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煤矿液压支架立柱压力监测系统设计

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：张兵

[导读] 摘要：液压支架作为综采工作面三大支撑机械之一，其正常运行对整个工作面的高效生产具有重要意义。

        神东煤炭集团布尔台煤矿内蒙古自治区鄂尔多斯市 017209
        摘要：液压支架作为综采工作面三大支撑机械之一，其正常运行对整个工作面的高效生产具有重要意义。在煤矿开采过程中，由于岩石稳定性差，当液压支架顶压时，强烈的岩石结构向上和向下的压力被破坏，会导致整个工作面顶板坍塌。为了保证煤炭生产的安全稳定，必须掌握液压支架的工作状态。通过监测支架柱压力的变化，采取预防措施，防止顶板塌落事故的发生，保证煤矿安全生产。
        关键词：液压支架；DSP；压力监测；
        对现阶段我国煤矿综采工作面的工作情况，设计了一种基于DSP处理器的液压支架立柱压力监测系统。通过分析系统的工作环境与功能要求，对系统的硬件部分，包括处理器及其外围电路与压力信号检测电路进行了选型与设计，对系统软件部分中的主程序流程图进行了设计，设计采用CAN总线的通信方式,实现PC机与各个液压支架立柱的压力数据传输。系统可实现液压支架的安全化管理，将会提高综采工作面的安全性与稳定性，对事故的发生有一定的预警作用，保障工人的生命安全。
        一、概述
        液压支架是煤矿综采工作面安全生产的关键设备之一。及时、准确地掌握支架立柱压力变化情况，有助于液压支架维护和工作面顶板控制。早期的矿用支架压力监测装置，利用压力表或压力传感器测量立柱压力，观测人员定期下井收集数据。为实现实时压力采集，基于单片机和现场总线通信技术，设计了具有CAN总线通信功能的液压支架压力监测装置，能够与顺槽监测总站通信，利用矿井工业以太网将压力数据上传至地面计算机，实现在地面调度室在线监测液压支架压力数据。
        二、系统总体方案设计
        设计的液压支架立柱压力监测系统由地面设备和井下设备2部分组成。其中地面设备包括工作站、服务器、后备电源与通信接口，井下设备包括隔爆电源、巷道分站与各个支架的压力传感器。在本系统中，液压支架上的压力传感器实时地将立柱压力信息传输给分站，分站将压力信号处理传输给巷道分站，巷道分站作为井下控制中心，根据程序设置，将接收来的信号实时与上位机的通讯。
        三、系统的硬件设计
        本系统的硬件结构有PC机、串口、通信模块、处理器模块、传感器模块和存储模块等。其中处理器选择DSP微处理器，通信方式选择基于CAN的通信，压力传感器选择AYX-401压力传感器。传感器模块将所采集数据发送到处理器模块，经过分析与处理，通过串口通信模块，将数据传输到PC机以便工作人员对立柱压力进行实时监测；处理器模块也可将数据传输到存储器模块，便于随时调取液压支架立柱压力的工作状况。
        1.DSP选型。本系统选择微处理器DSP芯片TMS320F2812。由于制造业工业的不断需求，TI公司生产了一款灵活性高、数字处理能力强、具有32位定点外设、成本和功耗很低的芯片TMS320F2812。该芯片由于具有优秀的处理能力，被广泛应用于工业自动化方面。TMS320F2812主要特点有：（1）与传统处理器不同，该芯片采用哈佛总线结构，数据的传输与接收能力大大提高；（2）功耗比较低，芯片采用不同的电压供电，Flash编程电压为3.3 V，内核和I/O接口的工作电压分别为1.8 V和3.3 V；（3）CPU主频高达150 MHz，时钟周期非常短，仅为6.67 ns，CMOS技术性能比较高；（4）中断响应和数据处理能力强；（5）可以在线调试，支持JTAG扫描；（6）ADC模块具有12位，共16个通道；（7）寄存器采用统一汇编语言C/C++进行软件编程。
        2.DSP电源电路与复位电路。DSP芯片TMS320F2812的内核电压和I/O接口电压分别采用1.8 V和3.3 V供电，要求比较复杂。相对以前内核供电电压为3.3 V的DSP芯片，处理器内部部件的开关状态要不停切换，消耗掉大量的能量。经过研究发现降低内核供电电压对能耗的降低有很大帮助，但是市场上一般的芯片无法满足这种不同电压供电的要求，于是TI公司专门设计了几款DSP电源芯片。选择电源芯片为TPS767D301，该电源芯片正常的工作电压为+5 V，通过芯片处理，最终可以输出3.3 V和1.8 V两种不同的稳压电压，刚好满足TMS320F2812对供电电源的要求。TPS767D301芯片在DSP电源系统中应用非常广泛，主要特点有：（1）可以输出一路稳定的电压3.3 V，并且可以输出一路可调的电压，范围为1.5～5.5 V；（2）当处于静态，即在休眠模式时电流比较低，仅为1μA；（3）各调整器的复位部分均采用开路漏极形式，且都设置200 ms的延时输出；（4）对工作温度要求低，可在40~125℃范围内正常工作，而且配备了温度保护装置，当温度异常时自动关闭。TPS767D301芯片外部供电电压为+5 V，第二路输出端2OUT经过芯片调节可以得到稳定的3.3 V电压，第一路输出端1OUT的输出电压范围可调，输出电压的计算公式为：

