煤矿井下支架监控系统设计

哈尔滨华德学院本科毕业设计（论文）黑龙江东方学院本科毕业论文（设计）绪论研究背景液压支架是井下综采工作面最重要的支护设备。由于井下工作环境恶劣，端线、挤压短路、过负荷、漏电等故障时有发生，在这些故障发生之前，传统液压支架工作情况的检测和控制主要是靠人工进行，工作量大、效力低下、反应速度差，无法及时发现液压支架在工作时的异常情况，在发生故障后也无法第一时间确定故障发生的点位，难以迅速对故障进行修复，造成煤矿停产，带来巨大的经济损失，与此同时，随着液压支架使用年限的增加，液压支架本身可能存在一定的损坏情况，液压支架的故障也越来越多，为了确保矿井的正常生产，提高生产率，传统的方法是通过人工检测和停机诊断。该种方法，效率低下，不能满足日益提高的生产效率要求。随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，液压支架监测技术也得到了发展，并逐渐应用到综合矿山设备中。采矿工作效率。然而，目前液压支架监控系统的发展还很不成熟。国内煤矿综采工作面监测系统基本上都是从国外引进的先进设备，但由于工作环境、技术条件等原因，存在一定的缺陷，如监测系统接线困难、系统稳定性低、监测数据丢失等。由于其核心技术对我国不开放，设备故障维修费用高，我国在该领域的研究起步较晚，与世界先进国家在煤矿设备和技术方面存在较大差距。因此，开发一套拥有自主核心技术的支架监控系统已经迫在眉睫。研究意义液压支架监控系统是集自控技术、计算机技术、网络通信、液压驱动技术、机械等多种技术于一体的新型自动化控制系统，可对综采工作面设备实现数据监测与远程控制，保证煤矿开采高效率、稳定可靠进行。因此如何对煤矿井下大量液压支架的运行情况进行实时监测，掌握液压支架的运行状态，降低工人的劳动强度便成了煤炭生产企业越来越关注的问题。所以采煤系统希望液压支架能够尽可能的保持在良好的运行状况下，即使出现潜在的安全隐患，及早的显示出来，对运行维护人员维护和检修提供帮助，能够提高检修和维护的效率，更好的提高经济效益。研究现状（1）液压支架的发展液压支架是综采工作面中的一种重要设备，综采工作面能否顺利进行开采与它对煤壁的支护质量有着直接的关系。液压支架的自动控制则是实现综采工作面自动化的关键技术，它直接影响着采煤效率与工作进度，因此对它的研究一直是一项重要的课题。国外液压支架控制与检测系统的研究比国内的研究要早一些。其中，美国、德国和波兰公司发展良好。1970年前后，一些大型企业开始使用液压支架进行支撑，但控制和检测系统相对落后。其检测和控制的可靠性不能满足生产的需要。他们并没有真正使用液压支撑系统，随着研究的进展，那是在1990年左右。控制检测系统进一步完善，可靠性和稳定性有了很大提高，达到了煤矿生产的高标准。随着计算机等技术的发展，液压支架已广泛应用于生产现场，进入新世纪。控制器的速度和精度不断提高，控制器和检测系统可以实现网络化运行。液压支架与采煤机、乳化液泵、皮带及刮板等设备进行信息共享及联动操作。根据现场检测状态参数，对液压支架等设备进行智能检测和故障诊断。国内对液压支架控制与检测的研究起步较晚，是在借鉴国外研究成果的基础上进行的。液压支架的研发过程经历了几个阶段，每一个阶段都在不断的进步。目前，支护监测系统已成为衡量综采工作面生产技术水平的重要指标。近年来，国内支架支撑监测系统取得了很大的突破。2004年。北京监控系统支持天地股份有限公司(简称北京天地股份有限公司)实施了由科技发展专项基金研究所科技部创建的支撑产品开发监控系统。中国煤炭工业协会组织:2007年12月，四川申昆设备有限公司(简称四川申昆公司)研制的3.5m液压支架技术控制系统通过工程验收。2009年3月，郑州煤矿机械集团有限公司（郑州煤机械厂）进行了30次井下工业试验，并于当年11月进行了技术考核。2009年10月，山西平阳广日机电有限公司成功开发了液压轴承支架监测系统。目前，国外支架电液控制技术已经形成。近年来，用于控制家庭支架的电液技术得到了迅速发展。支架监测系统技术较为成熟。随着国内支架监测系统的不断推广和应用，支架监测系统正在逐步完善和全面发展。随着计算机技术的飞速发展，支架的检测技术也在飞速发展。