煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統的製作方法

2023-07-06 15:18:26

專利名稱：煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統。
技術背景隨著煤礦行業綜採設備的推廣應用，液壓支架成為現代採煤技術中的關鍵' 設備之一，液壓支架在綜採'工作面能否有效地支撐和控制工作面頂板、隔離採 空區，並實時監控其所承載的工作阻力，而對工作面頂板的優劣程度進行客觀 準確的評價，是需要解決的首要問題。工作面頂板壓力的危害主要通過壓壞支 .架、發生冒頂和片幫而表現出來，因此，通過監測工作面液壓支架的工作阻力， 來撐握工作面頂板壓力的規律，對於採用什麼支護形式，放頂步距等都是很重 要的。同時，為了科學、高效地開採，實時監測工作面的採掘高度，本實用新型 通過安裝在立柱上的超聲波測距儀，在線監測工作面的採高，並形成歷史記錄， 便於國家煤礦管理機關隨時掌握礦山是否按規定的高度，進行科學、有效地開 採。目前，國內的液壓支架的壓力監測大多採用機械壓力表，既觀察不變，又 不能存儲歷史數據以便於分析，能夠實時在線監測的存在著"採高，，數據缺失， 仍需人工填寫"採高"日報表、工作面採樣周期較長，不能客觀、準確的記錄支架所承受的阻力，同.時因未建立專家分析軟體，因而缺失數據的實際指導意 義。因此提供一種集採集、傳輸及專家分析系統為一體的煤礦井下工作面液壓 支架工況監測系統很有必要"實用新型內容本實用新型的目的是提供一種煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測 系統，以克服現有的監測採用機械壓力表，既觀察不變，又不能存儲歷史數據 以便於分析，不能實時在線監測並及時顯示、存儲當前的支架受力情況，從而 分析工作面頂板的優劣狀況的不足。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現一種煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統，包括採集分機，所述採集分^l通過高壓油管與液壓支架立柱單向閥阻隔處連接、 所述採集分機安裝在液壓支架的兩立柱之間或液壓支架的後連杆Ji，所述採集 分機與採集分機之間通過串行總線連接；超聲波測距儀，所述超聲波測距儀安裝在支架立柱上，發出的超聲波經液 壓支架頂面反射後再接收，達到測量支架的壓縮位移量的目的，換算出採高， 根據移架速度算出產量，所述超聲波測距儀通過超聲波信號線與採集分機連接；通訊分站，所述通訊分站安裝於設備巷順槽的設備列車上，所述通訊分站. 通過串行總線與採集分機連接；數據接口，所述數據接口安裝於井上監控中心，數據接口通過工業光纖以 太環網監控系統、電話線或礦用電纜與通訊分站連接；工控機，所述工控機通過RS232與所述數據接口連接；本安電源，所述本安電源通過通訊分站給井下部分提供電源。本實用新型基於液壓支架立柱高壓腔壓力的變化，結合液壓支架的壓縮位 移量，經串行總線、乙太網或電話線傳輸至地面控制中心，而完成在線監測、 分析工作面礦壓、支架工作狀況、採高、產量等的監測系統。本實用新型的有益效果通過該系統中的液壓支架、立柱所受壓力來分析 工作面頂板狀況、支架的安全狀況，以及通過安裝在立柱上的超聲波測距儀來 連續監測採煤高度，為煤礦安全、科學、高效的開採提供依據；結合煤礦現有 的通訊介質完成井上監測監控，避免煤礦行業對通訊介質的重複投資。


以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1是本實用新型實雄例所述的煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統的組成圖；圖2是所述採集分機與液壓支架連接圖；圖3是本實用新型實施例所述的煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監. .測系統安裝位置示意圖；圖4是所述採集分機示意圖；圖5是所述通訊分站示意圖；圖6是所述採集分機的電路原理圖；圖7是所述通訊分站的電路原理圖；圖8是主通訊電路原理圖。圖中1、採集分機；2、通訊分站；3、數據接口； 4、工控機；5、本安電. .