煤礦井下支架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

哈爾濱華德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）緒論研究背景液壓支架是井下綜采工作面最重要的支護(hù)設(shè)備。由于井下工作環(huán)境惡劣，端線、擠壓短路、過負(fù)荷、漏電等故障時(shí)有發(fā)生，在這些故障發(fā)生之前，傳統(tǒng)液壓支架工作情況的檢測(cè)和控制主要是靠人工進(jìn)行，工作量大、效力低下、反應(yīng)速度差，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓支架在工作時(shí)的異常情況，在發(fā)生故障后也無法第一時(shí)間確定故障發(fā)生的點(diǎn)位，難以迅速對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)，造成煤礦停產(chǎn)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，與此同時(shí)，隨著液壓支架使用年限的增加，液壓支架本身可能存在一定的損壞情況，液壓支架的故障也越來越多，為了確保礦井的正常生產(chǎn)，提高生產(chǎn)率，傳統(tǒng)的方法是通過人工檢測(cè)和停機(jī)診斷。該種方法，效率低下，不能滿足日益提高的生產(chǎn)效率要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，液壓支架監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到綜合礦山設(shè)備中。采礦工作效率。然而，目前液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展還很不成熟。國內(nèi)煤礦綜采工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上都是從國外引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備，但由于工作環(huán)境、技術(shù)條件等原因，存在一定的缺陷，如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線困難、系統(tǒng)穩(wěn)定性低、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失等。由于其核心技術(shù)對(duì)我國不開放，設(shè)備故障維修費(fèi)用高，我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，與世界先進(jìn)國家在煤礦設(shè)備和技術(shù)方面存在較大差距。因此，開發(fā)一套擁有自主核心技術(shù)的支架監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。研究意義液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)是集自控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)械等多種技術(shù)于一體的新型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可對(duì)綜采工作面設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，保證煤礦開采高效率、穩(wěn)定可靠進(jìn)行。因此如何對(duì)煤礦井下大量液壓支架的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度便成了煤炭生產(chǎn)企業(yè)越來越關(guān)注的問題。所以采煤系統(tǒng)希望液壓支架能夠盡可能的保持在良好的運(yùn)行狀況下，即使出現(xiàn)潛在的安全隱患，及早的顯示出來，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員維護(hù)和檢修提供幫助，能夠提高檢修和維護(hù)的效率，更好的提高經(jīng)濟(jì)效益。研究現(xiàn)狀（1）液壓支架的發(fā)展液壓支架是綜采工作面中的一種重要設(shè)備，綜采工作面能否順利進(jìn)行開采與它對(duì)煤壁的支護(hù)質(zhì)量有著直接的關(guān)系。液壓支架的自動(dòng)控制則是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響著采煤效率與工作進(jìn)度，因此對(duì)它的研究一直是一項(xiàng)重要的課題。國外液壓支架控制與檢測(cè)系統(tǒng)的研究比國內(nèi)的研究要早一些。其中，美國、德國和波蘭公司發(fā)展良好。1970年前后，一些大型企業(yè)開始使用液壓支架進(jìn)行支撐，但控制和檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)落后。其檢測(cè)和控制的可靠性不能滿足生產(chǎn)的需要。他們并沒有真正使用液壓支撐系統(tǒng)，隨著研究的進(jìn)展，那是在1990年左右?？刂茩z測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，可靠性和穩(wěn)定性有了很大提高，達(dá)到了煤礦生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，液壓支架已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)入新世紀(jì)。控制器的速度和精度不斷提高，控制器和檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行。液壓支架與采煤機(jī)、乳化液泵、皮帶及刮板等設(shè)備進(jìn)行信息共享及聯(lián)動(dòng)操作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)狀態(tài)參數(shù)，對(duì)液壓支架等設(shè)備進(jìn)行智能檢測(cè)和故障診斷。國內(nèi)對(duì)液壓支架控制與檢測(cè)的研究起步較晚，是在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。液壓支架的研發(fā)過程經(jīng)歷了幾個(gè)階段，每一個(gè)階段都在不斷的進(jìn)步。目前，支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為衡量綜采工作面生產(chǎn)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。近年來，國內(nèi)支架支撐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了很大的突破。2004年。北京監(jiān)控系統(tǒng)支持天地股份有限公司(簡稱北京天地股份有限公司)實(shí)施了由科技發(fā)展專項(xiàng)基金研究所科技部創(chuàng)建的支撐產(chǎn)品開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織:2007年12月，四川申昆設(shè)備有限公司(簡稱四川申昆公司)研制的3.5m液壓支架技術(shù)控制系統(tǒng)通過工程驗(yàn)收。2009年3月，鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)有限公司（鄭州煤機(jī)械廠）進(jìn)行了30次井下工業(yè)試驗(yàn)，并于當(dāng)年11月進(jìn)行了技術(shù)考核。2009年10月，山西平陽廣日機(jī)電有限公司成功開發(fā)了液壓軸承支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，國外支架電液控制技術(shù)已經(jīng)形成。近年來，用于控制家庭支架的電液技術(shù)得到了迅速發(fā)展。支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)較為成熟。隨著國內(nèi)支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷推廣和應(yīng)用，支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在逐步完善和全面發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，支架的檢測(cè)技術(shù)也在飛速發(fā)展。