专利名称：煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统。
技术背景随着煤矿行业综采设备的推广应用，液压支架成为现代采煤技术中的关键' 设备之一，液压支架在综采'工作面能否有效地支撑和控制工作面顶板、隔离采 空区，并实时监控其所承载的工作阻力，而对工作面顶板的优劣程度进行客观 准确的评价，是需要解决的首要问题。工作面顶板压力的危害主要通过压坏支 .架、发生冒顶和片帮而表现出来，因此，通过监测工作面液压支架的工作阻力， 来撑握工作面顶板压力的规律，对于采用什么支护形式，放顶步距等都是很重 要的。同时，为了科学、高效地开采，实时监测工作面的采掘高度，本实用新型 通过安装在立柱上的超声波测距仪，在线监测工作面的采高，并形成历史记录， 便于国家煤矿管理机关随时掌握矿山是否按规定的高度，进行科学、有效地开 采。目前，国内的液压支架的压力监测大多采用机械压力表，既观察不变，又 不能存储历史数据以便于分析，能够实时在线监测的存在着"采高，，数据缺失， 仍需人工填写"采高"日报表、工作面采样周期较长，不能客观、准确的记录支架所承受的阻力，同.时因未建立专家分析软件，因而缺失数据的实际指导意 义。因此提供一种集采集、传输及专家分析系统为一体的煤矿井下工作面液压 支架工况监测系统很有必要"实用新型内容本实用新型的目的是提供一种煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测 系统，以克服现有的监测采用机械压力表，既观察不变，又不能存储历史数据 以便于分析，不能实时在线监测并及时显示、存储当前的支架受力情况，从而 分析工作面顶板的优劣状况的不足。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现一种煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统，包括采集分机，所述采集分^l通过高压油管与液压支架立柱单向阀阻隔处连接、 所述采集分机安装在液压支架的两立柱之间或液压支架的后连杆Ji，所述采集 分机与采集分机之间通过串行总线连接；超声波测距仪，所述超声波测距仪安装在支架立柱上，发出的超声波经液 压支架顶面反射后再接收，达到测量支架的压缩位移量的目的，换算出采高， 根据移架速度算出产量，所述超声波测距仪通过超声波信号线与采集分机连接；通讯分站，所述通讯分站安装于设备巷顺槽的设备列车上，所述通讯分站. 通过串行总线与采集分机连接；数据接口，所述数据接口安装于井上监控中心，数据接口通过工业光纤以 太环网监控系统、电话线或矿用电缆与通讯分站连接；工控机，所述工控机通过RS232与所述数据接口连接；本安电源，所述本安电源通过通讯分站给井下部分提供电源。本实用新型基于液压支架立柱高压腔压力的变化，结合液压支架的压缩位 移量，经串行总线、以太网或电话线传输至地面控制中心，而完成在线监测、 分析工作面矿压、支架工作状况、采高、产量等的监测系统。本实用新型的有益效果通过该系统中的液压支架、立柱所受压力来分析 工作面顶板状况、支架的安全状况，以及通过安装在立柱上的超声波测距仪来 连续监测采煤高度，为煤矿安全、科学、高效的开采提供依据；结合煤矿现有 的通讯介质完成井上监测监控，避免煤矿行业对通讯介质的重复投资。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是本实用新型实雄例所述的煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统的组成图；图2是所述采集分机与液压支架连接图；图3是本实用新型实施例所述的煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监. .测系统安装位置示意图；图4是所述采集分机示意图；图5是所述通讯分站示意图；图6是所述采集分机的电路原理图；图7是所述通讯分站的电路原理图；图8是主通讯电路原理图。图中1、采集分机；2、通讯分站；3、数据接口； 4、工控机；5、本安电. .