韓成春+田傳耕+曹彥吉+侯立兵+唐翔

摘 要：井下支護(hù)安全直接影響煤礦井下的安全生產(chǎn)，早期發(fā)現(xiàn)支護(hù)設(shè)備缺陷及實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警，提高支護(hù)設(shè)備的可靠性和安全性，為煤礦井下生產(chǎn)提供安全而可靠地工作環(huán)境。本研究將圍繞單體液壓支柱，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于CC2530主控芯片的嵌入式技術(shù)，研發(fā)一種具有無(wú)線通信功能的礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而抗干擾的支護(hù)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，充分驗(yàn)證該礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)的信息檢測(cè)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞：?jiǎn)误w液壓支柱；無(wú)線傳感；承壓在線監(jiān)測(cè)；安全生產(chǎn)

1 概述

目前國(guó)內(nèi)懸浮式單體液壓支柱內(nèi)壓檢測(cè)普遍采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)定期采壓方式，部分產(chǎn)品借鑒液壓支架的壓力檢測(cè)方式采用有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測(cè)方式，但有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測(cè)方式存在檢測(cè)點(diǎn)少同時(shí)隨開(kāi)采工作面的推進(jìn)、移架、升降架等操作導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、系統(tǒng)布線容易被扯斷等缺陷，很難得到廣泛普及應(yīng)用，給煤礦井下生產(chǎn)留下嚴(yán)重安全隱患，不能為煤礦井下安全生產(chǎn)提供保障。為了有效地解決上述問(wèn)題，亟待研制一種具有無(wú)線通信功能的懸浮式單體液壓支柱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)裝置即礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)，通過(guò)無(wú)線通信功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下單體液壓支柱的實(shí)際工作狀況，早期發(fā)現(xiàn)并及時(shí)更換損壞單體液壓支柱，從而實(shí)現(xiàn)井下單體液壓支柱在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警，保證煤礦井下支護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行和安全生產(chǎn)，為煤礦井下生產(chǎn)提供安全而可靠地工作環(huán)境。

2 設(shè)計(jì)思路

礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)主要用于煤礦井下支護(hù)支柱的壓力檢測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的匯聚和傳送。因此礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)必須符合煤礦井下設(shè)備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括GB3836.1-2010爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求、GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境由本質(zhì)安全性“i”保護(hù)的設(shè)備要求、以及GB4208-2008外殼保護(hù)等級(jí)（IP代碼）等。為此礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)包括壓力無(wú)線檢測(cè)模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊。

2.1 壓力無(wú)線檢測(cè)模塊

壓力無(wú)線檢測(cè)模塊在整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中屬于最前端終端設(shè)備，主要由CC2530（或CC2430）主控制器模塊、電源管理模塊、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊，以及時(shí)分復(fù)用模塊組成，如圖1所示。

2.2 無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊

無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊在設(shè)計(jì)上與壓力無(wú)線檢測(cè)模塊類似，主控制器仍然采用CC2530（或CC2430）負(fù)責(zé)簇內(nèi)若干個(gè)壓力無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所檢測(cè)的各個(gè)支護(hù)設(shè)備所受的壓力數(shù)值進(jìn)行匯總，通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚和多跳方式傳送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)（Sink）節(jié)點(diǎn)同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)找尋、建立和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由信息，還可以有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.3 無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊

無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊在設(shè)計(jì)上與無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊類似，增加CAN收發(fā)模塊，仍采用具有較強(qiáng)的信息處理和通信功能的主控制芯片CC2530（或CC2430），通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和CAN收發(fā)模塊將收集數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)以太網(wǎng)，如圖2所示。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)包括壓力無(wú)線檢測(cè)模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊。其中壓力無(wú)線檢測(cè)模塊是采集數(shù)據(jù)終端，它直接決定著采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，主要組成部分有壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無(wú)線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等。

（1）PC10型壓力傳感器及其電路由南京沃爾科技有限公司定制，由前端承壓彈片和后端調(diào)理電路組成，其量程為0～80MPa，非線性參數(shù)為-0.11%FS。每個(gè)傳感器調(diào)理電路在出廠時(shí)都已通過(guò)精密儀器與相應(yīng)承壓彈片進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）無(wú)線通信主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2530，內(nèi)置51內(nèi)核和無(wú)線通信模塊，通信協(xié)議IEEE802.15.4，工作頻率為2.4GHz，可選通信通道為16個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbps。井下用防爆電池采用昊誠(chéng)生產(chǎn)的防爆鋰電池，單節(jié)電池電壓為3.6V，電量為3400mAh。