支架各种参数的采集和传输速度越来越快，传感器信号的精度越来越高，使得检测技术越来越智能化。目前，采煤机主要用于打开支架，及时保护煤壁，实现截煤。这样就无法判断支护是否到位，当煤壁松动时，也无法及时支护。另一些人在煤壁上钻孔并安装非金属锚。该方法工程量大，运行时间长，影响了煤矿开采的进度。另外，对碰垫的控制主要是时间或行程传感器控制。由于液压不稳定，保护板的操作过程或快或慢，时间控制的准确性差。当接收到保护板时，很容易受到干扰或无法恢复。在行程传感器的安装和拆卸过程中，有许多繁琐的程序，影响了工作效率。（2）支架监控系统研究目前主要采用以下监测方法来检查防护板是否到位：梁海泉等人提出在液压支架防护板上设置第一激励磁铁，在液压支架伸缩梁上设置第二激励磁铁。所述第一磁传感器、所述第二磁传感器连接电压计算电路，所述传感器设置在液压支架顶梁的下端面上。第一磁传感器检测第一场磁体的磁场强度以获得第一电压，第二磁传感器检测第二场磁体的磁场。力量获得第二电压和电压计算电路计算电压值对应的完全收回状态和不完整的收回了液压支架护板和完全收回状态和不完整的收回状态的液压支架伸缩梁根据第一电压和第二电压。当液压支架护板和支撑伸缩梁的位置被缩回时，电压计算电路输出不同的电压值来检测液压支架护板和支撑伸缩梁的位置状态。完成了独立液压支架姿态分析和监控理论分析。液压支持，提出了不同的监测方法和一些也进行了实验，但是相应的监测数据在液压支架系统尚未融合进行分析，因此，漏洞仍然存在：在整个监测过程中，不能及时评估问题，防止出现危险情况。在液压支架上合理位置布置传感器，通过无线网络将监测数据传回上位机，已成为获取关键监测数据的主要任务。目前，液压支架位置控制方法主要采用组态软件。传感器返回的数据直接显示在屏幕上。没有处理数据。它只是确保数据在合理的范围内，而不是太深。提取和使用历史数据进行判断。下面是对现代监测方法问题的详细描述。对于离线监测，运动学建模、应力建模、高可靠性优化、结构优化、有限元支撑分析等都比较完善。在这种情况下，液压支架优化计算和计算公式不够详细，和分析方法提出的液压支架不是基于一个不完美的移动帧可能发生在水平和咬卸货过程中，整个监控过程和有漏洞。软件系统监控:目前最可行的方法是将传感器安装在液压支架的合理位置，对关键数据进行监控。然而，他们大多只提出了监控系统，并没有在现实中实时监控。重庆大学、南昌大学、太原理工大学、中国矿业大学等高校开发了液压支架监测系统。重庆大学郭基伟开发了基于RS485总线和SPI总线的液压支架支撑系统，南昌大学邱继元开发了基于LPC2290主控芯片的双CAN总线液压支架监控系统，太原理工大学姜春月开发了采用双处理器、三总线结构的耿型单片机液压支架监控系统，太原理工大学的耿泽新改进了姜春月的性能，提出了一种基于16位单片机的液压支架控制器。这一特点得到了增强:中国矿业大学的王家彪开发了一种基于CAN和以太网的液压支架监控系统。煤矿井下支架监控系统方案设计液压支架采用高压乳化液驱动，适用于综采工作面，能及时支撑顶板，提供安全的工作空间，并能独立移动和移动输送机。支架监测系统主要利用其他软件对采集的数据进行处理，最后在组态软件界面上显示。可实时监控各液压支架的位置，确保异常情况的及时发现。为此，本章详细介绍了监测系统的结构、监测系统的功能和监测系统的结构。支架监控系统组成液压支架支撑监控系统主要包括井下计算机、地面计算机、数据开关，交换机、传感器及控制器等部分。整个结构组成中最为核心的部分为控制器，主要负责整个系统运转的调控，传感器主要发挥监测功能，液压控制阀及电磁阀实现设备动作的执行。在生产过程中，液压支架监控系统能够实现自动化操作，同时保障设备的稳定运行，工作原理如下：系统中的控制器通过通信网络实现各个动作的控制，并且其内部操作系统能够根据实际生产状况对工作模式做出及时的调整，借助相关的检测装置进行采煤机生产状况监测，进而实现整个设备的自动化控制。支架监控系统能够通过计算机实现数据的分析及处理，首先，传感器将井下收集到的设备运行情况集中汇总之后传送到地面计算机系统中，计算机经过初步的分析处理之后将数据展示于显示器上，使相关工作人员对于井下实际生产状况能够有一个较为清晰的理解。