智能型綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)論文
我國煤礦安全事故頻繁發(fā)生，針對(duì)目前綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量精度低、工作效率低下等技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52單片機(jī)和紅外數(shù)據(jù)采集技術(shù)的智能型綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
系統(tǒng)主要由壓力數(shù)據(jù)采集裝置和上位機(jī)智能化分析軟件兩部分組成，可實(shí)現(xiàn)支架工作阻力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、圖表顯示、數(shù)據(jù)分析等功能，為事故的預(yù)防和頂板安全管理提供可靠依據(jù)及決策分析，對(duì)保障礦井安全高效開采具有重要意義。
煤炭是我國最重要的一次性能源，對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著尤為重要的作用[1]。隨著綜合機(jī)械化采煤工藝的產(chǎn)生和發(fā)展，進(jìn)一步保障和促進(jìn)了煤炭行業(yè)的安全高效開采，但工作面條件特殊，環(huán)境惡劣，且時(shí)有安全事故發(fā)生。早在1987年原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的《煤炭工業(yè)技術(shù)政策》第39條“礦山壓力測(cè)量”中規(guī)定[2]：“各礦區(qū)對(duì)采煤工作面和井巷進(jìn)行礦壓觀測(cè)，并根據(jù)巖層性質(zhì)、頂板壓力、頂板下沉量和下沉速度、放頂步距、周期來壓等數(shù)據(jù)，掌握本礦區(qū)的礦壓規(guī)律，為采區(qū)設(shè)計(jì)、巷道布置、設(shè)備選型、支護(hù)設(shè)計(jì)、頂板控制的依據(jù)[3-5]。”
目前國內(nèi)礦井對(duì)支架工作阻力監(jiān)測(cè)共有兩種方式：一是需人工記錄數(shù)據(jù)的.傳統(tǒng)機(jī)械式液壓測(cè)量?jī)x表[6]，具有測(cè)量精度低、誤差大、讀數(shù)困難等缺點(diǎn);二是通過專用電纜或電話線傳輸?shù)膲毫ΡO(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]，雖然可連續(xù)工作且逐步取代人工讀數(shù)方式，但存在系統(tǒng)配置復(fù)雜、兼容性差、布線和維護(hù)困難等缺陷。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于AT89S52單片機(jī)和紅外數(shù)據(jù)采集技術(shù)，設(shè)計(jì)一種測(cè)量精度高、工作性能優(yōu)良的智能型綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
本文選用AT89S52作為主芯片，AT89S52是51系列里面一款性價(jià)比最高的單片機(jī)，該單片機(jī)擁有3個(gè)定時(shí)器，8K的程序存儲(chǔ)空間，具有超低功耗，多級(jí)休眠工作模式，外圍模塊較多和價(jià)格適中等特點(diǎn)，適合井下使用環(huán)境中低成本、低功耗的要求。
1.1 系統(tǒng)硬件組成及其功能
該系統(tǒng)主要進(jìn)行支架阻力的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和紅外傳輸。因此，硬件電路模塊的組成包括電源監(jiān)控電路、壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、紅外數(shù)據(jù)傳輸電路、壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示電路。
電源監(jiān)控電路采用微芯公司生產(chǎn)的低功耗PIC單片機(jī)系列PIC16F716芯片作為系統(tǒng)監(jiān)控核心，采用32.768k的低頻率晶振，該模塊每隔10分鐘給系統(tǒng)供電一次，讓主控芯片進(jìn)行一次壓力采集并存儲(chǔ)。
同時(shí)該模塊受到觸發(fā)時(shí)也會(huì)給系統(tǒng)供電進(jìn)行采樣同時(shí)把采樣的值實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上。信號(hào)放大采樣電路采用低噪聲、低漂流、高共模抑制比的小信號(hào)放大芯片電路[8]，信號(hào)放大后經(jīng)過TLC549采樣，采樣精度達(dá)0.6%。
存儲(chǔ)、顯示電路將采集的壓力同時(shí)間格式化保存到鐵電存儲(chǔ)芯片中[9]，采用低功耗的74LS164移位寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)顯示，顯示時(shí)間為一路2秒鐘。
1.2 紅外采集模塊
紅外傳輸電路主要包括紅外發(fā)送和紅外接收模塊。紅外發(fā)送主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過38k載波調(diào)制發(fā)送到采集設(shè)備便于數(shù)據(jù)整理分析;紅外接收模塊采用低噪聲、高穩(wěn)定性的紅外接收集成芯片CX20106A進(jìn)行采集器上面的紅外數(shù)據(jù)接收和壓力采集終端上面的接收請(qǐng)求。
紅外數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的工作流程圖如下圖1所示。
1.3 系統(tǒng)主要功能
(1)由電腦控制定時(shí)采集各點(diǎn)壓力傳感器的壓力信號(hào)，系統(tǒng)默認(rèn)采集壓力數(shù)據(jù)的時(shí)間為5分鐘，且可以連續(xù)記錄7天的數(shù)據(jù);
(2)收到白光照射時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前支柱的壓力;
(3)采用紅外無線通訊將數(shù)據(jù)上傳到手持采集終端便于數(shù)據(jù)整理分析;
(4)壓力采集器在掉電時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)不丟失;
(5)可以對(duì)指定的采集層面進(jìn)行原始?jí)毫?shù)據(jù)查詢;
(6)通過對(duì)工作阻力的均方差、初撐力、末阻力曲線的對(duì)比分析對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表曲線顯示;
(7)可以對(duì)壓力數(shù)據(jù)庫進(jìn)行智能化管理包括數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)和數(shù)據(jù)刪除等基本操作。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該智能分析軟件系統(tǒng)的主要功能有對(duì)工作系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置、串口紅外線接收壓力數(shù)據(jù)、圖表顯示和分析處理各個(gè)采集層面壓力數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫備份、恢復(fù)和刪除等操作。
當(dāng)?shù)谝淮芜\(yùn)行上位機(jī)智能分析軟件時(shí)，首先要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，設(shè)置包括煤礦的基本信息和壓力采集終端的分布結(jié)構(gòu)，安全范圍等等。
采集適配器將采集到的紅外數(shù)據(jù)通過串口上傳到應(yīng)用程序，根據(jù)程序中設(shè)置合適的通信波特率，同時(shí)選擇要采集的工作面，這樣便可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的工作表中。數(shù)據(jù)管理包括原始?jí)毫?shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)和刪除操作。
數(shù)據(jù)查詢、曲線分析是本系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)查詢可以按照一定的時(shí)間間隔要求查詢指定采集層面的原始?jí)毫?shù)據(jù)，曲線分析通過4種不同曲線圖表從不同的角度去分析一段時(shí)間內(nèi)壓力變化趨勢(shì)，便于采取可行的預(yù)防措施。
3 結(jié)論
針對(duì)我國目前的綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀器的缺點(diǎn)，提出一種基于AT89S52單片機(jī)和紅外數(shù)據(jù)采集技術(shù)的智能型綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)煤礦壓力數(shù)據(jù)采集裝置和智能分析軟件兩個(gè)主要部分進(jìn)行說明。
整個(gè)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量壓力數(shù)據(jù)的紅外發(fā)送，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析處理等功能，為事故的預(yù)防和頂板安全管理提供可靠依據(jù)及決策分析，對(duì)保障礦井安全高效開采具有重要意義。
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