源；6、工业光纤以太环网监控系统、电话线或矿用电缆；7、串行总线；8、RS232; 9、压力传感器A; 10、压力传感器B; 11、压力传感器C; 12信号输入口； 13 超声波测距仪；14、液压支架右柱高压下腔;15、液压支架左柱高压下腔；16 液压支架平衡千斤顶下腔；17超声波信号线；18、高压油管；19、 20、 21、电 缆快速插座；22、电源输入接口； 23、通讯分站^^拟口； 24、光纤输入^^拟口； 25、 RS232输出口； 26、分机功能键；27分机上翻键；28、分机下翻键；29、 压力传感器的显示屏；30、分站功能键；32、分站上翻键；33、分站下翻键； 34、分站显示屏；35、 36、 AD0832; 37、 LCD显示屏；38、晶振；39、 47、 AT89S52; 40、 48、 SJA1000CAN控制器；41、声光报警器；42、复位电路；. 43、 44、 49、 50、 6N137光电隔离；45、 51、 82c250收发器；46、 HTM2004 显示屏；53、音频变压器；54、跟随电路；55、 57放大电路；56、 MSM7512BRS 调制解调芯片；58、 1M晶振。
具体实施方式
、如图1-5所示，本实用新型实施例所述的煤矿井下工作面液压支架工作状 况在线监测系统，包括采集分机l、超声波测距仪、通讯分站2、数据接口 3、 工控机4、本安电源5。采集分机l是现场实时数据采集、显示、传输单元，采集分机l集监测电路、显示器、数据通讯接口为一体，实现井下现场显示数据 和报警，顶板来压的变化，主要体现在液压支架的支架立柱上，监测支架立柱 下腔的工作压力是与顶板的压力是相对的，每个采集分机1包含三个压力传感器9、 10、 11，其中压力传感器9通过高压油管18与液压支架左柱高压下腔15 连接；压力传感器10通过高压油管18与液压支架右柱高压下腔14连接；压力 传感器11通过高压油管18与液压支架平衡千斤顶下腔连接；压力传感器的显 示屏29数据显前工作阻力、当前循环初撑力、最大工作阻力，及利用"l皿进行 功能设置时的显示；所述超声波测距仪安装在立柱上，发出的超声波经液压支 架顶面反射后再接收，达到测量支架的压缩位移量的目的，换算出采高，根据 移架速度算出产量，所述超声波测距仪通过超声波信号线与采集分机连接；系 统包含16个采集分机1，每台采集分机1可通过电缆快速插座19和20经串行 总线7串联。采集分机1釆集、处理后的数据通过电缆快速插座19，.以串行总 线7传输到通讯分站2的电缆快速插座21中，本安电源5通过电源输入接口 22分别给采集分机1、通讯分站2提供本安电源，23为通讯分站模拟口，采用 2芯通讯电缆、电话线或光纤，负责所有测区数据采集和通讯，具有与地面传 输数据接口 3双向通讯及工作状态指示功能，通讯分站的三个功能设置4务建分 别为分站功能4定30、分站上翻4定32和分站下翻4建33,按下4走30,显示屏进入 功能选择菜单，再按32、 33上下翻来选择不同的功能，包括报警值、支架编号、 传感器地址的设定等；'34为通讯分站的显示屏，数据显示包括支架号、各传 '感器编号、当前传输时间、当前工作阻力、当前循环初撑力、最大工作阻力， 及利用按键进行功能设置时的各种功能选项显示，24为光纤输入模拟口； 25为 RS232输出口直接与控制主才几PC机进行联接；信号传输介质可以为工业光纤以 太环网监控系统、电话线或矿用电缆6，本传输接口提供三种方式可供用户自 己选择。工控机4为地面的监控中心，能够实时的在线监测井下的状况，.可以 实现以下功能计算机动态显示监测参数、报警；监测数据自动记录存储；连 续监测曲线显示、分析；历吏数据查询及报表输出；综合分析及顶板安全评估 分析。如图6-8所示，本实用新型实施例所述的煤矿井下工作面液压支架工作状 况在线监测系统的原理基于液压支柱高压腔压力的变化，结合液压支架的压缩位移量，经串行总线、以太网传输至地面控制中心，而完成在线监测、分析工作面矿压情况的监测监控系统包括采集单元、处理单元、传输单元、专家 分析单元、预警单元；所述采集单元主要负责数据的采集，完成实时显示、声 光报警及数据的传输。采集单元主要通过压力采集模块、位移采集模块使采集 信号变为电信号，经运算放大器放大信号，再通过AD0832 35、 36使模拟信 号转化为数字信号传输给AT89S52 39进行控制，由LCD显示屏37实现数据 的显示，包括数据采集、声光报警、显示功能、数据传输，其中'1、 数据采集将压力采集模块、位移采集模块得到的0-5V的模拟信号通. .过转化为数字信号，传给AT89S52 39进行分析正常情况下AD0832 35、 36的接口应为4条数据线，分别是CS、 CLK、 DO、 DI。 ^旦由于DO端与DI端在 通信时并未同时有效并与单片才几的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO 和DI并联在一根数据线上使用；当AD0832 35、 36未工作时其CS输入端应 为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意；当要进行A/D转换 时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯 片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号；在第1个时钟脉沖的下沉之前 DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位. .数据用于选择通道功能到第3个脉沖的下沉之后DI端的输入电平就失去输入 作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个 脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位ATA7，随后每一个脉冲下沉DO端 输出下一位敖据。直到第11个脉沖时发出最低位数据DATAO, —个字节的数 据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第ll个字节 的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也 标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的 数据进行处理就可以了。2、 显示功能经AT89S52 39编程，在AT89S52 37上实时显示，包括通 道数、当前压力、最大压力、初始压力，AT89S52 39将显示内容送与AT89S52 37显示，并由AT89S52 39的P1.4、 P1.5、 P3.4 与AT89S52 37的E端，R/W端，RS端相连，控制显示的内容、亮度和刷新次数。3、 声光报警由AT89S52 39输出电信号供给声光报警器41 ，驱动扬声 器发出危险报警信号。4、 数据传输控制单元以单片机AT89S52 39为核心，选用器件 SJA1000CAN控制器40作为串行控制器，并选用芯片82c250收发器45和6N137 光电隔离44、 43作为CAN控制器接口和光耦合隔离。复位电路42为AT89S52 39和SJA1000CAN控制器40的复位电路，82c250收发器45的TXD、 RXT'就 对应接上6N137光电隔离44、 43的输出脚OUT和输入脚IN;脚Rs作为斜率 控制电阻输入端，电阻的大小可以根据总线通信速度适当调整一般在16 ~ 140KQ之间，设计中Rs阻值为16KQ。在通过接一个47K电阻分流之后，可以 接地。电压引脚Vcc，其电源电压4.5V 〈 Vcc 〈 5.5V,在^L计中采用5V电 压。Vref作为基准电压输出端，设计中可以接地。而CANH， CANL脚是信号 的输入输出，实现对电平信号的传送，通过它们连接电缆，完成通信传输。对于AT89S52 39和SJA1000CAN控制器40的连接，引脚AD0 AD7是 和AT89S52 39的输出输入脚PO.O ~ P0.7相接；SJA1000CAN控制器40的片 选信号脚/CS必须由樣史控制器的P3.3 口控制否则这个片选输入必须接到VSS也 可以通过地址解码控制例如当地址/数据总线用于其他外围器件，ALE对应 ALE，读/写输入脚/WR、 /RD， /INT和单片机的/INTO连接，由于在该系统中要 用到相同的时钟频率,'所以我们要时钟信号引脚CLKOUT和单片机的XTAL1 脚相连，达到频率一致的目的；而在复位信号的处理，可以在看门狗外围电路 的RST信号输出后再通过和非门电路的相连，很好的实现了电路的复位作用。 而对于控制器的^1议引脚TX0， TX1与RX0， RX1,在本系统中TXO、 RXO可 和收发器450的TXD、 RXD接通。同时，在和CPU接口中SJA1000CAN控制 器40支持对两个著名的微型控制器系列的直接连接80C51、 68xx。通过 SJA1000CAN控制器40的MODE引脚可选择接口模式Intel模式MODE高； Motorola模式MODE低。在Intel模式和Motorola模式里地址/数据总线和读 /写控制信号的连接。