随后，根据矿山生产实际，对相应的生产设计程序进行合理调整，并使用远程操作系统提供相关指令。在系统操作过程中，应当严格按照相关的规定进行操作，做好支架的定期检查工作，主要目的为保证支架的密封性能良好，从而防止由于漏液而导致的安全事故，为生产的顺利进行提供保障。图2-1监测系统组成功能要求本文设计的监控系统基于主从模式的思想，分为采集分站和主机2个层次，通过以太网直接与远程监控中心相连，实现地面远程监控中心对液压支架的实时监控；其次，还可以将系统采集的各类传感器数据实时上传至云服务器，如立柱压力、采煤机位置、推移油缸位移和支架倾角等数据，实现煤矿企业的综采大数据共享。为此，主要功能要求如下：本设计的监控系统基于主控模式的思维，采集分为两个子层和接收站，通过以太网直接连接到远程监控中心，对液压支架远程监控中心的表面进行实时监控，其次，还可以将各种实时传感器数据采集系统上传到云服务器，如柱压、采煤机位置、油箱支架通道及运动角度等数据，以实现大型煤矿机械化开采作业数据共享。为此，主要的功能需求如下：1）液压支架状态监测功能。要求远程监控系统能够对煤矿井下液压支架的工作情况、工作状态，各传感设备的数据收集等进行实时的监测、采集和信号传输。2）实时状态控制功能。要求远程监控系统能够对液压支架的运行状态进行自动的模糊控制和工作状态修正，确保液压支架各部件的工作状态均在可控范围内，且需要状态修正控制灵活，修正滞后性小。3）数据储存和分析功能。该功能主要是为了对监控系统采集到的液压支架的连续性的工作数据进行储存、分析，并以这些储存的数据为基础，利用逻辑分析、控制功能，对液压支架在工作过程中的压力变化、动作路径、运行轨迹等进行分析，以得出液压支架工作状态的变化趋势，为后续制定液压支架的维护周期、保养措施提供支持。4）故障诊断功能。该功能需要对液压支架的运行情况进行不间断监测，并将监测到的数据信号与系统内设置好的各数据信号的正常工作范围进行对比分析，当这些采集到的信号超出其正常工作范围时，系统能够自动识别并发出报警信号。方案设计监控系统一般由监控对象、传感器、数据采集、数据处理、报警诊断等组成。下位机主要采集和传输数据，上位机对下位机传输的数据进行处理和分析。它们在监测系统中起着至关重要的作用，对保证监测系统顺利、高效地完成监测任务具有重要意义的因素。通常，检测系统的设计方案可以分为三种类型。解决方案1：单片机+工控机，单片机作为下位机，工控机作为上位机；选项2：PLC+工控机，工控机为上位机，PLC为下位机；解决方案3：数据采集卡+工业计算机。为了经济和可操作性，本文选择第一种方案。以单片机为核心开发的采集装置作为检测系统的下位机，计算机作为检测系统的上位机。图2-2为检测系统的基本组成图。本文设计的检测系统主要包括多路传感器组、信号调理电路组成的数据采集装置和计算机。主要实现支架试验台压力、流量、温度、位移信号的采集、转换和预处理功能，通过通信将采集到的数据传送到上位机进行数据后处理、显示、分析和存储。远程监控中心使用以太网，工业摄像头和远程监控中心使用以太网。设想20个托架控制器和工业摄像机通过以太网交换机组接，以太网信号通过光纤转换器转换成光纤。信号被连接到一个远程监控中心。以太网通信结构如图2-2所示。地下远程监控中心通过光纤与地面远程监控中心相连。满足本系统的内在安全性要求，本系统采用统一的供电方式，即每5个支架控制器和工业摄像机均使用电源和绝缘连接器。图2-2支架监控系统整体结构图图2-3以太网通讯方案本章小结本章主要针对支架监控系统方案进行研究，首先分析支架监控系统的主要组成，其次分析了系统的功能设计，最后对支架监控系统方案进行选择，确认主要通过单片机+工控机的方式进行监控系统设计，本章确定主要的设计方案，为下文的硬件选型和软件设计提供基础。支架监控系统硬件设计由于地下生产工作环境恶劣，为了保证各种设备始终处于相对良好的工作状态，同时保持较高的工作效率，因此有必要选择合适的硬件系统进行调节。在硬件的操作过程中，要保证所有的指令都能有效地通过操作系统进行传输。液压支架支撑监控系统的硬件设计主要包括输入信号和输出信号的硬件电路设计和系统通信接口的硬件设计。