源；6、工業光纖以太環網監控系統、電話線或礦用電纜；7、串行總線；8、RS232; 9、壓力傳感器A; 10、壓力傳感器B; 11、壓力傳感器C; 12信號輸入口； 13 超聲波測距儀；14、液壓支架右柱高壓下腔;15、液壓支架左柱高壓下腔；16 液壓支架平衡千斤頂下腔；17超聲波信號線；18、高壓油管；19、 20、 21、電 纜快速插座；22、電源輸入接口； 23、通訊分站^^擬口； 24、光纖輸入^^擬口； 25、 RS232輸出口； 26、分機功能鍵；27分機上翻鍵；28、分機下翻鍵；29、 壓力傳感器的顯示屏；30、分站功能鍵；32、分站上翻鍵；33、分站下翻鍵； 34、分站顯示屏；35、 36、 AD0832; 37、 LCD顯示屏；38、晶振；39、 47、 AT89S52; 40、 48、 SJA1000CAN控制器；41、聲光報警器；42、復位電路；. 43、 44、 49、 50、 6N137光電隔離；45、 51、 82c250收發器；46、 HTM2004 顯示屏；53、音頻變壓器；54、跟隨電路；55、 57放大電路；56、 MSM7512BRS 調製解調晶片；58、 1M晶振。
具體實施方式
、如圖1-5所示，本實用新型實施例所述的煤礦井下工作面液壓支架工作狀 況在線監測系統，包括採集分機l、超聲波測距儀、通訊分站2、數據接口 3、 工控機4、本安電源5。採集分機l是現場實時數據採集、顯示、傳輸單元，採集分機l集監測電路、顯示器、數據通訊接口為一體，實現井下現場顯示數據 和報警，頂板來壓的變化，主要體現在液壓支架的支架立柱上，監測支架立柱 下腔的工作壓力是與頂板的壓力是相對的，每個採集分機1包含三個壓力傳感器9、 10、 11，其中壓力傳感器9通過高壓油管18與液壓支架左柱高壓下腔15 連接；壓力傳感器10通過高壓油管18與液壓支架右柱高壓下腔14連接；壓力 傳感器11通過高壓油管18與液壓支架平衡千斤頂下腔連接；壓力傳感器的顯 示屏29數據顯前工作阻力、當前循環初撐力、最大工作阻力，及利用"l皿進行 功能設置時的顯示；所述超聲波測距儀安裝在立柱上，發出的超聲波經液壓支 架頂面反射後再接收，達到測量支架的壓縮位移量的目的，換算出採高，根據 移架速度算出產量，所述超聲波測距儀通過超聲波信號線與採集分機連接；系 統包含16個採集分機1，每臺採集分機1可通過電纜快速插座19和20經串行 總線7串聯。採集分機1釆集、處理後的數據通過電纜快速插座19，.以串行總 線7傳輸到通訊分站2的電纜快速插座21中，本安電源5通過電源輸入接口 22分別給採集分機1、通訊分站2提供本安電源，23為通訊分站模擬口，採用 2芯通訊電纜、電話線或光纖，負責所有測區數據採集和通訊，具有與地面傳 輸數據接口 3雙向通訊及工作狀態指示功能，通訊分站的三個功能設置4務建分 別為分站功能4定30、分站上翻4定32和分站下翻4建33,按下4走30,顯示屏進入 功能選擇菜單，再按32、 33上下翻來選擇不同的功能，包括報警值、支架編號、 傳感器地址的設定等；'34為通訊分站的顯示屏，數據顯示包括支架號、各傳 '感器編號、當前傳輸時間、當前工作阻力、當前循環初撐力、最大工作阻力， 及利用按鍵進行功能設置時的各種功能選項顯示，24為光纖輸入模擬口； 25為 RS232輸出口直接與控制主才幾PC機進行聯接；信號傳輸介質可以為工業光纖以 太環網監控系統、電話線或礦用電纜6，本傳輸接口提供三種方式可供用戶自 己選擇。工控機4為地面的監控中心，能夠實時的在線監測井下的狀況，.可以 實現以下功能計算機動態顯示監測參數、報警；監測數據自動記錄存儲；連 續監測曲線顯示、分析；歷吏數據查詢及報表輸出；綜合分析及頂板安全評估 分析。如圖6-8所示，本實用新型實施例所述的煤礦井下工作面液壓支架工作狀 況在線監測系統的原理基於液壓支柱高壓腔壓力的變化，結合液壓支架的壓縮位移量，經串行總線、乙太網傳輸至地面控制中心，而完成在線監測、分析工作面礦壓情況的監測監控系統包括採集單元、處理單元、傳輸單元、專家 分析單元、預警單元；所述採集單元主要負責數據的採集，完成實時顯示、聲 光報警及數據的傳輸。採集單元主要通過壓力採集模塊、位移採集模塊使採集 信號變為電信號，經運算放大器放大信號，再通過AD0832 35、 36使模擬信 號轉化為數位訊號傳輸給AT89S52 39進行控制，由LCD顯示屏37實現數據 的顯示，包括數據採集、聲光報警、顯示功能、數據傳輸，其中'1、 數據採集將壓力採集模塊、位移採集模塊得到的0-5V的模擬信號通. .