        其电压范围为1.5~5.5 V，Vref为芯片内部的基准电压。当电源芯片输出的电压不稳定时，为了保护处理器芯片，本文设计了一种基于MAX708芯片的复位电路，将MAX708芯片的引脚复位端与DSP芯片的复位端相连，当DSP电源芯片提供的电压降到设定电压以下，MAX708芯片的复位端口就会输出一个低电平，使处理器芯片复位。
        3. 压力信号采集电路。压力采集模块是由AYX-401压力传感器、AD7706模数转换器组成。AYX-401压力传感器采集液压支架立柱的压力信号，通过处理转换将信号转换成电压信号后送入模数转换器，本系统所使用的AD7706是3通道的模数转换器，其特点是通过对PGA指令设定，AD7706可以直接接收来自传感器输入的电平信号，经过对输入信号不同幅度的倍数的放大，利用芯片内自动校正技术实现16位的快速正确转换，将生成的数字信号串行输给DSP微处理器。本模块采用高基准电压供电，可实现较高的初始精度。
        四、系统软件设计
        液压支架立柱压力的变化，大多发生在支架在移动、升降架时，所以在对系统软件进行设计时采用的总设计思路是将工作模式设定为异常发送及定时采集，当没有任务需要处理时，系统进入休眠。在系统上电后，主程序进行系统初始化，即硬件、协议栈初始化等，具体可以分为时钟初始化、堆栈初始化、定时器装置初始化等。然后系统继续执行程序，调用函数，不断轮询每个任务，若有任务发生就执行相应的程序，如果没有，就轮询下一个任务。在软件编程中设置了一个压力阈值.当得到传感器传输回来的压力信号时，首先分析压力数值是否超过阈值。若超过，则将中断标志位STIF置位，调用中断程序；若没有超过，则再对相邻2次监测的支架立柱压力数值进行分析做差，判断其差值是否超过设定值。若超过，也置位中断标志，运行中断程序；若没有超过则继续执行程序。当设定的时间达到休眠结束，系统数据传输，主程序结束。
        总之，对煤矿液压支架立柱压力监测系统进行了设计，系统的应用，可以实时远程监控液压支架的工作压力，解决了压力观测不便的问题，以及定期采集不能实现实时监测的问题。该压力监测系统自动化程度高，具有很高的安全性与可靠性，结构简单，造价便宜，而且满足矿井下的远距离传输要求。该系统不仅对液压支架的设备安全管理提供了保障，而且对综采工作面的安全生产、高效率生产提供了保障，对煤矿产业自动化做出了贡献。
        参考文献：
        ［1］王剑英，基于PLC的煤矿液压支架压力监测系统设计.2019.
        ［2］张航忠.基于CAN总线的煤矿液压支架压力监测系统设计.2019.