其中，输入信号硬件电路设计是整个系统硬件设计的重要组成部分，其设计质量和效果对整个控制系统运行中作业信息的有效接收和反馈有着重要的作用和影响。监控系统的硬件电路主要包括功率转换外围电路、外部RAM存储模块、RS485通信电路、压力采样调理模块。硬件选型主控芯片主控制板是支架控制器的处理中心。它从各个传感器采集数据，获取支架的支撑状态、采煤机的位置、故障报警，并将信息发送到远程监控中心和工作面支架。支架控制器是煤矿井下液压支架的直接控制设备。基于严酷的工作环境和地下的空间需求，根据资源的数量，单片机的通信方法和数据处理功能，系统选择了C8051F020单片机为核心的监控装置倾斜处理芯片，这个芯片是一个完全集成的混合信号系统级单片机芯片与64年数字I/O引脚，集成一个非常丰富的外围接口和硬件资源：2个12位DAC可编程更新定时；两个UART串行接口；5个通用16位定时器；256字节的片上RAM；可在系统中编程的64K字节的闪存；硬件实现SPISMBus/I2C接口，能够满足单片机与ADXL345数据传输之间的要求；12位，8通道，100kbpsADC与PGA和模拟多路复用器，可编程计数器/计时器和5个捕获/比较模块。位于芯片内部的JTAG调试方案允许使用最终应用程序中安装的产品MCU进行系统的非侵入式调试。调试系统支持查看和更改内存和寄存器，还支持断点、监视、单步执行、启动和停止命令。使用JTAG调试时，所有模拟和数字外围设备都能正常工作。单片机C8051F020的基本最小系统框图如图3-1所示。图3-1C8051F020单片机最小系统原理图传感器选型在现在工业控制领域内，对于不同监测对象所采用的传感器各不相同，而不同的传感器对测量结果的好坏影响很大。由于煤矿井下工作环境复杂，噪声严重，环境污染严重，必须按照煤矿的标准选择矿井传感器。主要标准如下：（1）煤矿井下工作环境比较复杂，需要测量的设备和影响设备运行的因素很多。在测量过程中，对于不同的对象有不同的测试方法。因此，在选择传感器时，需要考虑被测对象的测量尺寸、传感器的体积、接触方式和安装方式。（2）结合煤矿恶劣的环境条件，为了能够准确、高效地进行测量，在选择传感器时需要考虑许多技术指标，主要包括灵敏度、频响、稳定性和精度。此外，在满足测试要求后，为了控制成本，需要考虑经济因素。（3）在选择传感器时还必须考虑其使用环境，主要从温度、振动、介质三个方面考虑对仪器的影响。在有腐蚀性介质或原子辐射的环境中工作的传感器也常常容易损坏。因此，必须根据不同的工作环境选择适当的仪器，并考虑必要的保护措施。考虑到以上因素，ADXL345是ADI公司生产的高分辨率(13位)、超低功耗、三轴可变量程加速度计。将晶体硅弹簧从结构上悬吊在板的表面形成电阻，差动电容由一个独立的固定板和一个可移动板组成，连接质量来测量结构的挠度。加速度使惯性质量偏转，微分电容不平衡，因此传感器输出信号的振幅与加速度成正比。加速度的大小和极性的测定是相敏解调。可选择的测量范围为±2g、±4g、±8g，最大测量范围为±16g。该系统使用±2g，分离速率为4mg/LSB。输出以16位2-add-on格式显示，可以通过串行I2C或SPI(3-或4线)访问。其功能框图如图3-2所示。图3-2传感器功能框图电源监测装置的供电电压为+12V（DC），但是由于倾角监测装置电路还有+3V和+5V的电压等级，所以需要使用相应的电压转换芯片。本系统采用恒屹成公司的低饱和电压转换芯片BA05T和BA033T，设计电源控制电路将+12V分别转换为+5V和+3.3V。控制电源电路原理如图3-3所示：电路中D1和D2两个肖特基二极管有分压和防止电流反向冲击破坏芯片；电路中电容值均为0.1uf，主要起到稳定电压和低通滤波的作用；电路中R2、R3、R8、R9是0hm的电阻，它们的作用是分隔离不同电压等级之间的电阻，以起到电源隔离的作用。图3-3电源模块电路图功能电路设计压力信号采样电路压力信号采样电路主要是将压力传感器的输出电压信号转换成相应的信号电平，通过单片机的采样引脚进行识别。它还包括电压钳位电路、电压跟随电路、信号放大电路等。原理图如图所示。