過轉化為數位訊號，傳給AT89S52 39進行分析正常情況下AD0832 35、 36的接口應為4條數據線，分別是CS、 CLK、 DO、 DI。 ^旦由於DO端與DI端在 通信時並未同時有效並與單片才幾的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO 和DI並聯在一根數據線上使用；當AD0832 35、 36未工作時其CS輸入端應 為高電平，此時晶片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意；當要進行A/D轉換 時，須先將CS使能端置於低電平並且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯 片開始轉換工作，同時由處理器向晶片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈衝，DO/DI 端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號；在第1個時鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈衝下沉之前DI端應輸入2位. .數據用於選擇通道功能到第3個脈沖的下沉之後DI端的輸入電平就失去輸入 作用，此後DO/DI端則開始利用數據輸出DO進行轉換數據的讀取。從第4個 脈衝下沉開始由DO端輸出轉換數據最高位ATA7，隨後每一個脈衝下沉DO端 輸出下一位敖據。直到第11個脈沖時發出最低位數據DATAO, —個字節的數 據輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節的數據，即從第ll個字節 的下沉輸出DATD0。隨後輸出8位數據，到第19個脈衝時數據輸出完成，也 標誌著一次A/D轉換的結束。最後將CS置高電平禁用晶片，直接將轉換後的 數據進行處理就可以了。2、 顯示功能經AT89S52 39編程，在AT89S52 37上實時顯示，包括通 道數、當前壓力、最大壓力、初始壓力，AT89S52 39將顯示內容送與AT89S52 37顯示，並由AT89S52 39的P1.4、 P1.5、 P3.4 與AT89S52 37的E端，R/W端，RS端相連，控制顯示的內容、亮度和刷新次數。3、 聲光報警由AT89S52 39輸出電信號供給聲光報警器41 ，驅動揚聲 器發出危險報警信號。4、 數據傳輸控制單元以單片機AT89S52 39為核心，選用器件 SJA1000CAN控制器40作為串行控制器，並選用晶片82c250收發器45和6N137 光電隔離44、 43作為CAN控制器接口和光耦合隔離。復位電路42為AT89S52 39和SJA1000CAN控制器40的復位電路，82c250收發器45的TXD、 RXT'就 對應接上6N137光電隔離44、 43的輸出腳OUT和輸入腳IN;腳Rs作為斜率 控制電阻輸入端，電阻的大小可以根據總線通信速度適當調整一般在16 ~ 140KQ之間，設計中Rs阻值為16KQ。在通過接一個47K電阻分流之後，可以 接地。電壓引腳Vcc，其電源電壓4.5V 〈 Vcc 〈 5.5V,在^L計中採用5V電 壓。Vref作為基準電壓輸出端，設計中可以接地。而CANH， CANL腳是信號 的輸入輸出，實現對電平信號的傳送，通過它們連接電纜，完成通信傳輸。對於AT89S52 39和SJA1000CAN控制器40的連接，引腳AD0 AD7是 和AT89S52 39的輸出輸入腳PO.O ~ P0.7相接；SJA1000CAN控制器40的片 選信號腳/CS必須由樣史控制器的P3.3 口控制否則這個片選輸入必須接到VSS也 可以通過地址解碼控制例如當地址/數據總線用於其他外圍器件，ALE對應 ALE，讀/寫輸入腳/WR、 /RD， /INT和單片機的/INTO連接，由於在該系統中要 用到相同的時鐘頻率,'所以我們要時鐘信號引腳CLKOUT和單片機的XTAL1 腳相連，達到頻率一致的目的；而在復位信號的處理，可以在看門狗外圍電路 的RST信號輸出後再通過和非門電路的相連，很好的實現了電路的復位作用。 而對於控制器的^1議引腳TX0， TX1與RX0， RX1,在本系統中TXO、 RXO可 和收發器450的TXD、 RXD接通。