（电力电子与电力传动专业论文）多协议液压支架在线监测仪的研制.pdf

摘要 a b s t r a c t w i t h ”h i g hy i e l dh i 曲p r o d u c t i o n ”m i n i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n , h y d r a u l i c s u p p o r tt op l a yab i g g e rr o l e i nt h eh y d r a u l i cs u p p o r tv a r i o u sp r o p e r t i e s o ft h e f u l l y m e c h a n i z e d f a c e i n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n t i n f l u e n c e e f f i c i e n c y o fh y d r a u l i c s u p p o r t ，s ot h er e a l t i m em o n i t o r i n gi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t b u to t h e rf a c t o r s ，s u c ha s t h es y s t e mr e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa r ed i r e c t l yr e l a t e dt o t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，i no r d e rt or e a l i z eh i l g hm i n i n gt e c h n i q u e ， ”t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r th i g hr e q u i r e m e n t s ，i ti sp r o p o s e dt os a t i s f y t h en e e do fo v e r a l lc o a ls y s t e m c h i n ah y d r a u l i cs u p p o r t sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a l o n g 、斩t ht h ed e v e l o p m e n to fm i i l i n gt e c h n o l o g y , a n dt h e19 8 0 st h a n 19 9 0 sh a d g r e a tp r o g r e s s ，n o wa l s ou s e d , b u tc o m p a r e d 、i t l lt h es i m i l a rf o r e i g na d v a n c e d t e c h n o l o g y , t h eg a pi sv e r yo b v i o u s b a s e do nt h es t a t u sq u oo fh y d r a u l i cs u p p o r t t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，c h i n am i n i n gf a c ef r o mt h ec o n d i t i o n s ，a n dd e v e l o p e d v a r i o u sa g r e e m e n tf o rt h et r a n s f e ro f h y d r a u l i cs u p p o r to n l i n em o n i t o r i n g ，a n ds t r i v et o m e e tt h en e e do fc o a lw o r k i n gc o n d i t i o n si nc h i n a , a n da c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f o u rc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rs t u d i e si sb a s e do nt h ea g r e e m e n to fo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r tt os o l v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l sf o rd i f f e r e n t s e n s o r sm e a s u r e dd a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t as a m p l i n ga n da n a l y s i so n t h ep r o b l e mt ot h ec o n s o l e b a s e do i lo n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r tm a d eai n - d e p t h a n a l y s i sa n dr e s e a r c h i tf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fo n l i n em o n i t o r