侯　剛

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯剛

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

為了及時(shí)全面地掌握和了解工作面液壓支架支護(hù)質(zhì)量，采用了礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)，通過液壓支架姿態(tài)無線微功耗自供電實(shí)時(shí)監(jiān)測、液壓支架受力狀態(tài)無線微功耗自供電實(shí)時(shí)監(jiān)測、液壓支架支護(hù)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警、液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合保障信息四部分實(shí)現(xiàn)了對液壓支架姿態(tài)、初撐力、循環(huán)末阻力、周期來壓、支護(hù)質(zhì)量、保障信息等方面內(nèi)容的顯示、不合理使用和隱患預(yù)警。結(jié)果表明通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量全面、綜合性地監(jiān)測和保障，保證了綜采工作面液壓支架安全、高效、長壽命地使用。

液壓支架；支護(hù)質(zhì)量；綜合；監(jiān)測；保障系統(tǒng)

由于工作環(huán)境惡劣，煤層條件復(fù)雜多變，液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測和保障一直是綜采工作面液壓支架日常生產(chǎn)的重要組成部分。目前國內(nèi)外對液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合性的監(jiān)測和保障系統(tǒng)的研究相對較少，有學(xué)者提出了一種基于組態(tài)軟件的液壓支架壓力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下液壓支架壓力的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，但僅采集立柱壓力數(shù)據(jù)，且采用的是有線傳輸模式；另有學(xué)者提出一種應(yīng)用于煤礦綜采工作面集散型液壓支架控制系統(tǒng)中央監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，開發(fā)了煤礦綜采工作面液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，但是該應(yīng)用系統(tǒng)需要與其自主研發(fā)的支架電液控制器配合才能使用，并且主要針對的是常規(guī)參數(shù)監(jiān)測，不具有支架支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測的功能[1-11]。礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)了對液壓支架底座、掩護(hù)梁、頂梁的水平傾斜和仰俯角度、工作面采高、支架高度、工作阻力、仰俯采角度、合理作用點(diǎn)、壓力超限、初撐力不足、不規(guī)則受力等情況的監(jiān)測，防止液壓支架壓死、頂梁開裂、倒架等重大危險(xiǎn)事故的發(fā)生，為液壓支架工作阻力等參數(shù)的確定和后續(xù)設(shè)計(jì)液壓支架提供依據(jù)。

1　支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測保障系統(tǒng)

1.1監(jiān)測保障系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要有四大功能：通過微功耗無線自供電姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)監(jiān)測功能、通過無線微功耗自供電壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的支架受力狀態(tài)監(jiān)測功能，以及支架支護(hù)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警功能和支架支護(hù)質(zhì)量綜合保障信息功能。監(jiān)測保障系統(tǒng)具有數(shù)字、列表、曲線、直方圖、二維圖、三維圖等多種顯示方式，具有工作面整體、單架、歷史等多種查詢方式，具有班報(bào)表、日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等多種報(bào)表形式，具有遠(yuǎn)程在線訪問等諸多功能[10]。

1.2支架姿態(tài)監(jiān)測

液壓支架的姿態(tài)是反映其支護(hù)質(zhì)量的有效參量之一，通過布置在液壓支架頂梁、掩護(hù)梁和底座的無線微功耗自供電姿態(tài)傳感器分別測量出各部位的水平傾斜角度和仰俯角度，通過高精度溫度傳感器對當(dāng)前設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算校準(zhǔn)，通過無線射頻收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式上傳至多功能顯示終端。姿態(tài)傳感器采用內(nèi)部電池供電，通過對姿態(tài)傳感器的監(jiān)測在多功能顯示終端可以顯示出支架高度、工作面采高、工作面仰俯采角度等姿態(tài)監(jiān)測信息[11]。姿態(tài)監(jiān)測具有連續(xù)采集、定時(shí)主動(dòng)發(fā)送、波動(dòng)采集、主從訪問工作模式，具有通信頻段、傳送速率、發(fā)射功率、空中喚醒、空中數(shù)據(jù)偵聽可設(shè)置等功能。

1.3支架受力狀態(tài)監(jiān)測

液壓支架的受力狀態(tài)也是反映其支護(hù)質(zhì)量的重要參數(shù)，通過布置在立柱和平衡千斤頂處的無線微功耗自供電壓力傳感器，得出立柱和平衡千斤頂受力狀態(tài)，通過傳感器自帶的液晶顯示屏將當(dāng)前壓力值、電池電量等信息顯示出來，通過無線射頻收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式上傳至多功能顯示終端[12]。壓力傳感器采用內(nèi)部電池供電，通過立柱和平衡千斤頂受力狀態(tài)的監(jiān)測與分析，在多功能顯示終端可以顯示出支架合力作用點(diǎn)的位置、工作阻力、立柱壓力等監(jiān)測信息。受力狀態(tài)監(jiān)測具有連續(xù)采集、定時(shí)主動(dòng)發(fā)送、波動(dòng)采集、主從訪問工作模式，具有最低壓力報(bào)警、最高壓力報(bào)警，通信頻段、傳送速率、發(fā)射功率、空中喚醒、空中數(shù)據(jù)偵聽可設(shè)置等功能。