同時，在和CPU接口中SJA1000CAN控制 器40支持對兩個著名的微型控制器系列的直接連接80C51、 68xx。通過 SJA1000CAN控制器40的MODE引腳可選擇接口模式Intel模式MODE高； Motorola模式MODE低。在Intel模式和Motorola模式裡地址/數據總線和讀 /寫控制信號的連接。本設計中，正是使用Intel模式。對SJA1000CAN控制器40的Vddl ~ Vdd3電源輸入腳，外接上驅動+5V電壓；而Vssl ~ Vss3輸出接 地。設計中，對SJA1000CAN控制器40提供16Mkz的晶振38.採集單元的數據通過CAN總線傳輸到監控分站後，通過82c250收發器接 收數據；控制單元以單片機AT89S52 47為核心，選用器件82c250收發器.48作 為CAN控制器，並選用晶片82c250收發器和6N137光電隔離49、50作為CAN控制器接口和光耦合隔離。5i的TXD、 RXT就對應接上6N137光電隔離49的輸出腳OUT和輸入腳 IN;腳Rs作為斜率控制電阻輸入端，電阻的大小可以割據總線通信速度適當調 整一般在16 ~ 140KQ之間，設計中Rs阻值為47KH。在if過接一個47K電阻 分流之後，可以接地。電壓引腳Vcc，其電源電壓4.5V 〈Vcc 〈5.5V,在設計 中採用5V電壓。Vref作為基準電壓輸出端，設計中可以接地。而CANH， CANL 腳是信號的輸入輸出，實現對電平信號的傳送，通過它們連接電纜，完成通信 傳輸。對於82c250收發器48和AT89S52 47的連接，82c250收發器48引腳 AD0 AD7是和AT89S52 47的輸出輸入腳PO.O ~ P0.7相接；82c250收發器48 的片選信號腳/CS必須由微控制器的P2.7 口控制否則這個片選輸入必須接到 VSS也可以通過地址解碼控制例如當地址/數據總線用於其他外圍器件，ALE 對應ALE,讀/寫輸入腳/WR、 /RD， /INT和單片機的/INTO連接，由於在該系 統中要用到相同的時鐘頻率，所時鐘信號引腳CLKOUT和單片機的XTAL1腳 相連，達到頻率一致的目的；而在復位信號的處理，可以在看門狗外圍電路的 RST信號輸出後再通過和非門電路的相連，4艮好的實現了電路的復位作用。而 對於控制器的收發引腳TXO, TXl與RXO, RX1，在本系統中TXO、 RXO可和 收發器82C250的TXD、 RXD接通。同CPU接口中82c250收發器48支持對 兩個著名的微型控制器系列的直接連接80C51 、 68xx。通過82c250收發器48 的MODE引腳可選擇接口模式Intel模式MODE高；Motorola模式MODE 低。在Intel模式和Motorola模式裡地址/數據總線和讀/寫控制信號的連接。本 設計中，正是使用Intel才莫式。對15的Vddl-Vdd3電源輸入腳，外接上驅動十5V電壓；而Vssl Vss3輸出接地。設計中，對82c250收發器48提供16Mkz 的晶振38。 AT89S52 47將信號送給HTM2004顯示屏46顯示，並控制顯示內 容和時間。引腳DB0-DB7與AT89S52 47的輸出輸入腳。P2.7-P2.0連接；AT89S52 47的P3.3 P3.4 P3.5與HTM2004顯示屏46的使能端E.讀寫控制端R/W.RS端相連。實際應用應注意以下方面1. 82c250收發器48的中斷請求信號INT在中斷允許且有中斷發生時，由 高電來此跳變到低電平，所以INT和AT0C51的INTO直接相連。片選信號CS 和單片機引腳P2.7相連，當CS接到低電平時，82c250收發器48被選中，CPU 可對SO進行讀/寫操作。為了增強CAN總線節點的抗幹擾能力。82c250收發器 48的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5VCC上，否則，將不能形 成CAN協議要求的電平邏輯。2. 82c250收發器48的TxD和RxD並不是直4妄與82C250的TxD和RxD 相連而是通過高速光耦合6N137光電隔離49、 50後與82c250收發器51相連， 這樣就可以很好的實現了總線上個CAN節點的電氣隔離，不過應該特別說明一 點的是光耦部分電兩個電源Vcc和Vdd必須完全隔離，否則採用光耦也就失去 了意思。電源的完全隔離可釆用小功率電源隔離才莫塊或帶多5V隔離輸出的開 關電源模塊實現，這些部分雖然增加了節點的複雜，但是卻提高了節點的穩定 性和安全性，保護CAN控制器正常工作。