在电路中，R9为运算放大器的反向接地电阻，R8为运算放大器芯片LM358的非逆变输入电阻。它们与电位计R11一起用于放大和调节信号。然后，在R13和R15的电压划分后，将电压跟随器输入运算放大器。由于电压跟随器具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，它起到了缓冲和隔离信号的作用。最后的信号通过一个电压箝位电路连接到微控制器的模拟采样pinAINn，该电路由两个肖特基二极管组成，用于电压调节和过电压保护。图3-4压力信号采样电路原理图存储电路外部RAM存储电路用于存储由监测接收到的压力数据和倾角数据。硬件电路原理图如图所示。该电路对地址线和数据线进行分时复用，并在DS1244W-120静态随机存取存储器（SRAM）上执行数据读写操作。数据线为单片片C8051F020的P7.0~P7.7，P7端口也为低8位地址线，它由地址锁存器74HC373锁存。地址线总共有15位，高7位是P6.0~P6.6，它们直接连接到SRAM的地址线A8~A14，地址寻址范围是32K。其中CE是SRAM的片选引脚，低电平有效。只有当使能引脚OE为低电平且写操作WE为低电平且读操作WE为高电平有效时，才能执行读写操作。图3-5外部RAM存储电路原理图通信电路煤矿井下工作环境恶劣，干扰源较多，对液压支架远程监控系统的数据通信造成较大干扰。为了保证监测系统数据传输的稳定性、准确性和可靠性，在方案设计时，检测系统采用上位机模式和下位机模式。下位机通过传感器采集到的信号通过串口通信发送给上位机。数据显示、处理和存储。计算机和微控制器通常使用串行通信。它的优点是只需要2到3个I/O端口，这减少了并行数据传输期间的数据连接端口数量。根据通信对象、距离和数据传输量的不同，使用不同的通信协议。本采集装置所用RS485、USB总线传输特点如表3-1所示。表3-1电路传输方式名称电平特点传输速率传输距离特点RS4850：A>B>0.2V200Kbps1500m利用压差信号进行数据传输，能有效减小共模干扰，衰减电阻，需要用一对信号线1：A<B<-0.2VUsb0：D+4Mbps5-10m通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信1：D-本测试系统采用RS485总线实现串行通信。本检测系统下位机的输出为TTL级，通过485总线与上位机通信前需要将TTL级转换为RS485级。上位机为主机，监控分站为从机。RS485通信电路的功能是将单片机C8051F020的串行电平信号转换为差分信号。它主要由RS485通讯接口、喘振电阻电路、MAX3088电平转换芯片、光电隔离电路和施密特电路组成。设计了一种特殊的触发电路。电路原理图如图所示。D11、D12、D16是防喘振电路中的防雷二极管，可以消除外部电路的暂态脉冲突波电压，防止喘振冲击；R40和R41为正温度系数热敏电阻，浪涌电流过大。高温时，电阻增大，保护电路；D7和D8是双向瞬态抑制二极管，用作电压钳。MAX3088是一个用于RS485通信的收发芯片，用于控制数据的传输和接收。同时可以将单片机的串口信号转换为RS485识别电平信号。光电隔离电路主要实现单片机级信号和外部信号的隔离和信号转换。施密特触发芯片74HC14的作用是对通信信号进行两次重构，将衰减失真信号设置为陡峭的方波，易于单片机识别，从而提高了信号的驱动能力。图3-6RS485通信电路原理图转换电路检测系统的电源主要由两部分组成，一部分是传感器电源，另一部分是采集电路电源。主要要求有:(1)下位机采集装置的电源。主要有单片机供电5V；运放LM324工作功率选择24V；多路转换开关CD4067供电5V；(2)传感器的部分。该检测系统使用的四个传感器的工作电压为24VDC。考虑到检测系统的实际工作情况，功率模块必须安全、长期稳定。基于性能和功率的考虑，我们为系统选择了线性电源。此外，还需要设计一个24V到5V的电路为单片机和CD4067提供电源。5V转换电路由L7805和LM2596转换芯片实现。该采集装置用于实现LM2596功率调节器。具体电路如图所示。