i n go f h y d r a u l i cs u p p o r ta th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e re x p o u n d st h et e c h n i c a ll e v e l s e c o n d l y ，i n t r o d u c e st h ew o r k i n go fh y d r a u l i cs u p p o r tb yt h ep r e s s u r ea n g l ea n dt h e d i s p l a c e m e n t , m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h e n , a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no f h y d r a u l i cs u p p o r t 。sm o n i t o r i n g ，f o r m e dam o n i t o r i n gs y s t e m f i n a l l y , ad e e pr e s e a r c h o i lt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r tf o rd e e ci n t e r f a c ed e s i g n , t h r o u g h t h es e n s o ri n t e r f a c ed e s i g n , i n t e r f a c ed e s i g n ，a n d4 8 5c o m p l e t e dt h ew o r ko fh y d r a u l i c s u p p o r td a t aa c q u i s i t i o n , a ds a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go fd a t au p l o a d e dt ot h ec o n s o l e f i g u r e 【3 2 】t a b l e 【2 】r e f e r e n c e 5 3 】 k e y w o r d s ：m u l t i - a g r e e m e n t ；h y d r a u l i cs u p p o r t ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；s e n s o r 1 1 摘要 c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t p 2 0 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理王太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：耋牲日期：丝早年 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徽堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缘砗叫 导师签名：阱k 砧 1 绪论 l 绪论 1 1 背景分析 2 0 世纪5 0 年代中期，随着科学技术的不断发展，一种用于变革煤炭开采工 艺新技术，新装备的综合机械化采煤技术出现了。从1 9 5 4 年在英国诞生了第一个 综采工作面后，综采技术就不断得到发展和完善，在世界范围内得到广泛的应用， 成为煤炭工业技术发展的方向。到1 9 7 0 年英国已装备7 0 0 个综采工作面，德国已 装备4 0 0 个综采工作面，其综采程度均达到9 0 以上。随后综采技术在日本、波 兰、法国、前苏联等主要产煤国家得到进一步的推广一应用，同时也被向来以房 柱式连续采煤机开采为主的美国、澳大利亚和南非等国家所采用。 近年来，随着煤矿自动化水平的不断提高，网络化是煤矿监控系统发展的必 然趋势，我国采煤综合机械化的水平在不断提高，随着综合机械化采煤技术的不 断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的使用，要求对液压支架工作状态的 监测技术与之相配套【5 】。目前，采煤机和运输机的监控系统已经在许多煤矿投入 使用，但液压支架工作状态的实时监测系统滞后于上述监控系统，给现场作业人 员带来了极大的不便。 目前，我国的煤矿企业对液压支架的工作状态的了解还停留在操作工凭借工 作经验对液压支架工作状况进行查看的水平。这种工作方法显然存在严重缺点： 操作工的工作条件差，安全性差；液压支架的工作状况不能实时的掌握，实时性 差；液压支架的工作性能的发挥程度以及对支架工作状态的掌握与操作工的经 验多少和技能高低有密切关系。然而对液压支架的工作状态进行实时监控后，就可 有效地克服上述缺点。对液压支架的关键部位，诸如电液控制和位移等工作状态 的监测有多种方式可供选择，操作人员可在较安全的地方根据监测系统反馈的数 据对整个工作面的支架进行远程控制或就地控制。 1 2 国内外的发展状况 作为综采工作面关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。5 0 年代 英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟 了采煤工作面支护设备的技术革命；6 0 年代前苏联研制并改进的o m k t 型掩护 式支架( 具有四连杆机构) ，从根本上解决了支架梁端距变化大且不能承受水平力 的问题，开辟了液压支架设计的新时代；7 0 年代主要是“立即支护方式；8 0 安徽理t 大学硕： ：论文 年代以来，为提高生产率和降低成本，在液压性能和自动化程度有了大幅度提高。 