支架各種參數(shù)的采集和傳輸速度越來越快，傳感器信號(hào)的精度越來越高，使得檢測(cè)技術(shù)越來越智能化。目前，采煤機(jī)主要用于打開支架，及時(shí)保護(hù)煤壁，實(shí)現(xiàn)截煤。這樣就無法判斷支護(hù)是否到位，當(dāng)煤壁松動(dòng)時(shí)，也無法及時(shí)支護(hù)。另一些人在煤壁上鉆孔并安裝非金屬錨。該方法工程量大，運(yùn)行時(shí)間長，影響了煤礦開采的進(jìn)度。另外，對(duì)碰墊的控制主要是時(shí)間或行程傳感器控制。由于液壓不穩(wěn)定，保護(hù)板的操作過程或快或慢，時(shí)間控制的準(zhǔn)確性差。當(dāng)接收到保護(hù)板時(shí)，很容易受到干擾或無法恢復(fù)。在行程傳感器的安裝和拆卸過程中，有許多繁瑣的程序，影響了工作效率。（2）支架監(jiān)控系統(tǒng)研究目前主要采用以下監(jiān)測(cè)方法來檢查防護(hù)板是否到位：梁海泉等人提出在液壓支架防護(hù)板上設(shè)置第一激勵(lì)磁鐵，在液壓支架伸縮梁上設(shè)置第二激勵(lì)磁鐵。所述第一磁傳感器、所述第二磁傳感器連接電壓計(jì)算電路，所述傳感器設(shè)置在液壓支架頂梁的下端面上。第一磁傳感器檢測(cè)第一場(chǎng)磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度以獲得第一電壓，第二磁傳感器檢測(cè)第二場(chǎng)磁體的磁場(chǎng)。力量獲得第二電壓和電壓計(jì)算電路計(jì)算電壓值對(duì)應(yīng)的完全收回狀態(tài)和不完整的收回了液壓支架護(hù)板和完全收回狀態(tài)和不完整的收回狀態(tài)的液壓支架伸縮梁根據(jù)第一電壓和第二電壓。當(dāng)液壓支架護(hù)板和支撐伸縮梁的位置被縮回時(shí)，電壓計(jì)算電路輸出不同的電壓值來檢測(cè)液壓支架護(hù)板和支撐伸縮梁的位置狀態(tài)。完成了獨(dú)立液壓支架姿態(tài)分析和監(jiān)控理論分析。液壓支持，提出了不同的監(jiān)測(cè)方法和一些也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但是相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在液壓支架系統(tǒng)尚未融合進(jìn)行分析，因此，漏洞仍然存在：在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，不能及時(shí)評(píng)估問題，防止出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。在液壓支架上合理位置布置傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，已成為獲取關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要任務(wù)。目前，液壓支架位置控制方法主要采用組態(tài)軟件。傳感器返回的數(shù)據(jù)直接顯示在屏幕上。沒有處理數(shù)據(jù)。它只是確保數(shù)據(jù)在合理的范圍內(nèi)，而不是太深。提取和使用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。下面是對(duì)現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方法問題的詳細(xì)描述。對(duì)于離線監(jiān)測(cè)，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、應(yīng)力建模、高可靠性優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元支撐分析等都比較完善。在這種情況下，液壓支架優(yōu)化計(jì)算和計(jì)算公式不夠詳細(xì)，和分析方法提出的液壓支架不是基于一個(gè)不完美的移動(dòng)幀可能發(fā)生在水平和咬卸貨過程中，整個(gè)監(jiān)控過程和有漏洞。軟件系統(tǒng)監(jiān)控:目前最可行的方法是將傳感器安裝在液壓支架的合理位置，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。然而，他們大多只提出了監(jiān)控系統(tǒng)，并沒有在現(xiàn)實(shí)中實(shí)時(shí)監(jiān)控。重慶大學(xué)、南昌大學(xué)、太原理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等高校開發(fā)了液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。重慶大學(xué)郭基偉開發(fā)了基于RS485總線和SPI總線的液壓支架支撐系統(tǒng)，南昌大學(xué)邱繼元開發(fā)了基于LPC2290主控芯片的雙CAN總線液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，太原理工大學(xué)姜春月開發(fā)了采用雙處理器、三總線結(jié)構(gòu)的耿型單片機(jī)液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，太原理工大學(xué)的耿澤新改進(jìn)了姜春月的性能，提出了一種基于16位單片機(jī)的液壓支架控制器。這一特點(diǎn)得到了增強(qiáng):中國礦業(yè)大學(xué)的王家彪開發(fā)了一種基于CAN和以太網(wǎng)的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦井下支架監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液壓支架采用高壓乳化液驅(qū)動(dòng)，適用于綜采工作面，能及時(shí)支撐頂板，提供安全的工作空間，并能獨(dú)立移動(dòng)和移動(dòng)輸送機(jī)。支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用其他軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在組態(tài)軟件界面上顯示?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)控各液壓支架的位置，確保異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。為此，本章詳細(xì)介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。支架監(jiān)控系統(tǒng)組成液壓支架支撐監(jiān)控系統(tǒng)主要包括井下計(jì)算機(jī)、地面計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)開關(guān)，交換機(jī)、傳感器及控制器等部分。整個(gè)結(jié)構(gòu)組成中最為核心的部分為控制器，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)控，傳感器主要發(fā)揮監(jiān)測(cè)功能，液壓控制閥及電磁閥實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)作的執(zhí)行。在生產(chǎn)過程中，液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，同時(shí)保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，工作原理如下：系統(tǒng)中的控制器通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作的控制，并且其內(nèi)部操作系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況對(duì)工作模式做出及時(shí)的調(diào)整，借助相關(guān)的檢測(cè)裝置進(jìn)行采煤機(jī)生產(chǎn)狀況監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化控制。