基于CAN总线及无线传感技术的液压支架压力监测系统 -.pdf

2 0 1 0年第 6期 煤炭工程 基于 C AN总 线及 无线传感 技术 的液压 支架压 力监测系统 陈 亮，孟国营，牛一村，王子毅 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要 工作 面液压 支架的 支护 问题 一直是 围绕煤矿生产安全和提 高工作 效率的重要 问题。 论文介绍一种采用无线传感技 术，将传感器采集到 的信号通过无线模块发送给工作面检测分站， 检测分站将接收到的数据进行处理后通过 C A N总线上传给顺槽通信总站，并由通信 总站将数据通 过以太网传至地面监测站的方案。该系统实现 了对工作面支架压力信 号的采集、处理、传输和分 析及对其在工作面、巷道和井上监控室的全面监测 。 关键词 液压支架；C A N总线；无线传感 ；监测 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 6 - 0 1 1 1 ． 3 否 数据 接收 ／ 初始化 参数过滤 遗传计算 参数 属 性库 参数 直方 图生成 ’ 巫 I 垫 l { 执行状态反馈 应用接13 引擎I I 环境感知引擎 图3 计算决策引擎的执行流程 推理，分析数据中所包含的信道条件和适应值，结合用户 的要求，生成适合特定应用类型的优化 目标。为了便于以 后的决策计算，需要将本次计算结果存储在决策库中。随 后，通知认知节点执行重新配置，改变节点 的相应参数， 以便和当前的情况相适应。可以重新调整的参数包括 发 射功率、编码方式、载频、数据速率。 4结论 本文探讨了煤矿认知网络的概念和组成结构，分析了 适合于矿井通信的认知网络拓扑结构 ，并设计 了一个用于 煤矿巷道通信的煤矿认知网络模型 C N A C T 。它主要由环境 感知引擎、应用接口引擎和计算决策引擎组成 ，与网络状 态传感器 进而构成传感器网络 、区域性 WC N一起，构 成了井下环境的采集者、传输者和动作执行者 ，能够感知 巷道通信环境的变化。C N A C T基于现有的煤矿数字化矿山 环境 ，在 核心 网络 中采用覆 盖网络 的思 想部 署主动 认知 结 点，易于实现，克服了现有网络没有学习能力、自适应能 力 、决策能力 的缺陷 ，对我 国 的数字化 矿 山建设 实践具 有 一 定 的指导意义 。 参考文献 [ 1 ] H u Q S ，Z h a n g S ．C o g n i t i v e N e t w o r k s A r c h i t e c t u r e f o r C o l h e r y B a s e d o n A c t i v e a n d P r o g r a m ma b l e N e t w o r k s T e c h n o l o g i e s[ Z] ． 2 0 0 9年中国智能 自动化会议论文集 ，2 0 0 9 ． [ 2 ]T h o m as R W ， D asil v a L A， Ma c k e n z i e A B ．C o gni t i v e N e t w o r k s [ J ] ．2 0 0 5 ． [ 3 ] 孙继平．矿井无线传输的特点 [ J ] ． 煤矿设计， 1 9 9 9 ， 4 2 0 ～2 2． [ 4 ] 刘岩．矿井中认知无线电网络的拓 扑优化 [ D] ．徐州 中国 矿业大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] S i f a l a k i s M，Hu t c h i s o n D ．F r o m a c t i v e n e t w o r k s t o c o g n i t i v e n e t w o r k s[ R] ， 2 0 0 4 ． [ 6 ] I a n F A， Wo nY e o I L ，Me h me t C V，e t a 1 ．N e X t g e n e r a t i o n ／ d y n a mi c s p e c t r u m a c c e s s ／ c o g n i t i v e r a d i o wi r e l e s s n e two r k s A s u r v e y[ J ] ．C o m p u t e r N e tw o r k s ， 2 0 0 6， 5 0 2 1 2 7 2 1 5 9 ． 责任编辑章新敏 收稿 日期 2 0 0 9 0 62 9 作者简介陈亮 1 9 8 5一 ，男，辽宁沈阳人 ，2 0 0 8年毕业于中国矿业大学 北京 测控技术与仪器专业 ，主要研究方 向 测试计量技术及仪器 。 1 l 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 0年第 6期 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 C A N总 线上传给顺槽通信总站，每台检测分站可接收 1 2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 C A N一以太 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 C A N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 V i s u M B a s i c 开发，压力值可通过曲线图或直方图直 】 】 2 观地表示出来。 2系统硬件设计 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6期 煤炭工程 2 ． 1 无 线 压 力 传 感 器 和 工 作 面 检 测 分 站 的硬 件 设 计 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、C A N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 C A N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 C AN总线 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 、 C A N总线通信 模块 、R s 4 8 5接 口、C A N一以太 网转 换器 和 R S 4 8 5一以太网转换器组成。单片机通过 C A N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 R S 4 8 5接 口，可通过 C A N ～ 以太网转换器和 R s 4 8 5一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 1 0 次采样数据取平均值的方法 ，l 0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 C A N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 问、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。 参考 文献 [ 1 ] 孙家 兰 ，等．工 作 面液压 支 架压 力监 测 系统 平 台 的研 发 [ J ] ． 自动化理论 、技术与应用 ，2 0 0 8 ， 1 5 ． [ 2 ] 洪 源 ，等． 液压 支架 压力 检 测 系统 现 状分 析 及 解决 方 案 [ J ] ．中国煤炭 ，2 0 0 7 ，3 3 9 ． 责任编辑章新敏 l 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m