基于CAN总线及无线传感技术的液压支架压力监测系统

目前国内应用于综采工作面支护质量的检测手段还比较落后，主要靠在支架上安装压力表、圆图记录仪等检测仪表，这对于工作面的安全生产起到了一定的作用，但因数据采集、处理繁琐，信息反馈周期长，并不能从根本上达到实时指导生产的要求。国外有相关的远程压力监测系统，但购买和维护使用的价格昂贵，而且不是作为一个单独的压力监测系统而存在。因此，急需开发出可以实时、整体监测液压支架压力的系统，从而可以实时、整体、连续地掌握井下液压支架的受力情况。

近年来，随着煤矿自动化水平的提高,网络化是煤矿监控系统发展的必然趋势。由于本系统需要安装较多压力传感器，而工作面环境复杂条件恶劣，给传感器布线带来诸多不便。因此，本系统采用无线传感技术，将各压力传感器的数据通过无线通信的方式发送到对应的工作面检测分站。采用无线传感技术不仅可以免去传感器布线和供电的困难，还可以防止液压支架在移架的过程中损坏信号线。

1 系统总体设计方案

如图1所示，本监测系统总体结构上可分为三层。

图1 总体设计框图

底层是无线压力传感器和工作面检测分站，检测分站的数量根据实际工作面使用的液压支架数量进行配置，无线通信模块将压力传感器采集到的压力信号发送给工作面检测分站，检测分站负责对接收到的数据进行前期处理、就地显示和故障报警，并将处理后的压力数据通过CAN总线上传给顺槽通信总站，每台检测分站可接收12路无线压力信号。

中间层为布置在顺槽内的顺槽通信总站，只有一个，接收底层所有检测分站传送来的支架压力数据，经CAN-以太网协议转换器将数据通过矿井以太网上传至地面。该分站可以查看每个检测分站的压力数据，并能通过键盘修改压力报警值的上、下限值，通过CAN总线下载到工作面检测分站。若某路压力值信号超出设定的安全值范围，则进行声光报警提示，并接收工作面检测分站的报警信息，判断故障类型，将报警信息显示在液晶屏上。

顶层为放置在地面监控室内的地面监测站，通过矿井以太网接收来自顺槽通信总站的压力数据。地面监测站以工业计算机为平台，工作人员通过计算机实时监视、存储、分析底层传送来的液压支架压力数据并生成报表。监视界面通过Visual Basic开发，压力值可通过曲线图或直方图直观地表示出来。

2 系统硬件设计

2.1 无线压力传感器和工作面检测分站的硬件设计

图2 无线压力传感器硬件框图

图3 工作面检测分站硬件框图

如图2、图3所示，分别为无线压力传感器和工作面检测分站的硬件框图。无线线压力传感器主要由矿用压力传感器、信号调理电路、单片机、无线收发模块、电池组和电压监测电路组成。压力传感器将采集压力信号经过信号调理电路后送入单片机中进行A/D转换，然后将压力数据通过无线收发模块发送到工作面检测分站。

工作面检测分站主要由单片机、无线收发模块、时钟芯片、液晶屏、按键、存储模块、CAN总线通信模块及电源模块组成。工作面检测分站将无线模块接收到的数据进行分析并记录当前工作循环的初撑力和最大工作阻力，将其存储在存储器中以供查询。该分站将各检测周期的数据进行编址，并附加时间数据，然后打包通过CAN总线上传。同时，工作面检测分站将各传感器压力信息显示在液晶屏上，工作人员可通过按键进行翻页、历史值查询等操作。

2.2 顺槽通信总站的硬件设计

图4 顺槽通信总站硬件框图

如图4所示，为顺槽通信总站硬件框图，顺槽通信总站主要由单片机、液晶屏、键盘、时钟芯片、报警电路、CAN总线通信模块、RS485接口、CAN-以太网转换器和RS485-以太网转换器组成。单片机通过CAN总线接收各工作面检测分站的压力数据和报警信息，并将各分站的压力、报警等信息显示在液晶屏上；顺槽通信总站还具有参数设置功能；通信总站上预留了RS485接口，可通过CAN-以太网转换器和RS485-以太网转换器实现将顺槽通信总站的数据上传至地面监测站。

3 系统软件设计

3.1 无线压力传感器和工作面检测分站设计

传感器上电后首先进行初始化，然后开始采集传感器的压力值并进行A/D转换；在采样完成后作坏值判断，将坏值剔除重新采样；为防止干扰和减小数据抖动，采用对10次采样数据取平均值的方法，10次采样后将平均值上传。

工作面检测分站首先将无线压力传感器发来的数据进行缓存，并判断缓存是否已满，不满则继续接受数据，满则将数据打包通过CAN总线上传；各支架工况信息显示在液晶屏上，最后判断当前压力是否超出设定的范围，超过范围则触发硬件报警电路。

3.2 顺槽通信总站软件设计

顺槽通信总站接收各检测分站的数据，并将其显示在液晶屏上。当有键按下时，程序进入按键处理子程序(翻页和修改参数值等操作)；当工作面检测分站有报警信号传上来时，触发报警子程序；顺槽通信总站将各工作面检测分站的数据打包后上传置以太网上。

3.3 地面监测站软件结构

图5 地面监测站软件结构

如图5所示，地面监测站软件由实时数据库、系统配置模块、用户监测界面和应用程序管理模块等部分组成。各模块的功能介绍如下：

1)实时数据库：保存液压支架压力实时值及发生时间、初撑力和每个工作循环最大工作阻力；保存系统配置信息；保存每个用户的用户名、密码、用户信息和管理权限等。

2)应用程序管理模块：登入系统；添加新用户；删除用户；编辑用户信息和设置用户权限等。

3)用户监测界面：以曲线图或柱状图等形式直观地显示液压支架压力变化情况；查看液压支架的历史数据；用报警色标记压力超限的液压支架；生成液压支架压力信息报表等。

4)系统配置模块：设置实际工作面液压支架和立柱个数；设置液压支架柱状图正常填充色和报警填充色等。

4 结 语

综采工作面液压支架压力监测平台的开发，可以保障井下工作面的设备和工作人员的安全；为工作面的生产管理提供顶板压力信息，指导顶板管理；为类似矿压地质条件下支架的设计选型提供依据；为顶板事故及支架设备损伤的原因分析提供依据；也顺应了无人、自动开采工作面的发展趋势，同时为井下整个工作面设备、环境、工况的监测监控平台的开发奠定了基础。