支架監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析及處理，首先，傳感器將井下收集到的設(shè)備運(yùn)行情況集中匯總之后傳送到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)經(jīng)過初步的分析處理之后將數(shù)據(jù)展示于顯示器上，使相關(guān)工作人員對(duì)于井下實(shí)際生產(chǎn)狀況能夠有一個(gè)較為清晰的理解。隨后，根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行合理調(diào)整，并使用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)提供相關(guān)指令。在系統(tǒng)操作過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行操作，做好支架的定期檢查工作，主要目的為保證支架的密封性能良好，從而防止由于漏液而導(dǎo)致的安全事故，為生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供保障。圖2-1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成功能要求本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)基于主從模式的思想，分為采集分站和主機(jī)2個(gè)層次，通過以太網(wǎng)直接與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)液壓支架的實(shí)時(shí)監(jiān)控；其次，還可以將系統(tǒng)采集的各類傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，如立柱壓力、采煤機(jī)位置、推移油缸位移和支架傾角等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)的綜采大數(shù)據(jù)共享。為此，主要功能要求如下：本設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)基于主控模式的思維，采集分為兩個(gè)子層和接收站，通過以太網(wǎng)直接連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，對(duì)液壓支架遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其次，還可以將各種實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳到云服務(wù)器，如柱壓、采煤機(jī)位置、油箱支架通道及運(yùn)動(dòng)角度等數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)大型煤礦機(jī)械化開采作業(yè)數(shù)據(jù)共享。為此，主要的功能需求如下：1）液壓支架狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。要求遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V井下液壓支架的工作情況、工作狀態(tài)，各傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)收集等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、采集和信號(hào)傳輸。2）實(shí)時(shí)狀態(tài)控制功能。要求遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)σ簤褐Ъ艿倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)的模糊控制和工作狀態(tài)修正，確保液壓支架各部件的工作狀態(tài)均在可控范圍內(nèi)，且需要狀態(tài)修正控制靈活，修正滯后性小。3）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析功能。該功能主要是為了對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的液壓支架的連續(xù)性的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析，并以這些儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用邏輯分析、控制功能，對(duì)液壓支架在工作過程中的壓力變化、動(dòng)作路徑、運(yùn)行軌跡等進(jìn)行分析，以得出液壓支架工作狀態(tài)的變化趨勢(shì)，為后續(xù)制定液壓支架的維護(hù)周期、保養(yǎng)措施提供支持。4）故障診斷功能。該功能需要對(duì)液壓支架的運(yùn)行情況進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置好的各數(shù)據(jù)信號(hào)的正常工作范圍進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)這些采集到的信號(hào)超出其正常工作范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。方案設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)一般由監(jiān)控對(duì)象、傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警診斷等組成。下位機(jī)主要采集和傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。它們?cè)诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順利、高效地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)具有重要意義的因素。通常，檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可以分為三種類型。解決方案1：單片機(jī)+工控機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，工控機(jī)作為上位機(jī)；選項(xiàng)2：PLC+工控機(jī)，工控機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)；解決方案3：數(shù)據(jù)采集卡+工業(yè)計(jì)算機(jī)。為了經(jīng)濟(jì)和可操作性，本文選擇第一種方案。以單片機(jī)為核心開發(fā)的采集裝置作為檢測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)，計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)。圖2-2為檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成圖。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括多路傳感器組、信號(hào)調(diào)理電路組成的數(shù)據(jù)采集裝置和計(jì)算機(jī)。主要實(shí)現(xiàn)支架試驗(yàn)臺(tái)壓力、流量、溫度、位移信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理功能，通過通信將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理、顯示、分析和存儲(chǔ)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心使用以太網(wǎng)，工業(yè)攝像頭和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心使用以太網(wǎng)。設(shè)想20個(gè)托架控制器和工業(yè)攝像機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)組接，以太網(wǎng)信號(hào)通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光纖。