1.4支架支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)警

通過液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和受力狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以得出當(dāng)前支架的綜合支護(hù)質(zhì)量狀態(tài)信息，通過多功能顯示終端高清液晶顯示屏，以二維圖形、數(shù)字曲線等直觀的方式，實(shí)現(xiàn)對支架歪斜、倒架、擠架、扭曲度、不規(guī)則受力、疲勞度、壓力超限、初撐力不足、頂板周期來壓步距等現(xiàn)象與趨勢進(jìn)行顯示和預(yù)警，為提高支架支護(hù)質(zhì)量的調(diào)整提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

1.5支架支護(hù)質(zhì)量綜合保障

通過對液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測和處理，實(shí)現(xiàn)對液壓支架合理支護(hù)狀態(tài)和不合理支護(hù)狀態(tài)的在線顯示和統(tǒng)計(jì)，給出液壓支架提高支護(hù)質(zhì)量的合理化操作建議，根據(jù)長時(shí)間的使用情況對液壓支架的檢修和維護(hù)保障項(xiàng)目進(jìn)行及時(shí)的提醒，以提高液壓支架支護(hù)質(zhì)量、延長液壓支架的使用壽命[11]。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1微功耗電池供電技術(shù)

系統(tǒng)中的所有傳感器均采用電池自供電技術(shù)，因此傳感器的整體微功耗是設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過選擇低功耗的元器件、合理的工作模式和各工作模式下各耗電部分的合理休眠實(shí)現(xiàn)傳感器的整體微功耗。傳感器測量單元、主控制器單元和無線收發(fā)單元是傳感器的主要耗電單元，姿態(tài)和壓力傳感器都采用了一種主控器芯片和無線收發(fā)芯片。本次設(shè)計(jì)選用的主要微功耗元器件在3.3V電池電壓供電情況下電流功耗如表1所示。

表1　主要元器件電流功耗

系統(tǒng)的姿態(tài)和壓力傳感器都具有4種工作模式，當(dāng)傳感器處于連續(xù)高頻采集工作模式時(shí)，傳感器的功耗為正常工作狀態(tài)功耗；當(dāng)處于定時(shí)主動(dòng)發(fā)送工作模式時(shí)，傳感器只有到達(dá)系統(tǒng)設(shè)置的采集時(shí)間時(shí)，才進(jìn)入喚醒狀態(tài)喚醒主控制器、測量單元、無線收發(fā)單元和相關(guān)的功能單元，在40ms內(nèi)完成本次數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送，傳感器處于休眠狀態(tài)時(shí)只有主控器的定時(shí)時(shí)鐘在工作，其他所有的功能單元都處于徹底斷電或者休眠狀態(tài)；當(dāng)處于波動(dòng)采集工作模式時(shí)，只有傳感器的測量單元和比較單元處于工作狀態(tài)，其他所有單元都處于徹底斷電或者休眠狀態(tài)，當(dāng)傳感器測量的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)喚醒相關(guān)功能模塊，完成本次數(shù)據(jù)的采集過程后相關(guān)功能模塊自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)處于主從訪問時(shí)，一種工作方式是整個(gè)傳感器只有無線收發(fā)單元處于待機(jī)喚醒狀態(tài)，其他所有功能模塊都處于徹底斷電或者休眠狀態(tài)，當(dāng)無線收發(fā)模塊接收到多功能顯示終端發(fā)送的上傳數(shù)據(jù)指令時(shí)喚醒相關(guān)功能單元完成當(dāng)前數(shù)據(jù)的采集過程，另一種是傳感器采用波動(dòng)采集的工作方式，將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控制器的寄存器中，無線收發(fā)單元處于待機(jī)喚醒狀態(tài)，當(dāng)無線收發(fā)單元接收到多功能顯示終端發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，將寄存器中的數(shù)據(jù)全部上傳給多功能顯示終端，此工作模式主要降低了無線模塊多次發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗。

2.2多節(jié)點(diǎn)無線通信組網(wǎng)技術(shù)

按照綜采工作面200架液壓支架考慮，每個(gè)液壓支架布置5臺(tái)傳感器和1臺(tái)終端，整個(gè)工作面具有1201個(gè)無線通信節(jié)點(diǎn)。如何保證多節(jié)點(diǎn)下無線通信的穩(wěn)定可靠是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線通信系統(tǒng)采用了兩級(jí)組網(wǎng)、分頻段通信的無線組網(wǎng)方式。

