綜采工作面液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

邱 谷

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦信息監(jiān)控中心，山西 大同 037000）

煤峪口礦2304 工作面位于307 盤(pán)區(qū)，開(kāi)采時(shí)采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化方法。工作面的長(zhǎng)度為118.8 m，平均煤層厚度為3.7 m，平均煤層傾角為2.2°，采高2.0 m。煤層的基本頂是白色粗砂巖，平均煤層厚度為23.77 m；直接頂為粉砂巖，平均煤層厚度為5.2 m；偽頂為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，平均煤層厚度為0.1 m；直接底是粉砂巖，平均煤層厚度為8.39 m。工作面上共用136 架液壓支架。但復(fù)雜的工作面環(huán)境，加上液壓支架空間狹小，開(kāi)采難度較大[1]。為了預(yù)防頂板事故，設(shè)計(jì)液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)周期來(lái)壓步距進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保頂板安全管理。

1 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案

綜采工作面壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，包括信號(hào)采集層、壓力監(jiān)測(cè)平臺(tái)層以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層三層[2]。其中，信號(hào)采集層主要是采集液壓支架的壓力信號(hào)，通過(guò)CAN 總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綁毫ΡO(jiān)測(cè)系統(tǒng)；壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)連接設(shè)備，主要連接底層CAN 總線網(wǎng)絡(luò)和上層以太網(wǎng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)打包通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)交換機(jī)中；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層是通過(guò)IP 地址，將工作面相關(guān)參數(shù)及壓力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行日常的管理和監(jiān)測(cè)，以柱狀圖或曲線圖形式反映液壓支架的壓力變化情況。

圖1 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局圖

在液壓支架的頂梁下方分別安裝壓力監(jiān)測(cè)分站，將壓力傳感器通過(guò)電纜連接在立柱高壓油腔上，在壓力監(jiān)測(cè)分站的兩側(cè)都配有插頭，通過(guò)電纜與其他分站實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，端頭分站通過(guò)通信電纜與監(jiān)測(cè)平臺(tái)連接。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入井下光纖交換機(jī)，調(diào)度中心對(duì)液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)如圖2，選用STM32F107VCT6 微處理器芯片[3]，通過(guò)電源電路、時(shí)鐘源電路以及復(fù)位電路，將數(shù)據(jù)輸入微控制器中。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)CAN總線，以太網(wǎng)PHY 傳輸數(shù)據(jù)，TFT 驅(qū)動(dòng)器以及觸摸電路將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

3 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

給壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，將SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)表中，包括基本數(shù)據(jù)表和工作面數(shù)據(jù)表。基本數(shù)據(jù)表主要用來(lái)存儲(chǔ)工作面的基本參數(shù)以及用戶信息；工作面數(shù)據(jù)表主要是用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前工作面的壓力歷史相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦工作面刪除，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表也就被刪除。使用基于OLEDB 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序接口ADO 控件與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系，使用時(shí)，先通過(guò)Connection 將定義與數(shù)據(jù)源連接，再使用Recordset 對(duì)象接收數(shù)據(jù)，向應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)方法，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[4]。

3.2 系統(tǒng)維護(hù)

壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)主要包括用戶管理、工作面管理、工作面參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。在初次使用時(shí)，默認(rèn)使用admin 用戶登錄，通過(guò)工作面管理模塊隨時(shí)添加要監(jiān)測(cè)的工作面，然后設(shè)置工作面參數(shù)，可以手動(dòng)輸入工作面名稱、壓力上下限值、分站總數(shù)、支架總數(shù)、傳感器等信息。數(shù)據(jù)庫(kù)管理可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、查看以及恢復(fù)等操作，防止數(shù)據(jù)庫(kù)損壞丟失數(shù)據(jù)。

設(shè)置完系統(tǒng)參數(shù)后，進(jìn)入分站壓力監(jiān)測(cè)界面，在線監(jiān)測(cè)各個(gè)分站的實(shí)際壓力變化情況，將壓力變化情況通過(guò)曲線圖或柱狀圖的形式顯示出來(lái)。從曲線圖上可以實(shí)時(shí)查看各個(gè)分站的壓力平均值以及不同位置處傳感器的監(jiān)測(cè)值，從柱狀圖的不同顏色上可以判斷是否超出壓力的最大值和最小值，從而對(duì)工作壓力、工作阻力等相關(guān)信息進(jìn)行分析。同時(shí)，還可以根據(jù)液壓支架監(jiān)測(cè)位置和日期等條件，查詢壓力歷史數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以表格形式輸出，便于編輯和打印。

3.3 周期來(lái)壓步距預(yù)測(cè)

對(duì)工作面的周期來(lái)壓步距進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖3。首先選擇要預(yù)測(cè)的工作面，并添加最近三次以上的周期來(lái)壓步距值，然后系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始預(yù)測(cè)工作面的周期來(lái)壓步距。

圖3 周期來(lái)壓預(yù)測(cè)界面

4 應(yīng)用效果

將壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在煤峪口礦2304 工作面，設(shè)置工作面13 次周期來(lái)壓步距，驗(yàn)證壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。具體如下：根據(jù)前N 個(gè)工作面來(lái)壓步距序列，建立預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)第N+1 次工作面來(lái)壓步距，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 周期來(lái)壓步距實(shí)際值與預(yù)測(cè)結(jié)果

從表1 可以看出，工作面周期來(lái)壓步距的預(yù)測(cè)平均誤差為1.62 m，誤差在允許范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，為礦壓觀測(cè)和頂板管理提供依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，以STM32F107VCT6 微處理器為核心，通過(guò)CAN 總線和以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)工作面周期來(lái)壓步距進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（2）在煤峪口礦2304 工作面上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明：工作面周期來(lái)壓步距的預(yù)測(cè)平均誤差為1.62 m，誤差在允許范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，為礦壓觀測(cè)和頂板管理提供依據(jù)。