信號(hào)被連接到一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。地下遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過光纖與地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連。滿足本系統(tǒng)的內(nèi)在安全性要求，本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的供電方式，即每5個(gè)支架控制器和工業(yè)攝像機(jī)均使用電源和絕緣連接器。圖2-2支架監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖圖2-3以太網(wǎng)通訊方案本章小結(jié)本章主要針對(duì)支架監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行研究，首先分析支架監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成，其次分析了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，最后對(duì)支架監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行選擇，確認(rèn)主要通過單片機(jī)+工控機(jī)的方式進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本章確定主要的設(shè)計(jì)方案，為下文的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。支架監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由于地下生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣，為了保證各種設(shè)備始終處于相對(duì)良好的工作狀態(tài)，同時(shí)保持較高的工作效率，因此有必要選擇合適的硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在硬件的操作過程中，要保證所有的指令都能有效地通過操作系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。液壓支架支撐監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)通信接口的硬件設(shè)計(jì)。其中，輸入信號(hào)硬件電路設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量和效果對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行中作業(yè)信息的有效接收和反饋有著重要的作用和影響。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路主要包括功率轉(zhuǎn)換外圍電路、外部RAM存儲(chǔ)模塊、RS485通信電路、壓力采樣調(diào)理模塊。硬件選型主控芯片主控制板是支架控制器的處理中心。它從各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)，獲取支架的支撐狀態(tài)、采煤機(jī)的位置、故障報(bào)警，并將信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和工作面支架。支架控制器是煤礦井下液壓支架的直接控制設(shè)備?；趪?yán)酷的工作環(huán)境和地下的空間需求，根據(jù)資源的數(shù)量，單片機(jī)的通信方法和數(shù)據(jù)處理功能，系統(tǒng)選擇了C8051F020單片機(jī)為核心的監(jiān)控裝置傾斜處理芯片，這個(gè)芯片是一個(gè)完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)芯片與64年數(shù)字I/O引腳，集成一個(gè)非常豐富的外圍接口和硬件資源：2個(gè)12位DAC可編程更新定時(shí)；兩個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用16位定時(shí)器；256字節(jié)的片上RAM；可在系統(tǒng)中編程的64K字節(jié)的閃存；硬件實(shí)現(xiàn)SPISMBus/I2C接口，能夠滿足單片機(jī)與ADXL345數(shù)據(jù)傳輸之間的要求；12位，8通道，100kbpsADC與PGA和模擬多路復(fù)用器，可編程計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器和5個(gè)捕獲/比較模塊。位于芯片內(nèi)部的JTAG調(diào)試方案允許使用最終應(yīng)用程序中安裝的產(chǎn)品MCU進(jìn)行系統(tǒng)的非侵入式調(diào)試。調(diào)試系統(tǒng)支持查看和更改內(nèi)存和寄存器，還支持?jǐn)帱c(diǎn)、監(jiān)視、單步執(zhí)行、啟動(dòng)和停止命令。使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有模擬和數(shù)字外圍設(shè)備都能正常工作。單片機(jī)C8051F020的基本最小系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1C8051F020單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖傳感器選型在現(xiàn)在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于不同監(jiān)測(cè)對(duì)象所采用的傳感器各不相同，而不同的傳感器對(duì)測(cè)量結(jié)果的好壞影響很大。由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，噪聲嚴(yán)重，環(huán)境污染嚴(yán)重，必須按照煤礦的標(biāo)準(zhǔn)選擇礦井傳感器。主要標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）煤礦井下工作環(huán)境比較復(fù)雜，需要測(cè)量的設(shè)備和影響設(shè)備運(yùn)行的因素很多。在測(cè)量過程中，對(duì)于不同的對(duì)象有不同的測(cè)試方法。因此，在選擇傳感器時(shí)，需要考慮被測(cè)對(duì)象的測(cè)量尺寸、傳感器的體積、接觸方式和安裝方式。（2）結(jié)合煤礦惡劣的環(huán)境條件，為了能夠準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行測(cè)量，在選擇傳感器時(shí)需要考慮許多技術(shù)指標(biāo)，主要包括靈敏度、頻響、穩(wěn)定性和精度。此外，在滿足測(cè)試要求后，為了控制成本，需要考慮經(jīng)濟(jì)因素。（3）在選擇傳感器時(shí)還必須考慮其使用環(huán)境，主要從溫度、振動(dòng)、介質(zhì)三個(gè)方面考慮對(duì)儀器的影響。在有腐蝕性介質(zhì)或原子輻射的環(huán)境中工作的傳感器也常常容易損壞。因此，必須根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)膬x器，并考慮必要的保護(hù)措施?？紤]到以上因素，ADXL345是ADI公司生產(chǎn)的高分辨率(13位)、超低功耗、三軸可變量程加速度計(jì)。將晶體硅彈簧從結(jié)構(gòu)上懸吊在板的表面形成電阻，差動(dòng)電容由一個(gè)獨(dú)立的固定板和一個(gè)可移動(dòng)板組成，連接質(zhì)量來測(cè)量結(jié)構(gòu)的撓度。加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)，微分電容不平衡，因此傳感器輸出信號(hào)的振幅與加速度成正比。加速度的大小和極性的測(cè)定是相敏解調(diào)。可選擇的測(cè)量范圍為±2g、±4g、±8g，最大測(cè)量范圍為±16g。該系統(tǒng)使用±2g，分離速率為4mg/LSB。輸出以16位2-add-on格式顯示，可以通過串行I2C或SPI(3-或4線)訪問。其功能框圖如圖3-2所示。