每架液壓支架的傳感器和終端各自構(gòu)成了一個(gè)二級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，每架支架內(nèi)安裝的傳感器和終端采用同一個(gè)頻段的通信網(wǎng)絡(luò)，使各個(gè)液壓支架之間的傳感器和終端之間不產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信的干擾，每架內(nèi)的傳感器都具有數(shù)據(jù)偵聽功能，當(dāng)某一傳感器需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)如果偵聽到該頻段內(nèi)有傳感器正在發(fā)送數(shù)據(jù)，該傳感器將自動(dòng)延時(shí)1ms后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，從而保證了每架內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)沖突的問題[13]。

終端和主站構(gòu)成了一級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，該級(jí)網(wǎng)絡(luò)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)不在同一個(gè)頻段，保證了兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定通信。一級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用主從訪問的工作模式，即每次數(shù)據(jù)的發(fā)送是由主站發(fā)送指定節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)指令，節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)指令后將數(shù)據(jù)全部上傳給主站。因?yàn)榫C采工作面設(shè)備較多且傳輸路徑較遠(yuǎn)，所以每個(gè)一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都具有無線通信中繼的功能，各節(jié)點(diǎn)具有上電自組網(wǎng)的功能[14]，節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)路徑實(shí)現(xiàn)與主站的通信，也可以通過人工設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信路徑，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和主站按照指定的通信路徑進(jìn)行通信，人工設(shè)置網(wǎng)絡(luò)路徑時(shí)可同時(shí)設(shè)置多條通信路徑做為備用通信路徑。

2.3液壓支架姿態(tài)相關(guān)算法

液壓支架姿態(tài)狀況的監(jiān)測關(guān)鍵的就是通過姿態(tài)傳感得出支架的相關(guān)參數(shù)，其中核心關(guān)鍵的參數(shù)就是支架高度、立柱長度和平衡千斤頂?shù)母叨?，通過布置在支架頂梁、掩護(hù)梁和底座的3個(gè)姿態(tài)傳感器可以實(shí)時(shí)得出支架的角度狀態(tài)并進(jìn)行測量[15]，算法相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

圖1　支架算法參數(shù)示意

設(shè)：頂梁抬頭時(shí)α為正，底座低頭時(shí)γ為正；由于數(shù)據(jù)傳輸中α，γ值的正負(fù)由標(biāo)志位決定，因此在計(jì)算開始前，需首先對α，γ的正負(fù)進(jìn)行賦值。圖1中L1，L2，L3，L4，L5分別為頂梁、掩護(hù)梁、前連桿、后連桿、底座的長度；H，X，Y分別為支架高度、立柱長度、平衡長度；A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，K，J為支架的鉸接點(diǎn)。

已知：

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立(1)，(2)，(3)式得：

令：

K1=L32-XB2-YB2

K2=L42-XA2-YA2

K5=2K3-2XA

K6=2K4-2YA

K7=K2-K32-K42+2XAK3+2YA·K4

K8=K5+2XB

K9=K6+2YB

K10=K7-K1

K11=1+K82/K92

K12=2K8YB/K9-2K10K8/K92-2XB

K13=K102/K92-2YBK10/K9-K1

代入求解，可得：

利用上述結(jié)果可求得：

H=YG+L20·cosα+L1·sinα+L5·sinγ

2.4液壓支架受力情況相關(guān)算法

由姿態(tài)算法可求出A，B，D，E點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步解算求解O點(diǎn)坐標(biāo)：

令：

M1=YE-YB

M2=XE-XB

N1=YD-YA

N2=XD-XA

可得

O點(diǎn)到頂梁G點(diǎn)所在直線距離為：

其中：

O點(diǎn)到頂梁所在直線距離為：

其中：

O點(diǎn)到立柱所在直線距離為：

O點(diǎn)到平衡千斤頂所在直線距離為：

G點(diǎn)到立柱所在直線距離為：

G點(diǎn)到平衡千斤頂所在直線距離為：

取頂梁和掩護(hù)梁為隔離體，各力對O點(diǎn)取力矩平衡方程為：

取頂梁為隔離體，各力對G點(diǎn)取力矩平衡方程為：

P·r5+Qf·L20-Q·XQ+PE·r6=0

聯(lián)立上述兩方程求解可得：

3　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及效果分析

按照以上的設(shè)計(jì)，姿態(tài)傳感器最終實(shí)現(xiàn)了雙向測量精度小于0.1°，量程為±90°。壓力傳感器最終實(shí)現(xiàn)了測量精度小于0.1MPA，量程為0～80MPA，2倍滿量程過載能力。無線通信網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)了通信頻率300個(gè)頻段，可設(shè)相鄰頻段之間沒有數(shù)據(jù)沖突、空中速率做到1.6～200K中間幾檔可調(diào)、發(fā)射功率可設(shè)、無線通訊距離10～300m之間可設(shè)。多功能顯示終端實(shí)現(xiàn)了7個(gè)界面顯示，分別為：主界面、通信界面、站點(diǎn)設(shè)置界面、傾角傳感器設(shè)置界面、壓力傳感器設(shè)置界面、報(bào)警信息界面、其他顯示界面[16]，通過按鍵實(shí)現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)和功能的設(shè)置。