如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的 各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。9 0 以上的美国长壁综采工 作面使用了电液控制两柱掩护支架，其额定工作阻力最高可达9 8 0 0 k n ，移架循环 时间大多小于1 0 s 。 我国从1 9 5 8 年开始设计掩护式支架，从1 9 6 4 年开始由专门研究室全面开展架 型及阀类的攻关，1 9 7 0 年在山西大同首次全工作面装备了t z 一1 4 0 型垛式液压支架。 至7 0 年代中期，研$ i j - q y 型掩护支架和z y 3 5 型支撑掩护支架。8 0 年代以来，开发 了适用于坚硬顶板的大吨位t z 7 2 0 型支架，分层开采自动铺联网支架、放项煤液 压支架及大流量安全阀和操纵阀等。到目前为止，适于我国高产高效的国产液压 支架已有2 0 余种架型1 5 1 。 自1 9 9 5 年研制成功第一台全工作面液压电液控制系统以来，又有多种型号的电 液控制系统液压支架问世，但是对液压支架的电液控制的监测系统的研究和开发还 处于研制阶段，更不用说对从外国进口许多高产高效工作面所用电液控制系统液压 支架的实时监测。我国自主生产的液压支架还是中低压小管径供液，人工手动操 作。现场实际统计，前移一组支架大约需l m i n 。最大的支架供液压力不超过3 2 m p a ， 供液管径2 5 - - - 3 0 m m ，流量在1 5 0 - 2 0 0 l m i n 。目前我国最大的液压支架生产厂商 之一一一郑州煤矿机械集团有限公司，所生产的z y 9 0 0 0 2 0 4 0 型液压支架还没有相 应的监测系统。 现在国外的普通综采工作面液压支架已实现了微机红外线电液自动控制，可 成组、成排地向前移架，额定供液压力达到4 0 m p a ，流量3 0 0 l m i n 一4 0 0l m i n ， 供液管径l o o m m - - 1 2 0 m m ，移架速度超过了1 0 组m i n 。而国产液压支架还是中 低压小管径供液，人工手动操作。现场实际统计，前移一组支架大约需1m i n 。 最大的支架供液压力不超过3 2 m p a ，供液管径2 0 m m - - 3 0 m m ，流量在1 5 0 l m i n - - 2 0 0 l mi1 1 ，二柱掩护式液压支架的工作阻力7 0 0t ，架宽1 5 m ，采用p m 4 型红 外线电液控制系统，由采煤机微电脑远距离控制，支架立柱直径超过l o o r n m ，移 架速度1 0 组m i n 。 8 0 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、 实现矿井集中生产做努力，他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠 性的新一代重型液压支架的研制【刀。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动 的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱 缸径超过4 0 0 m m 。为减少割煤时间，一般采用0 8 一l m 的截深。支架还采用屈服强 一2 1 绪论 度8 0 0 - - - - 1 0 0 0 m p a 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。 随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压 大流量乳化液泵站，其额定压力为4 0 - - 5 0 m p a ，额定流量4 0 0 - - 5 0 0 l m i n ，可实现 工作面成组或成排快速移架，达到6 8 s 架。 美国是世界上最先进的采煤国家，早在1 9 9 0 年就已采用额定压力5 0 m p a 、额定 流量4 7 8l m i n 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6 8 s 架。美国的 高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命8 1 0 年，可用率高达9 5 一9 8 。 支架平均工作阻力6 4 7 0 k n ( 最大为9 s 0 0 k n ) ，支架宽度普遍增大，中心距达到1 7 5 m ， 并向2 m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时 间和提高单产。【9 】如洛斯公司2 0 英里矿在2 5 0 x 5 2 8 0 m 长壁综采面用工作阻力为2 x 8 5 6 5 k n 电液控制两柱掩护式支架，1 9 9 7 年6 月生产商品煤9 0 4 3 万吨，成为世界上 首次月产商品煤近百万吨的工作面；1 9 9 5 年9 月，糜鹿矿用工作阻力为8 9 0 0 k n 电流 控制的两柱掩护式支架，月产煤达到6 0 1 1 万吨。美国综采工作面最高日产超7 万吨， 最高工效1 3 3 6 f f 工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱 掩护式支架，支架的平均工作阻力为7 6 4 0 k n 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式 支架，在1 9 9 5 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3 4 1 万吨的最高记录，班产一直 保持在5 0 0 0 - - 6 0 0 0 t 。