该电路由两个部分组成:第一个降压稳压电路由五个电子元件组成:LM2596开关电源稳压器、随心吸收二极管1N5819、储能电感、滤波电容器组。其输出为功率器件提供功率，输入为24V，输出为5V。二次滤波电路的主要功能是消除电路中的纹波，为电路提供高精度的功率。图3-7LM2596转换电路本章小结本章主要设计了基于ADXL345加速度传感器的倾角监测装置的硬件选型和支架监控系统的电路设计，其中硬件包括单片机最小系统、ADXL345外围电路和RS485通信电路等，于此同时，根据RS485总线通信原理，设计了监测分站和RS485总线通信的协议内容，确保了通信系统的可靠性煤矿井下支架监控系统软件设计支架监测系统的软件组成非常复杂。它的每个模块都将涉及信息的分析和处理。但是在实际的生产过程中，控制系统中有大量的控制指令，如命令接收、命令传输、命令。这些是更常见的控制指令。但是实际生产过程中的信息处理方法非常繁琐，所涉及的指令类型也非常多。因此，当操作系统控制每个设备时，应严格按照相关操作规范执行。其中，在对系统中单片机部分的信号处理时，要保证各种输入指令能够得到有效的识别。根据不同类型的命令信号，软件系统可以分为三种类型:单元分组、控制单元动作和指挥单元编码。当软件系统接收到信号后，可以将信号传输给相应的控制单元执行相应的动作。单片机根据地下信息传输线传输的数据，向电磁驱动电路发送相应的指令，对工作区域内的设备进行远程监控，在保证安全的同时，有效提高了系统的工作效率。在分析支架监测系统功能需求和控制流程的基础上，采用功能模块化设计思想，编写了支架监测系统下位机软件程序。根据硬件电路各部分所实现的功能，设计了相应的主程序和子程序。软件设计软件功能概况此次主要是基于LabVIEW的对液压支架监测系统进行设计，该上位机操作系统主要由四部分组成：数据采集、姿态监测、参数设置、数据管理。各模块具体功能如下：（1）数据采集，对工作面监测分站进行数据巡检；（2）姿态监测，对监测分站上传的姿态数据实时显示，并对支架关键构件的姿态运用图表来表示其姿态；（3）参数设置，实现对液压支架整体参数的修改与设置；（4）数据管理，对上位机采集到的所有数据进行历史查询和维护。该上位机操作平台功能齐全，人机交互功能简单方便，有助于工作人员的操作。检测装置软件设计倾角监测装置的主程序流程图如图所示，倾角监测装置上电后，首先对单片机和ADXL345加速度传感器进行初始化，随后打开程序所需的定时中断和通信中断，最后执行数据循环处理。其中开启通信中断是为与监测分站通信做准备，定时中断是为倾角监测装置定时启动加速度传感器ADXL345采集各轴的加速度数据，数据处理部分则是对每次采集到的原始数据进行初步处理和上传给监测分站。图4-1倾角采集系统主程序流程图倾角监测装置CPU通过4线制SPI通讯接口获得加速度传感器ADXL345的加速度参数，根据获取的加速度值计算出对应的倾角值，并定时向监测分站发送倾角值。图4-2线制SPI写入监控站点的软件设计检测站点CPU通过RS485通讯接口以一定的频率依次获取三个倾角传感器的倾角参数，存储到外部RAM中。收到防爆计算机的上传命令时，监测分站将倾角参数从外部RAM中取出并上传给防爆计算机。图4-3监测站点软件流程监测分站接收到命令后，进入通信中断。首先，它关闭通信中断以防止来自其他通信中断的干扰，确定它是否是从上位机接到的命令，在本地通信之后，通信数据是正确的，验证是正确的，然后确定它是否是用于读取状态信息的功能代码，以及它是否是用于读取状态信息的功能代码。检查并上传所需数据，然后检查CRC传输期间通信数据是否受到干扰。上传的所有数据均由CRC检查并正确发送，最后打开串口中断，确保串口正常运行。如果未正确验证支架编号，将检查其他信号采集单元的数据，串口将中断，通信将终止。如果在功能代码检查和CRC校验过程中存在错误，则将解释通信数据错误。如果通信过程未能按照建立的协议正常通信，则通信错误命令将被发送到防爆。首先初始化设备、网络、所有传感器节点，由传感器节点采集数据，组建网络、增删终端节点、查询节点的数目、检查各终端节点的运行情况（周期性）、实现各终端节点和控制中心数据、命令的发送和接收，上位机把数据传给应用程序，判别数据的合法性以及是否超出限定范围；未超标则存入数据库，否则报警。