系統(tǒng)中的主站、終端及傳感器全部采用不銹鋼沖壓和鑄造設(shè)計(jì)[17]，系統(tǒng)通信全部采用無線通信方式，但具有有線通信的功能，傳感器具有多種采集方式[18]，且壓力傳感器自帶顯示屏，傳感器都采用電池供電技術(shù)，終端和主站都具有應(yīng)急電源，在系統(tǒng)斷電情況下能保證系統(tǒng)工作，主站和終端具有高清液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)情況，主站和終端具有U盤取數(shù)、無線、總線、以太網(wǎng)、光纖等多種通信方式，終端具有數(shù)字量、模擬量多種采集方式，系統(tǒng)上位機(jī)具有大容量存儲(chǔ)、處理和遠(yuǎn)程訪問等功能[19]。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和顯示主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：通過設(shè)備在線監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)了對所有設(shè)備的工作狀態(tài)的在線監(jiān)控，并能對故障設(shè)備進(jìn)行故障類型判斷和報(bào)警；通過支架壓力監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)了對工作面所有支架立柱壓力和平衡千斤頂?shù)膲毫M(jìn)行監(jiān)測并通過曲線和柱狀圖的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；通過工作面姿態(tài)監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)了通過不同顏色的柱狀圖顯示工作面的采高和支架高度，并生成工作面對應(yīng)的支架采高和支架高度曲線，通過不同顏色的曲線顯示出工作面液壓支架的合力作用點(diǎn)曲線，頂?shù)装迤鸱€；通過單架狀態(tài)詳細(xì)信息查詢界面可以實(shí)現(xiàn)對單臺(tái)支架包括立柱壓力、平衡壓力、支架高度、支架采高、整架壓力、合力作用點(diǎn)位置、支架扭曲度、頂?shù)装迤鸱葼顟B(tài)的實(shí)時(shí)查詢；通過支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測功能可以獲得單架液壓支架的支護(hù)質(zhì)量的當(dāng)前狀態(tài)和整個(gè)工作面液壓支架總體的支護(hù)質(zhì)量；通過歷史曲線查詢功能可以獲得工作面所有設(shè)備和支架的歷史數(shù)據(jù)信息，并可以通過軟件對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析；通過數(shù)據(jù)報(bào)表功能可以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)和曲線報(bào)表[20]。

4　結(jié)束語

筆者研究的礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)是專為礦用液壓支架開發(fā)的，井下綜采工作面的生產(chǎn)條件復(fù)雜，其適應(yīng)性和穩(wěn)定性仍需要多次井下工業(yè)試驗(yàn)去驗(yàn)證，系統(tǒng)布置的傳感器較多，采集和處理的數(shù)據(jù)也相對較多，下一步可以對存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地二次開發(fā)和挖掘[19]，為液壓支架設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Integrated Monitoring Safeguard System Design and Implementation of Mine Hydraulic Support Supporting Quality

HOU Gang

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to grasp supporting quality of hydraulic support of working face，integrated monitoring safeguard system of mine hydraulic support quality was applied，through wireless micro power dissipation and self-power real time monitoring of hydraulic support posture and stress state，hydraulic support supporting quality real-time monitoring and warning，integrated safeguard information of hydraulic support supporting quality，then the details of display，unreasonable use and hidden danger early warning about hydraulic posture，setting load，cycle end resistance，periodic pressure，supporting quality and safeguard information were realized.The results showed that mine hydraulic support supporting quality was monitored and safeguarded fully and integrated by the system，then the fully mechanized top coal caving hydraulic support could be used safety and high effectively.

hydraulic support；supporting quality；integrated；monitoring；safeguard system

2016-01-04

國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A407)；中國煤炭科工集團(tuán)有限公司面上項(xiàng)目(2014MS029)

侯剛(1982-)，男，遼寧丹東人，碩士，助理研究員，主要從事礦用監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)等方面的工作。

TD355.41

A

1006-6225(2016)05-0024-05

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.008

[引用格式]侯剛.礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦開采，2016，21(5)：24-28.