英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大提高， 达至l j 5 0 0 0 - - 6 0 0 0 n 。目前美国、德国等在该技术领域走在世界前列，尤其是对液压 支架电液控制装置的监测成效卓越，能够对液压支架工作状态和性能起到预警的 作用，可实现液压支架与采煤机、刮板输送机联动作业。比如德国e e p 布拉尼斯液 压技术有限公司的p r a - - m a t i c 系统p r l1 6 型，它对液压支架各个功能的实现都采用 计算机一传感器技术，同时控制器p r l1 6 s 保证了数据的快速传输和简单的可靠性 操作。 1 3 多协议液压支架在线监测仪的研究意义 计算机控制技术在工业自动化过程中的广泛运用和迅速发展，为液压支架的 计算机监测系统提供了有利的条件。如果我们在支架试验系统中引入计算机作为 系统的监测核心，就可以充分发挥计算机控制的强大功能，让计算机代替操作员 来完成调节工作状况、数据测量、数据记录、异常情况处理以及试验后的数据处 理等一系列工作。具体地说，操作员只需把监测命令输入计算机，计算机依据这 些控制量自动实现对支架运动的控制，并采集多点参数，把各点测量参数的值集 中在显示屏上显示。操作员随时可以观测整个系统各项参数的变化情况。工作过 3 安徽理t 大学硕士论文 程中如果某些参数超过限定值，则系统发出报警声，提醒操作员注意，然后操作 员采取相应的处理。可见，使用了计算机监测系统以后，在整个试验过程中，操 作员不再需要人工调节、记录数据，而只是对系统进行监测。大部分工作都由计 算机来完成了，从而减少了操作员的人数，提高了监测效率，也减轻了劳动强度。 这样不仅克服了以往工作方法的缺点，还能及时掌握液压支架的工作数据从而实 现对液压支架的实时监控，这样能避免很多不必要的事故，因此能达到既节省劳 动力和工作时间又能高效率的生产工作的目的。 1 4 本论文的主要内容 与目前的液压支架监测技术相比，本课题所设计的多协议液压支架在线监测 仪实现了对液压支架的在线监测，增强了协议问的兼容性，提高了信息传输的效 率和稳定性。在数据采集方面，采用世界先进的传感器获得模拟电压信号的方法， 为了更好的实现协议间的兼容性，采用了3 种协议进行数据传输。在硬件设计方 面，首先采用传感器接口技术，把传感器获得+ 5 v 的模拟电压信号转换成适合a v r 单片机采样的0 - - 5 v 电压信号，其次用c a n 总线和以太网接口技术，把各个a v r 信息采集板块得到的转换后的电压信号传输给主站。软件系统采用了模块化设计 方法，便于调试，设计了包括主程序、a d 采样程序、4 8 5 通信中断程序、c a n 以及t c p i p 一些相关子程序。 4 2 液压支架监测技术介绍 2 液压支架监测技术介绍 目前，在我国经济条件好的、比较大的矿业集团或矿井的工作面，基本上都 用综合机械化设备进行采煤( 即综采) 。其他矿区虽有部分综采工作面，但随着开 采强度加大，工作面条件越来越差，走向长度越来越长，难开采的煤层回采失调 越来越严重。而且在同一个矿区或同一个矿，用一、二种类型支架难以适应全部 的煤层及工作面条件，为了满足工作面条件的需要，必须采用多种类型的液压支 架，这样一来增加了对液压支架管理的工作量，给综采工作又增加了很大难度， 传统手动的工作方式就不能满足工作条件的要求，因此急需实现对液压支架进行 实时监测，得到液压支架工作的有价值的数据。基于以上背景，本系统将实现对 液压支架的受压力大小、液压支架的位移量以及液压支架的倾角的数据监测和采 集，从而完成对液压支架的实时监测。图l 为液压支架的结构图。 图1 液压支架结构 f i g 1t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo fh y d r a u l i cs u p p o r t 2 1 液压支架压力监测技术介绍 对液压支架的监测关键在于采集支架的工作状态数据，数据的采集要靠传感 器来完成。传感器是能感受( 或响应) 规定的被测量，并按一定规律将其转换为可 用信号的器件或装置。它是连接控制系统与控制对象的纽带。若没有传感器对原 始参数进行精确可靠的测量，就没有精确可靠的自动检测和控制系统，因而它是 自动化技术的重要组成部分。作为一种获取信息的技术，传感技术是信息科学的 基础，只有具有感受功能的传感器检测出自然界和社会的各种信息( 物理的、化学 的、生物的) ，计算机才能得到信息，进而发挥各种运算与处理功能。 5 安徽理丁大学硕士论文 2 1 1 背景技术 目前，公知的液压支架是由顶梁、底座、立柱、推移装置等组成。开启操作 阀进液手柄，液体通过操作阀、液压胶管、单项阀，进入立柱下腔，将液压支架 升起，起到负载作用，可由于现有的液压支架没有设置压力系统装置，对于液压 支架的承压状况浑然不知，虽有安全阀装置，没法显示其液压支架的负载量大小， 有时因压力太大，将安全阀顶开，液压支架回落，造成事故【5 。 2 1 2 技术内容 为了克服现有液压支架不能监测承压量及预提前来压的不足，本技术提供液 压支架负载安全监测系统装置，该设置不但能监测液压支架的承压状况起到提前 预警，而且还能通过数据分析处理后，可预警重大的的塌方事故。 下面介绍所采取的技术方案。液压支架是由顶梁、底座、立柱、推移装置等 组成。设置程序数字计算机、数字交换机、压力传感器，由信号传输线将其连接； 再单向阀与安全阀连接处，增设一个三通，有三通将单向阀、安全阀、压力传感 器连接。数字交换机通过信号传输线将信号传输至压力传感器，并将压力传感器 反馈回的探测模拟信号，转换成数字信号，通过信号传输线传输至程序数字计算 机；在程序计算机内设置液压支架安全压力限、压力减小预警限、压力增大至危 险预警限。车工内需数字计算机自动监测液压支架负载承压状态，并通过信号传 输线将信号传输至显示屏将其显示。生产作业中，假设一架或几架液压支架，负 载承压减小到预警限时，称许数字计算机预警，并通过信号传输线指令蜂鸣器蜂 鸣、显示屏显示出作业区，多少支架，监控人员及时通知作业人员，将其压力恢 复。