（3）現(xiàn)有的三用閥是針對(duì)液壓支柱而設(shè)計(jì)，基于安全增設(shè)壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)模塊不應(yīng)改變現(xiàn)有的液壓支柱結(jié)構(gòu)。為了增加壓力無(wú)線模塊的適用性，在現(xiàn)有的三用閥基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)新型三用閥取壓接口并通過(guò)螺旋安裝直接接在柱體的三用閥上，安裝到位后頂針將會(huì)頂開(kāi)三用閥內(nèi)單向閥，使柱體內(nèi)的液體壓力通過(guò)新型三用閥取壓接口施加在壓力傳感器上，如圖3所示。新型三用閥取壓接口包括取壓接頭本體、接頭鎖緊套、密封圈、頂針、通液孔、頂針座，接頭鎖緊套與取壓接頭本體螺紋連接，用于取壓接頭和三用閥的連接固定；密封圈位于三用閥與接頭鎖緊套之間，用于取壓接頭本體和三用閥之間的密封。

由上述的壓力傳感器及其電路、井下用防爆電池、無(wú)線通信控制器芯片、新型三用閥取壓接口和井下用防爆外殼等模塊組成的礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)如圖4所示。

壓力無(wú)線檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)工作中最重要的兩個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性和運(yùn)行功耗。測(cè)量壓力值的準(zhǔn)確與否直接決定系統(tǒng)的成敗，而支柱一旦安裝便不可能更換電池，運(yùn)行功耗決定系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)。測(cè)量的準(zhǔn)確性主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行。在液壓支柱的生產(chǎn)車間，通過(guò)打壓機(jī)對(duì)液壓支柱加壓，待加壓到40～50MPa時(shí)，拆除打壓機(jī)注液槍并換上壓力無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試專用的液壓支柱壓力計(jì)接口獲取腔內(nèi)壓力值，并與壓力無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所測(cè)壓力值進(jìn)行比較；再通過(guò)三用閥的卸載閥降壓，并記錄壓力計(jì)和壓力無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的壓力變化是否一致來(lái)測(cè)試壓力無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖5所示。通過(guò)與物理壓力計(jì)的測(cè)量比較，來(lái)驗(yàn)證無(wú)線壓力計(jì)的測(cè)量有效性，目前正在進(jìn)行測(cè)量誤差分析與其優(yōu)化補(bǔ)償補(bǔ)正環(huán)節(jié)。

通過(guò)該模塊電路中串聯(lián)10歐姆電阻來(lái)測(cè)試該模塊的運(yùn)行功耗。該模塊采用嵌入式Contiki操作系統(tǒng)。在CC2530芯片上Contiki操作系統(tǒng)的工作時(shí)鐘為7.8ms，增加系統(tǒng)的工作時(shí)鐘周期來(lái)進(jìn)一步降低功耗，經(jīng)實(shí)際測(cè)試平均能耗降低約一半。圖6中幅值相對(duì)較高的一段波形為該模塊啟動(dòng)傳感器電路采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行發(fā)射的波形，幅值最高的一段時(shí)間為無(wú)線發(fā)射時(shí)間，持續(xù)約2ms。通過(guò)萬(wàn)用表串聯(lián)，可測(cè)得壓力無(wú)線檢測(cè)模塊在每隔5秒發(fā)射一次數(shù)據(jù)的情況下，平均工作電流約為0.2mA。選用3節(jié)3400mAh防爆電池并聯(lián)供電，預(yù)計(jì)至少可工作5年。

利用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)承壓信息監(jiān)控的人機(jī)交互界面。通過(guò)人機(jī)交互界面，可以觀察煤礦井下工作面液壓支柱的實(shí)時(shí)承壓情況，以及可查詢承壓歷史數(shù)據(jù)，如圖7、圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)煤礦井下設(shè)備的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以TI公司CC2530為主控芯片，設(shè)計(jì)出基于嵌入式操作系統(tǒng)Contiki3.0的礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)包括壓力無(wú)線檢測(cè)模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)路由模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊。同時(shí)不改變液壓支柱結(jié)構(gòu)和三用閥結(jié)構(gòu)為前提，設(shè)計(jì)出新型三用閥取壓接口（取壓接頭），相連液壓支柱與壓力無(wú)線檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)液壓支柱承壓狀態(tài)信息的檢測(cè)。再設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了進(jìn)一步降低硬件功耗，調(diào)整系統(tǒng)工作時(shí)鐘周期和底層調(diào)用，延長(zhǎng)了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，充分驗(yàn)證礦山本安型無(wú)線壓力計(jì)的信息檢測(cè)與傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

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