本设计中，正是使用Intel模式。对SJA1000CAN控制器40的Vddl ~ Vdd3电源输入脚，外接上驱动+5V电压；而Vssl ~ Vss3输出接 地。设计中，对SJA1000CAN控制器40提供16Mkz的晶振38.采集单元的数据通过CAN总线传输到监控分站后，通过82c250收发器接 收数据；控制单元以单片机AT89S52 47为核心，选用器件82c250收发器.48作 为CAN控制器，并选用芯片82c250收发器和6N137光电隔离49、50作为CAN控制器接口和光耦合隔离。5i的TXD、 RXT就对应接上6N137光电隔离49的输出脚OUT和输入脚 IN;脚Rs作为斜率控制电阻输入端，电阻的大小可以割据总线通信速度适当调 整一般在16 ~ 140KQ之间，设计中Rs阻值为47KH。在if过接一个47K电阻 分流之后，可以接地。电压引脚Vcc，其电源电压4.5V 〈Vcc 〈5.5V,在设计 中采用5V电压。Vref作为基准电压输出端，设计中可以接地。而CANH， CANL 脚是信号的输入输出，实现对电平信号的传送，通过它们连接电缆，完成通信 传输。对于82c250收发器48和AT89S52 47的连接，82c250收发器48引脚 AD0 AD7是和AT89S52 47的输出输入脚PO.O ~ P0.7相接；82c250收发器48 的片选信号脚/CS必须由微控制器的P2.7 口控制否则这个片选输入必须接到 VSS也可以通过地址解码控制例如当地址/数据总线用于其他外围器件，ALE 对应ALE,读/写输入脚/WR、 /RD， /INT和单片机的/INTO连接，由于在该系 统中要用到相同的时钟频率，所时钟信号引脚CLKOUT和单片机的XTAL1脚 相连，达到频率一致的目的；而在复位信号的处理，可以在看门狗外围电路的 RST信号输出后再通过和非门电路的相连，4艮好的实现了电路的复位作用。而 对于控制器的收发引脚TXO, TXl与RXO, RX1，在本系统中TXO、 RXO可和 收发器82C250的TXD、 RXD接通。同CPU接口中82c250收发器48支持对 两个著名的微型控制器系列的直接连接80C51 、 68xx。通过82c250收发器48 的MODE引脚可选择接口模式Intel模式MODE高；Motorola模式MODE 低。在Intel模式和Motorola模式里地址/数据总线和读/写控制信号的连接。本 设计中，正是使用Intel才莫式。对15的Vddl-Vdd3电源输入脚，外接上驱动十5V电压；而Vssl Vss3输出接地。设计中，对82c250收发器48提供16Mkz 的晶振38。 AT89S52 47将信号送给HTM2004显示屏46显示，并控制显示内 容和时间。引脚DB0-DB7与AT89S52 47的输出输入脚。P2.7-P2.0连接；AT89S52 47的P3.3 P3.4 P3.5与HTM2004显示屏46的使能端E.读写控制端R/W.RS端相连。实际应用应注意以下方面1. 82c250收发器48的中断请求信号INT在中断允许且有中断发生时，由 高电来此跳变到低电平，所以INT和AT0C51的INTO直接相连。片选信号CS 和单片机引脚P2.7相连，当CS接到低电平时，82c250收发器48被选中，CPU 可对SO进行读/写操作。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力。82c250收发器 48的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约0.5VCC上，否则，将不能形 成CAN协议要求的电平逻辑。2. 82c250收发器48的TxD和RxD并不是直4妄与82C250的TxD和RxD 相连而是通过高速光耦合6N137光电隔离49、 50后与82c250收发器51相连， 这样就可以很好的实现了总线上个CAN节点的电气隔离，不过应该特别说明一 点的是光耦部分电两个电源Vcc和Vdd必须完全隔离，否则采用光耦也就失去 了意思。电源的完全隔离可釆用小功率电源隔离才莫块或带多5V隔离输出的开 关电源模块实现，这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定 性和安全性，保护CAN控制器正常工作。3. 由于AT89S52 47和82c250收发器48所用的工作频率不同，'给设计带 来麻烦。