3. 由於AT89S52 47和82c250收發器48所用的工作頻率不同，'給設計帶 來麻煩。因此，在本次設計中將82c250收發器48的CLOCKOUT的時鐘信號 接至AT89S52 47的時鐘電5各輸入端，作為82c250收發器48的外部時鐘輸入， 解決了時鐘同步問題。4. 劃是CAN總線收發器,'是CAN控制器82c250收發器48正常工作與CAN 總線的接口器件，是對CAN總線以差分方式發送，TXD和RXD引腳分別發送 經過驅動後的發送和接收信號。其引腳RS用於選擇51的工作模式(高速、斜率或等待)。RS腳接地，82c250收發器51工作於高速方式，RS腳串接一個電. 阻R後再接地，若82c250收發器51處於CAN總線的網絡終端，總線接口部 分必須加一個120Q的匹配電阻；以保護82c250收發器51免受過激的沖擊忽略 掉它們，會使數據通信.的抗幹撫性及可靠性大大降低。本設計中，'82c250收發 .器51的CANH和CANL引腳與地之間並聯了兩個30pF的小電容可以起到濾除 總線上的高頻幹擾和一定的防電磁輻射的能力。5.另外在兩根CAN總線接入端與地之間一個保護二極體。.當CAN總線有 較高的負電壓時，通過二極體的短路可起到一定的過壓保護作用，82c250收發 器51的Rs腳上接一個斜率電阻。電阻大小可以根據總線通信速度適當調整一 般在16—140KQ之間。MSM7512BRS調製解調晶片56的XD和RD端電平均 與TTL電平兼容，可以與單片機的串行口直接連接，AT89S52 47的P1.0 口與 AOG相連，來選擇模擬輸出的放大倍數；PI.l和P1.2分別與MODI、 MOD2 相連，用於選擇工作方'式；P1.3與TEXT相連，同PU、 P1.2—起控制晶片.的 自檢，P1.4與RS相連，控制MSM7512BRS發送或接收信號；P1.5與CD相連 確定接收的信號和應答。MSM7512BRS調製解調晶片56採用1M晶振58下工 作。數位訊號由AT89S52 47的TXD端發出，經.MSM7512BRS調製解調晶片 56調製後，模擬信號再經兩級放大電路55、跟隨電路54調整傳輸到電話線上， 採用集成運算放大器進行放大，電阻調整放大倍數，以及達到規定的放大倍數 進行傳輸，並採用音頻變壓器53傳輸到電話線上。
權利要求1、一種煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統，其特徵在於包括採集分機，所述採集分機通過高壓油管與液壓支架立柱單向閥阻隔處連接、所述採集分機安裝在液壓支架的兩立柱之間或液壓支架的後連杆上，所述採集分機與採集分機之間通過串行總線連接；超聲波測距儀，所述超聲波測距儀安裝在支架立柱上，所述超聲波測距儀通過超聲波信號線與所述採集分機連接；通訊分站，所述通訊分站安裝於設備巷順槽的設備列車上，所述通訊分站通過串行總線與採集分機連接；數據接口，所述數據接口安裝於井上監控中心，數據接口通過工業光纖以太環網監控系統、電話線或礦用電纜與通訊分站連接；工控機，所述工控機通過RS232與所述數據接口連接；本安電源，所述本安電源通過通訊分站給井下部分提供電源。
2、 根據權利要求1所述的煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系 統，其特徵在於所述監測系統包含16個採集分機，各採集分機通過電纜快速 插座經串行總線串聯，採集分機主要釆集支柱立柱高壓腔的壓力。
專利摘要本實用新型涉及一種煤礦井下工作面液壓支架工作狀況在線監測系統，包括採集分機，通過高壓油管與液壓支架立柱單向閥阻隔處連接、安裝在液壓支架兩立柱之間或液壓支架後連杆上，通過串行總線連接；超聲波測距儀，安裝在立柱上，通過超聲波信號線與採集分機連接；通訊分站，安裝於設備巷順槽的設備列車上，通過串行總線與採集分機連接；數據接口，安裝於井上監控中心，通過工業光纖以太環網監控系統、電話線或礦用電纜與通訊分站連接；工控機，通過RS232與所述數據接口連接；本安電源，所述本安電源通過通訊分站給井下部分提供電源。本實用新型的有益效果結合煤礦現有的通訊介質完成井上監測監控，避免煤礦行業對通訊介質的重複投資。
文檔編號G08C23/00GK201218761SQ200820127150
公開日2009年4月8日 申請日期2008年6月25日 優先權日2008年6月25日
發明者斌 張, 辰 張 申請人:張 斌;張 辰