反之，如果顶板塌方，支架承压增大，当压力增加到预警限时，程序数字计 算机预警，并通过信号传输线指令蜂鸣器蜂鸣、显示屏显示工作区，多少支架， 既将塌方面积和状况、监控人员及时通知工人有程序的撤离作业区，获取相应的 安全技术措施【5 3 】。 2 1 3 此技术的有益效果 此技术不但全天候监测液压支架的负载承压状况，更大的作用是通过对每架 液压支架的监测数据，可起到对顶板提前来压预警，使作业人员及时对液压支架 采取保护措施，以及作业人员提前撤离危险区，把事故降到最低。 6 2 液压支架监测技术介绍 2 2 液压支架倾角监测技术介绍 现有的倾角传感器种类很多，如电介液式、电位器式、电容式、电感式及陀 螺地平仪等复合式倾角传感器，检测精度有达到“度”水平级，有的达到“角分”、 “角秒 甚至“千分之一角秒”水平级。按其工作原理的不同将其分为三大类， 即利用重力加速度的摆式倾角传感器，利用角速度积分的倾角传感器和复合式倾 角传感器。摆式倾角传感器用于长时间的倾角测量具有很高的精度，但不适于动 态倾角的测量；动态倾角测量需要使用复合式倾角传感器，而发展中的捷联式倾角 传感器是测量动态倾角最佳的传感器之一。 2 2 1 倾角传感器原理简介【4 刀 倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、 “液体摆 式、“气体摆 式三种倾角传感器，下面就它们的工作原理和技术进行 介绍。 1 ) “固体摆”式惯性器件 固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图2 所示，其由摆锤、摆线、 支架组成，摆锤受重力g 和摆拉力t 的作用，其合外力f 为： f = g s i n o = m g s i n o ( 2 1 ) 其中，口为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为f 与臼成 线性关系。如应变式倾角传感器就是基于此原理。 r g 图2 固体摆原理示意图 f i g 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es o l i db e f o r e 2 ) “液体摆 式惯性器件 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连 接，三根电极相互平行且间距相等，如图3 所示。当壳体水平时，电极插入导电 7 安徽理工大学硕士论文 液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形 成离子电流，两根电极之问的液体相当于两个电阻r l 和。若液体摆水平时， 则玛= r m 。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，二根电极浸入液体的 深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图4 所示，左边电极浸 入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻冠增大，相对极则导电液增 加，导电的离子数增加，而使电阻岛。，减少，即墨 r m ，反之，若倾斜方向相反， 则墨 k ，因此流过两根热线的电流也会发生相 应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输出的电信号 也不同。 一1 0 2 液压支架监测技术介绍 图5 气体摆的原理示意图 f i g 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eg a sb e f o r e 2 2 2 固、液、气体摆性能比较 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。 在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气 体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大 冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气 体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的 要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相 同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较 高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳 定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。 2 2 3 倾角传感器发展趋势与产品现状 从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单 轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少， 且大多只提供模拟量输出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工 程学院的产品在小型化及产品精度等指标方而较领先，如膜电位倾角传感器。