圖3-2傳感器功能框圖電源監(jiān)測(cè)裝置的供電電壓為+12V（DC），但是由于傾角監(jiān)測(cè)裝置電路還有+3V和+5V的電壓等級(jí)，所以需要使用相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用恒屹成公司的低飽和電壓轉(zhuǎn)換芯片BA05T和BA033T，設(shè)計(jì)電源控制電路將+12V分別轉(zhuǎn)換為+5V和+3.3V。控制電源電路原理如圖3-3所示：電路中D1和D2兩個(gè)肖特基二極管有分壓和防止電流反向沖擊破壞芯片；電路中電容值均為0.1uf，主要起到穩(wěn)定電壓和低通濾波的作用；電路中R2、R3、R8、R9是0hm的電阻，它們的作用是分隔離不同電壓等級(jí)之間的電阻，以起到電源隔離的作用。圖3-3電源模塊電路圖功能電路設(shè)計(jì)壓力信號(hào)采樣電路壓力信號(hào)采樣電路主要是將壓力傳感器的輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)電平，通過單片機(jī)的采樣引腳進(jìn)行識(shí)別。它還包括電壓鉗位電路、電壓跟隨電路、信號(hào)放大電路等。原理圖如圖所示。在電路中，R9為運(yùn)算放大器的反向接地電阻，R8為運(yùn)算放大器芯片LM358的非逆變輸入電阻。它們與電位計(jì)R11一起用于放大和調(diào)節(jié)信號(hào)。然后，在R13和R15的電壓劃分后，將電壓跟隨器輸入運(yùn)算放大器。由于電壓跟隨器具有高的輸入阻抗和低的輸出阻抗，它起到了緩沖和隔離信號(hào)的作用。最后的信號(hào)通過一個(gè)電壓箝位電路連接到微控制器的模擬采樣pinAINn，該電路由兩個(gè)肖特基二極管組成，用于電壓調(diào)節(jié)和過電壓保護(hù)。圖3-4壓力信號(hào)采樣電路原理圖存儲(chǔ)電路外部RAM存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)由監(jiān)測(cè)接收到的壓力數(shù)據(jù)和傾角數(shù)據(jù)。硬件電路原理圖如圖所示。該電路對(duì)地址線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，并在DS1244W-120靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）上執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫操作。數(shù)據(jù)線為單片片C8051F020的P7.0~P7.7，P7端口也為低8位地址線，它由地址鎖存器74HC373鎖存。地址線總共有15位，高7位是P6.0~P6.6，它們直接連接到SRAM的地址線A8~A14，地址尋址范圍是32K。其中CE是SRAM的片選引腳，低電平有效。只有當(dāng)使能引腳OE為低電平且寫操作WE為低電平且讀操作WE為高電平有效時(shí)，才能執(zhí)行讀寫操作。圖3-5外部RAM存儲(chǔ)電路原理圖通信電路煤礦井下工作環(huán)境惡劣，干擾源較多，對(duì)液壓支架遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信造成較大干擾。為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)采用上位機(jī)模式和下位機(jī)模式。下位機(jī)通過傳感器采集到的信號(hào)通過串口通信發(fā)送給上位機(jī)。數(shù)據(jù)顯示、處理和存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)和微控制器通常使用串行通信。它的優(yōu)點(diǎn)是只需要2到3個(gè)I/O端口，這減少了并行數(shù)據(jù)傳輸期間的數(shù)據(jù)連接端口數(shù)量。根據(jù)通信對(duì)象、距離和數(shù)據(jù)傳輸量的不同，使用不同的通信協(xié)議。本采集裝置所用RS485、USB總線傳輸特點(diǎn)如表3-1所示。表3-1電路傳輸方式名稱電平特點(diǎn)傳輸速率傳輸距離特點(diǎn)RS4850：A>B>0.2V200Kbps1500m利用壓差信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能有效減小共模干擾，衰減電阻，需要用一對(duì)信號(hào)線1：A<B<-0.2VUsb0：D+4Mbps5-10m通信線路簡單，只要一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信1：D-本測(cè)試系統(tǒng)采用RS485總線實(shí)現(xiàn)串行通信。本檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的輸出為TTL級(jí)，通過485總線與上位機(jī)通信前需要將TTL級(jí)轉(zhuǎn)換為RS485級(jí)。上位機(jī)為主機(jī)，監(jiān)控分站為從機(jī)。RS485通信電路的功能是將單片機(jī)C8051F020的串行電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。它主要由RS485通訊接口、喘振電阻電路、MAX3088電平轉(zhuǎn)換芯片、光電隔離電路和施密特電路組成。設(shè)計(jì)了一種特殊的觸發(fā)電路。電路原理圖如圖所示。D11、D12、D16是防喘振電路中的防雷二極管，可以消除外部電路的暫態(tài)脈沖突波電壓，防止喘振沖擊；R40和R41為正溫度系數(shù)熱敏電阻，浪涌電流過大。高溫時(shí)，電阻增大，保護(hù)電路；D7和D8是雙向瞬態(tài)抑制二極管，用作電壓鉗。MAX3088是一個(gè)用于RS485通信的收發(fā)芯片，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸和接收。同時(shí)可以將單片機(jī)的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485識(shí)別電平信號(hào)。光電隔離電路主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)級(jí)信號(hào)和外部信號(hào)的隔離和信號(hào)轉(zhuǎn)換。施密特觸發(fā)芯片74HC14的作用是對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行兩次重構(gòu)，將衰減失真信號(hào)設(shè)置為陡峭的方波，易于單片機(jī)識(shí)別，從而提高了信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。圖3-6RS485通信電路原理圖轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)系統(tǒng)的電源主要由兩部分組成，一部分是傳感器電源，另一部分是采集電路電源。主要要求有:(1)下位機(jī)采集裝置的電源。主要有單片機(jī)供電5V；運(yùn)放LM324工作功率選擇24V；多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4067供電5V；(2)傳感器的部分。該檢測(cè)系統(tǒng)使用的四個(gè)傳感器的工作電壓為24VDC?？紤]到檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，功率模塊必須安全、長期穩(wěn)定。基于性能和功率的考慮，我們?yōu)橄到y(tǒng)選擇了線性電源。此外，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)24V到5V的電路為單片機(jī)和CD4067提供電源。5V轉(zhuǎn)換電路由L7805和LM2596轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。該采集裝置用于實(shí)現(xiàn)LM2596功率調(diào)節(jié)器。具體電路如圖所示。該電路由兩個(gè)部分組成:第一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路由五個(gè)電子元件組成:LM2596開關(guān)電源穩(wěn)壓器、隨心吸收二極管1N5819、儲(chǔ)能電感、濾波電容器組。其輸出為功率器件提供功率，輸入為24V，輸出為5V。二次濾波電路的主要功能是消除電路中的紋波，為電路提供高精度的功率。