2021-4-9 | 矿业研究论文
总体设计思路
1.传感器的选择
地压监测最关键的一环，选用什么样的传感器，这是整个系统设计的核心。本系统主要监测采空区矿井顶部向下行走的位移，矿井顶部如果发生位移，主要表现为如下特征：1）该位移产生速度较慢，即矿井顶部不会很快就垮塌，而是要经历一个过程；2）矿井产生塌陷，基本上都是周围一片都会塌陷，很少只有某一个小区域发生；3）有时矿井顶部产生位移，该位移通常会保持一段时间。结合以上特征，这里选择直线位移传感器，其行程为100～150mm。直线位移传感器垂直安装，其顶部靠弹簧的反作用力固定在矿井顶部，传感器底端固定在地上，多个传感器分布于要求进行地压监测的区域，这样不管是某小段区域产生位移，亦或该区域都产生位移，系统都可以检测到。
2.通讯方式选择
硬件系统使用STC89系列单片机，可以很方便地使用RS232或者RS485方式进行通讯。由于矿井之中安装有其他监控设备，同时铺设通讯光缆，所以这里选择RS485／以太网转换器，将串行设备连接到局域网，通过网络和上位机进行通讯。
3.显示方式
传统的下位机显示方式有液晶显示和数码管显示，由于地压监测下位机安装在矿井下，基本上是无人区，考虑成本及地下环境，这里选择价格相对低廉且稳定性高的数码管显示方式。
硬件设计
下位机采用STC89C54RD＋为控制核心，该款单片机抗干扰能力较强，其功能完全可以满足地压监测系统的需要。通讯部分使用SN75176通讯芯片，然后和MOXA串口以太网协议转换器相接，使用光纤通信。AD采样使用TI的TLC2543，12位转换精度，可以精确到0．3mm，足以满足使用精度要求；同时TLC2543每片有11个AD转换通道，本系统设计使用两片AD，最多可以扩展22路数据采集通道，即同时采集22个传感器数据。但是考虑到实际使用需求，实际系统只引出16路通道。如果有多片区域需要监测，可以使用多套下位机，每个下位机使用拨码盘进行编号，保证每个下位机都有唯一的ID。显示采用5位数码管循环显示每个传感器的数据。
上位机软件设计
上位机设计分为服务器端和客户端，数据库采用SQLServer2000。服务器端主要用于和下位机进行通讯，负责采集传感器数据，同时将解析完成的数据存入数据库。客户端完成传感器的创建，负责显示服务器端传输过来的数据。创建传感器之前，先配置安装传感器的区域，有需要进行地压监测的区域，才创建传感器。创建传感器时，每个传感器要和负责监视的区域相联系，同时传感器ID和通讯协议相匹配，使之唯一对应一个传感器。系统采用图形化的模式显示传感器的位置和传感器数据，可以很方便的浏览当前地压系统监测到的位移数据，如果是正常位移，则以蓝色图表表示，如果是报警位移，则用橙色或者红色表示，橙色表示位移偏移量较小，在系统可以承受的范围之内，红色表示已经超出系统能承受的最大位移，说明位移量很大，提醒值班人员注意。
系统测试及分析
系统在湖北柳树沟矿业运行一段时间，运行情况良好，位移变化量基本维持在1mm以内，满足系统要求。出现的问题主要有两个：①由于矿井顶部偶尔有石头块掉落，有的石头正好落在传感器数据线上，将数据线打断，出现传感器断线报警；②MOXA串口／以太网转换器出现故障，更换新的协议转换器后系统工作正常。表1（表略）中每个传感器的初始值不同，是因为传感器在安装过程中难以保证每个传感器的安装高度完全一致，但是这对于位移监测不造成任何影响，因为实际监测时所需要的数据只是位移的偏差值。5结束语本系统基于51单片机内核打造，使用RS485和光纤通讯相结合的方式，可以很好的发挥各自的技术优势，经历长时间运行，已经证明本系统在地压监测方面达到了稳定可靠地效果，对于非煤采矿区作业人员的生命安全能起到非常好的保护作用。
本文作者：梁会军 黄兆云 单位：宜昌三峡大学电气与新能源学院 湖北景深安全技术有限公司