数据采集设计数据采集该模块的显示界面如图4-4所示。它主要实现对监测分站进行数据巡检和总线通信功能，图4-4数据采集模块该模式具体操作如下:1）输入待核查的综采矿井编号；2)输入工作面上液压支架总数和选择的串口COM进行串口通讯；3)设置完成后，点击“开始检测”按钮，系统将开始进入自动检测模式，采集整个采煤工作面监控变电站；4)指示灯显示的颜色表示通讯状态，浅灰色表示串口通讯未建立，绿色表示串口通讯正常；5)停止验证过程，点击“停止验证”按钮。在自动验证模式下，主机每3秒向监控整个采煤工作面各变电站发送验证指令，并根据支架编号显示自动验证接收区内各液压支架位置数据。自动验证的核心是一个基于RS485总线的串行收发程序。串行收发程序的主单元如图4-5所示。图4-5RS485串口收发程序后面板单元本系统使用LabVIEW中的VISA功能模块组成串口读/写集成模块用来形成RS485的串口收发程序，主要包括VISA读数据，VISA写数据，串口配置单元和VISA错误关闭等功能模块。数据库设计数据库建立数据库中最基础的操作对象是数据表。数据表是由一系列的二维数组组成的，其格式由表中所存储的数据类型来决定。数据表中的数据都是关键姿态信息历史数据，本系统所用到的数据类型主要有日期数据类型（data）、整数数据类型（int）、时间数据类型（time）、浮点数据类型（float）、二进制数据类型（binary）以及字符串数据类型（varchar）。巡检历史数据表是姿态参数上传数据库的历史数据。它具有历史数据，如日期和时间，支架编号，压力和倾斜角度。它是姿态监测模块的数据监测和姿态分析的原始数据，由数据表的形式保存在数据库中。数据类型的设置如表4-1所示：表4-1自巡检历史数据表名称类型类型说明日期DataAAAA-BB-CC，3个字节时间timeXX：YY：ZZ，3个字节支架号Tinyint1个字节，0~255倾角参数Flota单精度浮点数，4个字节压力1-2Float单精度浮点数，4个字节数据库操作在LabVIEW建立到MySQL的连接之后，您可以使用数据库工具来处理数据库。该系统通过创建数据源名称(DSNs)和使用ODBC(开放数据库连接)技术连接到实际数据库。表4-2LabVIEW和数据库数据类型对应关系LabVIEW数据类型数据库数据类型Data/Timedata/timeStringcharLongintSinglefloatDoubledoubleBinarybinaryLabVIEW数据库写入操作后面板的基本单元如图4-6所示。它基本上接收数据库中串口上的数据。首先，将系统时间、方括号数量、斜率、压力等数据连接成集群(数组)，使用“将数据插入数据库工具”控件将集群中的数据写到MySQL数据库创建的数据表中。其中，sx_yyzj是由ODBC数据源(ControlPanel-Tool)指定的数据源，写入数据库的数据库表名为data_shoudong。图4-6数据库写操作基本单元本章小结本章主要对煤矿井下支架监控系统软件进行设计，其中软件设计首先对主要功能进行介绍，其次对检测装置的软件进行设计，随后对监测系统的软件进行设计，软件包括主程序、数据采集程序和中断程序等；为液压支架姿态数据采集提供了硬件和软件支持。软件设计为监控系统的运行提供支持。煤矿井下支架监控系统整机调试此次主要是在对监控系统软件、硬件设计的基础上对整机进行调试，主要包括环境的搭建以及核心功能的测试，主要内容如下。环境搭建为了验证综采工作面液压支架姿态监测系统的有效性。本章针对支架姿态监测系统的各组成模块，测试了液压支架在全机械化轴上定位控制系统的有效性。本章是方括号的组成部分。本文利用LABVIEW开发了液压支架监控系统软件。在软件中，当压力过载时，示波器可以实时显示各支座的压力曲线。调试监控软件，确认了系统的适当性。调试的综采矿井液压支架调试控制系统主要由倾斜控制装置、RS232-RS485信号转换器、位移传感器(模拟压力传感器)、监测站和上位机工作平台接口组成。图5-1支架姿态监测实验室调试系统示意图如图5-1所示，在本实验室试验调试系统中共有两个倾角监测装置，由12V开关电源供电，与监测分站通过RS485通讯。