圖3-7LM2596轉(zhuǎn)換電路本章小結(jié)本章主要設(shè)計(jì)了基于ADXL345加速度傳感器的傾角監(jiān)測(cè)裝置的硬件選型和支架監(jiān)控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，其中硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、ADXL345外圍電路和RS485通信電路等，于此同時(shí)，根據(jù)RS485總線通信原理，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)分站和RS485總線通信的協(xié)議內(nèi)容，確保了通信系統(tǒng)的可靠性煤礦井下支架監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件組成非常復(fù)雜。它的每個(gè)模塊都將涉及信息的分析和處理。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)中有大量的控制指令，如命令接收、命令傳輸、命令。這些是更常見的控制指令。但是實(shí)際生產(chǎn)過程中的信息處理方法非常繁瑣，所涉及的指令類型也非常多。因此，當(dāng)操作系統(tǒng)控制每個(gè)設(shè)備時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)范執(zhí)行。其中，在對(duì)系統(tǒng)中單片機(jī)部分的信號(hào)處理時(shí)，要保證各種輸入指令能夠得到有效的識(shí)別。根據(jù)不同類型的命令信號(hào)，軟件系統(tǒng)可以分為三種類型:單元分組、控制單元?jiǎng)幼骱椭笓]單元編碼。當(dāng)軟件系統(tǒng)接收到信號(hào)后，可以將信號(hào)傳輸給相應(yīng)的控制單元執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。單片機(jī)根據(jù)地下信息傳輸線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，向電磁驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送相應(yīng)的指令，對(duì)工作區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在保證安全的同時(shí)，有效提高了系統(tǒng)的工作效率。在分析支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求和控制流程的基礎(chǔ)上，采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想，編寫了支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)軟件程序。根據(jù)硬件電路各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的主程序和子程序。軟件設(shè)計(jì)軟件功能概況此次主要是基于LabVIEW的對(duì)液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該上位機(jī)操作系統(tǒng)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理。各模塊具體功能如下：（1）數(shù)據(jù)采集，對(duì)工作面監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行數(shù)據(jù)巡檢；（2）姿態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)分站上傳的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)支架關(guān)鍵構(gòu)件的姿態(tài)運(yùn)用圖表來表示其姿態(tài)；（3）參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架整體參數(shù)的修改與設(shè)置；（4）數(shù)據(jù)管理，對(duì)上位機(jī)采集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢和維護(hù)。該上位機(jī)操作平臺(tái)功能齊全，人機(jī)交互功能簡單方便，有助于工作人員的操作。檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)傾角監(jiān)測(cè)裝置的主程序流程圖如圖所示，傾角監(jiān)測(cè)裝置上電后，首先對(duì)單片機(jī)和ADXL345加速度傳感器進(jìn)行初始化，隨后打開程序所需的定時(shí)中斷和通信中斷，最后執(zhí)行數(shù)據(jù)循環(huán)處理。其中開啟通信中斷是為與監(jiān)測(cè)分站通信做準(zhǔn)備，定時(shí)中斷是為傾角監(jiān)測(cè)裝置定時(shí)啟動(dòng)加速度傳感器ADXL345采集各軸的加速度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理部分則是對(duì)每次采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和上傳給監(jiān)測(cè)分站。圖4-1傾角采集系統(tǒng)主程序流程圖傾角監(jiān)測(cè)裝置CPU通過4線制SPI通訊接口獲得加速度傳感器ADXL345的加速度參數(shù)，根據(jù)獲取的加速度值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傾角值，并定時(shí)向監(jiān)測(cè)分站發(fā)送傾角值。圖4-2線制SPI寫入監(jiān)控站點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)檢測(cè)站點(diǎn)CPU通過RS485通訊接口以一定的頻率依次獲取三個(gè)傾角傳感器的傾角參數(shù)，存儲(chǔ)到外部RAM中。收到防爆計(jì)算機(jī)的上傳命令時(shí)，監(jiān)測(cè)分站將傾角參數(shù)從外部RAM中取出并上傳給防爆計(jì)算機(jī)。圖4-3監(jiān)測(cè)站點(diǎn)軟件流程監(jiān)測(cè)分站接收到命令后，進(jìn)入通信中斷。首先，它關(guān)閉通信中斷以防止來自其他通信中斷的干擾，確定它是否是從上位機(jī)接到的命令，在本地通信之后，通信數(shù)據(jù)是正確的，驗(yàn)證是正確的，然后確定它是否是用于讀取狀態(tài)信息的功能代碼，以及它是否是用于讀取狀態(tài)信息的功能代碼。檢查并上傳所需數(shù)據(jù)，然后檢查CRC傳輸期間通信數(shù)據(jù)是否受到干擾。上傳的所有數(shù)據(jù)均由CRC檢查并正確發(fā)送，最后打開串口中斷，確保串口正常運(yùn)行。如果未正確驗(yàn)證支架編號(hào)，將檢查其他信號(hào)采集單元的數(shù)據(jù)，串口將中斷，通信將終止。如果在功能代碼檢查和CRC校驗(yàn)過程中存在錯(cuò)誤，則將解釋通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。如果通信過程未能按照建立的協(xié)議正常通信，則通信錯(cuò)誤命令將被發(fā)送到防爆。首先初始化設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、所有傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，組建網(wǎng)絡(luò)、增刪終端節(jié)點(diǎn)、查詢節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、檢查各終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況（周期性）、實(shí)現(xiàn)各終端節(jié)點(diǎn)和控制中心數(shù)據(jù)、命令的發(fā)送和接收，上位機(jī)把數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用程序，判別數(shù)據(jù)的合法性以及是否超出限定范圍；未超標(biāo)則存入數(shù)據(jù)庫，否則報(bào)警。數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集該模塊的顯示界面如圖4-4所示。