经中继器路由无线传输到监测分站，收到监测分站回应OK后进入休眠状态，等待下一工作周期到来。YHY60W数字压力表软件采用C语言设计，软件工作流程图如图3所示。

图3 YHY60W数字压力表软件工作流程图

（二）KJ621-Z无线中继器。无线中继器设计为矿用本质安全型，采用3.6 V锂电池经本安设计电路供电，符合GB3836标准要求。无线中继器接受采集仪的指令，可被设置编号、工作周期和修正时钟，主要功能如下：

1、1#中继器是工作面无线网络设备的核心，起控制与协调作用，以它的时钟为基准，同步工作面所有无线网络节点设备的时钟，各压力表采集的支架工况信息经它路由无线发送给监测分站。

2、其他中继器主要用于路由跳转，以延长无线压力表网络的覆盖范围 。

（三）KJ621-F监测分站。监测分站采用矿用隔爆兼本质安全型设计，采用127VAC供电，由隔爆外壳保护防爆性能，符合GB3836标准要求。内设以太网控制模块与光纤收发器进行双向通信，将定时采集的各压力表数据经光缆传送到地面监测服务器。

监测分站（Sink节点）一方面负责组建无线网络，“握手”成功后，才接收各压力表节点传来的支架工况数据，否则予以清除，以免干扰进入；另一方面将两个使用不同协议的网络联接在一起，实现无线网络与有线网络协议之间的通信转换，把无线接收的支架工况数据转发到有线网络上，完成与地面监测服务器的数据交换。监测分站软件采用C语言开发，具有网络重发、存储数据标记、定时无线收发和消除干扰等功能。

（四）YHC64数据采集仪。便携式无线数据采集仪是系统必要的功能补充设备，主要用于设置或修改无线压力表网络中各节点参数和时钟校准，采集压力表、1#中继器和监测分站数据，并将采集到的数据通过USB接口输入地面监测服务器。

三、KJ621支架工况监测系统地面软件设计

监测系统充分运用矿井自动化环网的各种设施及计算机控制技术，实现对采煤工作面支架工况信息的监控。KJ621支架工况无线监测系统上位机软件采用C#.NET2010+MSSQL平台开发，后台线程监听各监测分站，并异步接收上传的数据，通信误码率小于10-8。前台线程把采集来的各支架数据分析处理，做出实时压力曲线和报表，同时存入数据库，供管理人员查询和调用。历史数据的统计分析方便生产指挥人员及时掌握井下作业信息，了解工作面初次来压和周期来压情况，从而合理调度指挥生产。软件设计符合国家行业标准MT209和MT210煤矿通信、检测、控制用电工电子监测系统具体要求。

四、监测系统测试及结果分析

在山东某煤矿进行了3个月的工业性试验。该工作面开切眼位置距离井下以太网接入设备约为5 km，监测分站安装在轨顺端头的超前支架上，采用光缆接入430泵房环网交换机，进入矿井以太网，将数据传输到地面信息中心服务器。试验时将无线收发频率提高到470 MHz，每隔40m设置一个中继器组网方式，保证网络覆盖范围内压力数据的实时监测和传输。

测试时，表2为上位机软件记录的某一时刻10个液压支架前后柱的压力值。

表2 实际测试支架压力数据

支架号 前柱值/MPa 后柱值/MPa 支架号 前柱值/MPa 后柱值/MPa

01 26.62 25.90 06 26.17 27.21

02 25.12 26.11 07 26.46 27.81

03 25.15 25.41 08 26.51 25.41

04 24.71 25.61 09 28.12 27.52

05 27.15 28.21 10 28.14 27.61

由表2可以看出，压力值在24―30 MPa 的正常范围，与支架立柱的压力表数据吻合；同时通过上位机提供的历史数据曲线，可以方便掌握工作面周期来压规律、升降架次数和压力变化趋势等信息。

五、结语

本文研究开发了煤矿支架工况无线监测系统，采用先进的振弦传感技术采集、计算和分析处理各支架压力信息，并在采煤工作面组成无线压力表网络，完成支架工况信息的采集、分析处理和无线传输，解决了以往监测系统通信电缆易出现的拉/挤断问题，保证了监测数据准确和及时上传。研制开发的KJ621煤矿支架压力监测系统实时监测软件，方便管理人员及时掌握采煤工作面矿压规律，为矿井的信息化打下基础。

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