12V开关电源也给监测分站1和监测分站2进行供电，两个监测分站之间通过RS485通信总线连接，经RS485-RS232转换器，与液压支架姿态监测上位机操作平台进行数据互换。由于实验室无法提供高压的矿用压力，所以本系统采用与压力传感器输出电压信号相一致的行程传感器来模拟压力传感器，与矿用压力传感器的输入、输出信号的参数是一致的，该传感器的输出信号是：+0.5~4.5V（DC）电压，输入电压为+12V(DC)电压，两种传感器的具体技术参数见表5-1。压力传感器和行程传感器输出信号的对照表如表5-1所示。表5-1传感器技术参数对照表传感器输入信号电压输出信号测量范围行程传感器+12V(DC）0.5~4.5V(DC)0~1000mm压力传感器+12V(DC)0.5~4.5V(DC)0~60MPa表5-2位移传感器和压力传感器的输出信号对照表信号电压（v）行程传感器（mm）压力传感器0.50011257.51.525015237522.52.550030362537.53.575045487552.54.5100060系统功能调试搭建如图5-1所示试的实验室测试系统，该项测试系统中有两个倾角监测装置节点、两个监测分站接收节点和一个模拟压力传感器节点。倾角监测装置1向无监测分站1发送倾角数据。最后，通过主机的LabVIEW检查将两个非接收节点的数据上传到数据接收区，并通过数据比较验证数据采集功能。单片机系统的在线调试功能可以查看监控分站和倾角监测装置的相关参数变量的值。可以看出，倾角监测装置和监测站的交换数据如图5-2所示。图5-2倾角监测装置和监测站的数据对比从监测站接收的确认帧变量为RxBuf_ACK，而由倾角监测装置发送到监测站的接收节点的数据帧变量为TxBuf_DATA；类似地，监测分站接收倾角监测装置发送的数据帧变量为Rx_DATA，并且发送到倾斜监视设备节点的确认帧变量为Tx_ACK。（2）通讯与数据接受功能倾角监测装置调试主要是其所用的X8051F020单片机和ADL345加速度传感器进行调试。通过硬件调试了验证了电路的所有的硬件的准确性，为倾角监测装置的软件准确运行提供了稳定的平台。本调试程序烧写采用的是Cygnal公司提供的IDE软件。IDE支持C语言源程序、汇编源程序及C语言与汇编相结合的源程序编写。倾角监测装置程序采用的是基于C8051F020单片机的C语言程序编写，如图所示为IDE的程序开发界面。图5-3倾角监测软件开发倾斜监控器将采集到的加速度数据计算成角度后，将RS485通信发送到监控变电站。本测试采用RS485通讯，通过485-232转换模块与上位机进行数据传输。在测试中，首先使用串行辅助调试软件对下位机进行测试。通过串口发送01H数据后，倾斜监控器可以输入接收到的数据中断接收命令，发送相应的倾斜数据。测试结果如图所示。图5-4倾角监测装置调试通讯程序结果将倾角监测装置分别放置在30度、45度和60度的斜面上，通过串口调试获取测量值。不同斜面分别测量五次，截取并记录倾角数据。在数据处理表中，分别计算出每次测量值与实际角度的绝对误差和相对误差，并记录五次测量中的最大相对误差。结果如表所示。表5-3角度测试表实际角度测量值绝对误差（度）相对误差（%）最大误差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，测量值与实际角度有一定的偏差，相对误差最大为2.7%。分析原因如下：（1）ADXL345加速度传感器的精度有一定的误差，所测得的加速度值就有一定的偏差。（2）测试平台存在不平整的地方，使数据有变化。本章小结此次设计的支架监控系统能基本能完成对传感器数据的采集，并能够将采集到的数据实时传输给上位机，通过上位机软件所编写的程序能够对数据进行分析及处理，并能实现实时报警及数据存储，调试结果良好，能够较好的完成监测系统的功能要求。结论本次以液压支架的实时监控为基础，综合加速度传感器、RS485总线通信等技术的特点和优势，实现了对液压支架关键部件的倾角、压力的信息的实时监测，所有数据通过可靠稳定的通讯实时上传和共享，上位机对数据进行了深度挖掘，可对支架的姿态做出准确的判断