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行數(shù)據(jù)巡檢和總線通信功能，圖4-4數(shù)據(jù)采集模塊該模式具體操作如下:1）輸入待核查的綜采礦井編號(hào)；2)輸入工作面上液壓支架總數(shù)和選擇的串口COM進(jìn)行串口通訊；3)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“開始檢測(cè)”按鈕，系統(tǒng)將開始進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)模式，采集整個(gè)采煤工作面監(jiān)控變電站；4)指示燈顯示的顏色表示通訊狀態(tài)，淺灰色表示串口通訊未建立，綠色表示串口通訊正常；5)停止驗(yàn)證過程，點(diǎn)擊“停止驗(yàn)證”按鈕。在自動(dòng)驗(yàn)證模式下，主機(jī)每3秒向監(jiān)控整個(gè)采煤工作面各變電站發(fā)送驗(yàn)證指令，并根據(jù)支架編號(hào)顯示自動(dòng)驗(yàn)證接收區(qū)內(nèi)各液壓支架位置數(shù)據(jù)。自動(dòng)驗(yàn)證的核心是一個(gè)基于RS485總線的串行收發(fā)程序。串行收發(fā)程序的主單元如圖4-5所示。圖4-5RS485串口收發(fā)程序后面板單元本系統(tǒng)使用LabVIEW中的VISA功能模塊組成串口讀/寫集成模塊用來形成RS485的串口收發(fā)程序，主要包括VISA讀數(shù)據(jù)，VISA寫數(shù)據(jù)，串口配置單元和VISA錯(cuò)誤關(guān)閉等功能模塊。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)庫中最基礎(chǔ)的操作對(duì)象是數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表是由一系列的二維數(shù)組組成的，其格式由表中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型來決定。數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)都是關(guān)鍵姿態(tài)信息歷史數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)所用到的數(shù)據(jù)類型主要有日期數(shù)據(jù)類型（data）、整數(shù)數(shù)據(jù)類型（int）、時(shí)間數(shù)據(jù)類型（time）、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（float）、二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型（binary）以及字符串?dāng)?shù)據(jù)類型（varchar）。巡檢歷史數(shù)據(jù)表是姿態(tài)參數(shù)上傳數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)。它具有歷史數(shù)據(jù)，如日期和時(shí)間，支架編號(hào)，壓力和傾斜角度。它是姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和姿態(tài)分析的原始數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)表的形式保存在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)類型的設(shè)置如表4-1所示：表4-1自巡檢歷史數(shù)據(jù)表名稱類型類型說明日期DataAAAA-BB-CC，3個(gè)字節(jié)時(shí)間timeXX：YY：ZZ，3個(gè)字節(jié)支架號(hào)Tinyint1個(gè)字節(jié)，0~255傾角參數(shù)Flota單精度浮點(diǎn)數(shù)，4個(gè)字節(jié)壓力1-2Float單精度浮點(diǎn)數(shù)，4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)庫操作在LabVIEW建立到MySQL的連接之后，您可以使用數(shù)據(jù)庫工具來處理數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)源名稱(DSNs)和使用ODBC(開放數(shù)據(jù)庫連接)技術(shù)連接到實(shí)際數(shù)據(jù)庫。表4-2LabVIEW和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)關(guān)系LabVIEW數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型Data/Timedata/timeStringcharLongintSinglefloatDoubledoubleBinarybinaryLabVIEW數(shù)據(jù)庫寫入操作后面板的基本單元如圖4-6所示。它基本上接收數(shù)據(jù)庫中串口上的數(shù)據(jù)。首先，將系統(tǒng)時(shí)間、方括號(hào)數(shù)量、斜率、壓力等數(shù)據(jù)連接成集群(數(shù)組)，使用“將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫工具”控件將集群中的數(shù)據(jù)寫到MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表中。其中，sx_yyzj是由ODBC數(shù)據(jù)源(ControlPanel-Tool)指定的數(shù)據(jù)源，寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫表名為data_shoudong。圖4-6數(shù)據(jù)庫寫操作基本單元本章小結(jié)本章主要對(duì)煤礦井下支架監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中軟件設(shè)計(jì)首先對(duì)主要功能進(jìn)行介紹，其次對(duì)檢測(cè)裝置的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序和中斷程序等；為液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)采集提供了硬件和軟件支持。軟件設(shè)計(jì)為監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行提供支持。煤礦井下支架監(jiān)控系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試此次主要是在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，主要包括環(huán)境的搭建以及核心功能的測(cè)試，主要內(nèi)容如下。環(huán)境搭建為了驗(yàn)證綜采工作面液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。本章針對(duì)支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各組成模塊，測(cè)試了液壓支架在全機(jī)械化軸上定位控制系統(tǒng)的有效性。本章是方括號(hào)的組成部分。本文利用LABVIEW開發(fā)了液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)軟件。在軟件中，當(dāng)壓力過載時(shí)，示波器可以實(shí)時(shí)顯示各支座的壓力曲線。調(diào)試監(jiān)控軟件，確認(rèn)了系統(tǒng)的適當(dāng)性。調(diào)試的綜采礦井液壓支架調(diào)試控制系統(tǒng)主要由傾斜控制裝置、RS232-RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換器、位移傳感器(模擬壓力傳感器)、監(jiān)測(cè)站和上位機(jī)工作平臺(tái)接口組成。圖5-1支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試系統(tǒng)示意圖如圖5-1所示，在本實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)調(diào)試系統(tǒng)中共有兩個(gè)傾角監(jiān)測(cè)裝置，由12V開關(guān)電源供電，與監(jiān)測(cè)分站通過RS485通訊。