因此，在本次设计中将82c250收发器48的CLOCKOUT的时钟信号 接至AT89S52 47的时钟电5各输入端，作为82c250收发器48的外部时钟输入， 解决了时钟同步问题。4. 划是CAN总线收发器,'是CAN控制器82c250收发器48正常工作与CAN 总线的接口器件，是对CAN总线以差分方式发送，TXD和RXD引脚分别发送 经过驱动后的发送和接收信号。其引脚RS用于选择51的工作模式(高速、斜率或等待)。RS脚接地，82c250收发器51工作于高速方式，RS脚串接一个电. 阻R后再接地，若82c250收发器51处于CAN总线的网络终端，总线接口部 分必须加一个120Q的匹配电阻；以保护82c250收发器51免受过激的沖击忽略 掉它们，会使数据通信.的抗干抚性及可靠性大大降低。本设计中，'82c250收发 .器51的CANH和CANL引脚与地之间并联了两个30pF的小电容可以起到滤除 总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。5.另外在两根CAN总线接入端与地之间一个保护二极管。.当CAN总线有 较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用，82c250收发 器51的Rs脚上接一个斜率电阻。电阻大小可以根据总线通信速度适当调整一 般在16—140KQ之间。MSM7512BRS调制解调芯片56的XD和RD端电平均 与TTL电平兼容，可以与单片机的串行口直接连接，AT89S52 47的P1.0 口与 AOG相连，来选择模拟输出的放大倍数；PI.l和P1.2分别与MODI、 MOD2 相连，用于选择工作方'式；P1.3与TEXT相连，同PU、 P1.2—起控制芯片.的 自检，P1.4与RS相连，控制MSM7512BRS发送或接收信号；P1.5与CD相连 确定接收的信号和应答。MSM7512BRS调制解调芯片56采用1M晶振58下工 作。数字信号由AT89S52 47的TXD端发出，经.MSM7512BRS调制解调芯片 56调制后，模拟信号再经两级放大电路55、跟随电路54调整传输到电话线上， 采用集成运算放大器进行放大，电阻调整放大倍数，以及达到规定的放大倍数 进行传输，并采用音频变压器53传输到电话线上。
权利要求1、一种煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统，其特征在于包括采集分机，所述采集分机通过高压油管与液压支架立柱单向阀阻隔处连接、所述采集分机安装在液压支架的两立柱之间或液压支架的后连杆上，所述采集分机与采集分机之间通过串行总线连接；超声波测距仪，所述超声波测距仪安装在支架立柱上，所述超声波测距仪通过超声波信号线与所述采集分机连接；通讯分站，所述通讯分站安装于设备巷顺槽的设备列车上，所述通讯分站通过串行总线与采集分机连接；数据接口，所述数据接口安装于井上监控中心，数据接口通过工业光纤以太环网监控系统、电话线或矿用电缆与通讯分站连接；工控机，所述工控机通过RS232与所述数据接口连接；本安电源，所述本安电源通过通讯分站给井下部分提供电源。
2、 根据权利要求1所述的煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系 统，其特征在于所述监测系统包含16个采集分机，各采集分机通过电缆快速 插座经串行总线串联，采集分机主要釆集支柱立柱高压腔的压力。
专利摘要本实用新型涉及一种煤矿井下工作面液压支架工作状况在线监测系统，包括采集分机，通过高压油管与液压支架立柱单向阀阻隔处连接、安装在液压支架两立柱之间或液压支架后连杆上，通过串行总线连接；超声波测距仪，安装在立柱上，通过超声波信号线与采集分机连接；通讯分站，安装于设备巷顺槽的设备列车上，通过串行总线与采集分机连接；数据接口，安装于井上监控中心，通过工业光纤以太环网监控系统、电话线或矿用电缆与通讯分站连接；工控机，通过RS232与所述数据接口连接；本安电源，所述本安电源通过通讯分站给井下部分提供电源。本实用新型的有益效果结合煤矿现有的通讯介质完成井上监测监控，避免煤矿行业对通讯介质的重复投资。
文档编号G08C23/00GK201218761SQ200820127150
公开日2009年4月8日 申请日期2008年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者斌 张, 辰 张 申请人:张 斌;张 辰