12V開關(guān)電源也給監(jiān)測(cè)分站1和監(jiān)測(cè)分站2進(jìn)行供電，兩個(gè)監(jiān)測(cè)分站之間通過RS485通信總線連接，經(jīng)RS485-RS232轉(zhuǎn)換器，與液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)上位機(jī)操作平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)互換。由于實(shí)驗(yàn)室無法提供高壓的礦用壓力，所以本系統(tǒng)采用與壓力傳感器輸出電壓信號(hào)相一致的行程傳感器來模擬壓力傳感器，與礦用壓力傳感器的輸入、輸出信號(hào)的參數(shù)是一致的，該傳感器的輸出信號(hào)是：+0.5~4.5V（DC）電壓，輸入電壓為+12V(DC)電壓，兩種傳感器的具體技術(shù)參數(shù)見表5-1。壓力傳感器和行程傳感器輸出信號(hào)的對(duì)照表如表5-1所示。表5-1傳感器技術(shù)參數(shù)對(duì)照表傳感器輸入信號(hào)電壓輸出信號(hào)測(cè)量范圍行程傳感器+12V(DC）0.5~4.5V(DC)0~1000mm壓力傳感器+12V(DC)0.5~4.5V(DC)0~60MPa表5-2位移傳感器和壓力傳感器的輸出信號(hào)對(duì)照表信號(hào)電壓（v）行程傳感器（mm）壓力傳感器0.50011257.51.525015237522.52.550030362537.53.575045487552.54.5100060系統(tǒng)功能調(diào)試搭建如圖5-1所示試的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)，該項(xiàng)測(cè)試系統(tǒng)中有兩個(gè)傾角監(jiān)測(cè)裝置節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)監(jiān)測(cè)分站接收節(jié)點(diǎn)和一個(gè)模擬壓力傳感器節(jié)點(diǎn)。傾角監(jiān)測(cè)裝置1向無監(jiān)測(cè)分站1發(fā)送傾角數(shù)據(jù)。最后，通過主機(jī)的LabVIEW檢查將兩個(gè)非接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接收區(qū)，并通過數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集功能。單片機(jī)系統(tǒng)的在線調(diào)試功能可以查看監(jiān)控分站和傾角監(jiān)測(cè)裝置的相關(guān)參數(shù)變量的值。可以看出，傾角監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)站的交換數(shù)據(jù)如圖5-2所示。圖5-2傾角監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)對(duì)比從監(jiān)測(cè)站接收的確認(rèn)幀變量為RxBuf_ACK，而由傾角監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送到監(jiān)測(cè)站的接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀變量為TxBuf_DATA；類似地，監(jiān)測(cè)分站接收傾角監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)幀變量為Rx_DATA，并且發(fā)送到傾斜監(jiān)視設(shè)備節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀變量為Tx_ACK。（2）通訊與數(shù)據(jù)接受功能傾角監(jiān)測(cè)裝置調(diào)試主要是其所用的X8051F020單片機(jī)和ADL345加速度傳感器進(jìn)行調(diào)試。通過硬件調(diào)試了驗(yàn)證了電路的所有的硬件的準(zhǔn)確性，為傾角監(jiān)測(cè)裝置的軟件準(zhǔn)確運(yùn)行提供了穩(wěn)定的平臺(tái)。本調(diào)試程序燒寫采用的是Cygnal公司提供的IDE軟件。IDE支持C語言源程序、匯編源程序及C語言與匯編相結(jié)合的源程序編寫。傾角監(jiān)測(cè)裝置程序采用的是基于C8051F020單片機(jī)的C語言程序編寫，如圖所示為IDE的程序開發(fā)界面。圖5-3傾角監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)傾斜監(jiān)控器將采集到的加速度數(shù)據(jù)計(jì)算成角度后，將RS485通信發(fā)送到監(jiān)控變電站。本測(cè)試采用RS485通訊，通過485-232轉(zhuǎn)換模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在測(cè)試中，首先使用串行輔助調(diào)試軟件對(duì)下位機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過串口發(fā)送01H數(shù)據(jù)后，傾斜監(jiān)控器可以輸入接收到的數(shù)據(jù)中斷接收命令，發(fā)送相應(yīng)的傾斜數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖所示。圖5-4傾角監(jiān)測(cè)裝置調(diào)試通訊程序結(jié)果將傾角監(jiān)測(cè)裝置分別放置在30度、45度和60度的斜面上，通過串口調(diào)試獲取測(cè)量值。不同斜面分別測(cè)量五次，截取并記錄傾角數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理表中，分別計(jì)算出每次測(cè)量值與實(shí)際角度的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，并記錄五次測(cè)量中的最大相對(duì)誤差。結(jié)果如表所示。表5-3角度測(cè)試表實(shí)際角度測(cè)量值絕對(duì)誤差（度）相對(duì)誤差（%）最大誤差30.029.40.622.729.60.6230.20.82.729.80.20.745.044.60.40.9244.90.10.245.60.40.945.30.30.760.060.80.81.31.360.50.50.860.60.6160.20.20.3在表中可知，測(cè)量值與實(shí)際角度有一定的偏差，相對(duì)誤差最大為2.7%。分析原因如下：（1）ADXL345加速度傳感器的精度有一定的誤差，所測(cè)得的加速度值就有一定的偏差。（2）測(cè)試平臺(tái)存在不平整的地方，使數(shù)據(jù)有變化。本章小結(jié)此次設(shè)計(jì)的支架監(jiān)控系統(tǒng)能基本能完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集，并能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件所編寫的程序能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，調(diào)試結(jié)果良好，能夠較好的完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求。結(jié)論本次以液壓支架的實(shí)時(shí)監(jiān)控為基礎(chǔ)，綜合加速度傳感器、RS485總線通信等技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架關(guān)鍵部件的傾角、壓力的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所有數(shù)據(jù)通過可靠穩(wěn)定的通訊實(shí)時(shí)上傳和共享，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度挖掘，可對(duì)支架的姿態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