就 网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，如英国的c l i n o 公司、德国 的西门子公司、美国的c r o s sb o w t e c h n o l o g y 公司、a t m o s 工程公司、f r e d e r i c k s 公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小 型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。 安徽理丁大学硕士论文 如l s 系列产品分辨率可达到1 8 一，英国c l i n o 公司s p 系列产品高度只有2 2 r a m ， 特殊的可达到1 6 m m ，可用于一些特殊场合。c r o s s b o w 公司c x t a ，美国数子公司 a 2 产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程 中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得 到广泛的应用。 2 3 位移传感器监测技术介绍 激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量装置，它具有适应性强、速 度快、精度高等特点，适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。该 传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用，能够准确快速地测出表面的形状与轮 廓。它克服了接触式检测中的诸多缺点，既提高了检测速度，又保护了被测工件 表面兔受划伤及防止传感器变形【4 8 】。 2 - 3 1 激光位移传感器介绍 激光位移传感器是基于激光光三角原理设计和制造的，由半导体激光机发出 波长为6 7 0 n m 的激光光束，经过发射光学系统后会聚在被测物体表面，形成漫反 射。该漫反射像经过接收光学系统后成像在c c d 上，并被转换成电信号。当被 测面相对传感器在y 方向移动时，漫反射像也将移动，在c c d 光敏面上的成像 必将跟着移动位置，这样即输出不同的电信号。根据光三角原理制成的激光位移 传感器，就这样将位移量最终转换成电信号，从而与其它设备进行接口。 激光位移传感器的测量距离为6 5 m m - - 一9 5 m m ，也就是8 0 1 5 m m ，分辨率3 um 。在使用时应注意，不能将c c d 的成像的光路空间( 图中阴影部分) 给遮蔽住， 否则无法接收激光漫反射像的传感器将输出超出测量范围的报警信号。 传感器输出的电信号最终将被转换成一个连续的模拟电压信号，如图6 所示， 该电压信号与传感器检测到的位移量具有一定的线性关系。传感器检测到的位移 量以x 方向表示，范围1 5 m m ；经由传感器控制器输出连续的模拟信号以y 轴 方向表示，范围+ 5 v 。该电压信号与检测到的位移量具有正比例关系，并且模拟 信号的大小及符号表达了激光位移传感器所测量出来的距离的大小及方向，亦即 电压与检测位移的关系。所以，对该电压信号的正确采集，即成为了激光位移传 感器的数据数据采集的关键。 1 2 2 液压支架监测技术介绍 1 2 一 _ i - 1 0 5 ， 一一 ，一一 一， ，一， ，一 一一， 一5 ， 0 ，7 5 ( - 1 5 ) ，一一 ，7( 1 5 ) 一一 ( - 2 5 0 ) 一一 ，：7 ( 2 5 0 ) 一 一一 - d 一，一 一，一， 图6 传感器测得的位移量与输出电压信号的关系 f i g 6t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g es i g n a la n dt h em e a s u r e dt h ed i s p l a c e m e n t v o l u m eb ys e n s o r 2 3 2 位移传感器的数据采集技术5 1 l 激光位移传感器输出的模拟电压信号首先应该进行模数转换，然后将数字信 号缓存后发送给上位机进行其它的处理和运算。针对被采集电压量的大小及范围， 最终选定a d s 7 8 0 5 作为模数转换器件：在通常环境下使用r s 4 8 5 协议传输检测 数据给上位机；而主控m c u 则选用廉价易用的a t 8 9 c 5 1 型单片机。 a d s 7 8 0 5 芯片采用2 8 脚0 3 英寸d i p ( 瘦型双列直插式) 和s o i c ( d 输出线集 成电路) 封装。单一的+ s v 电源供电，芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等 电路，可极大简化用户的电路设计和硬件开销，并可提高系统的稳定性。a d s 7 8 0 5 采用c m o s 工艺制造，转换速度快、功耗低( 最大功耗为1 0 0 m w 。该a d 转换 器采用逐次逼近式工作原理，单通道输入，模拟输入电压的范围为1 0 v ，采样 速率为1 0 0 k h z , 转换结果由1 6 位数据线并行输出。 值得注意的是，为了提高抗干扰能力，对电路的供电要将模拟电源和地以及 数字电源和地分开布线，所以a d s 7 8 0 5 的v d l g 和d o n d 引脚用数字电源+ 5 v 和数 字的地，引脚v a n a 和a g n d l 、a g n d 2 接到模拟电源( + 5 v ) 和模拟地。当然，在正常 使用时，数字地和模拟地需要在远端共地。 启动a d s 7 8 0 5 进行a d 转换和读取转换结果的方法有二种，第一种是将转 换的1 6 位结果一次性读出，第二种是将1 6 位转换结果分两次读出( 分别读出低8 位数据和高8 位数据) ，根据实际情况和使用方便，我们选用了第二种启动转换和 读取结果的办法。其时序要求如图7 和图8 所示： 1 3 安徽理 ：大学硕十论文 r c 卜上_ f 1 3 脚y 习三二二j n 一 一l f 8 _ ；r 一二二苇三喜三篱一 i 一f 7 hf 6 _ 删黝曰啷二垂二卫e 至三廷三) 口e f 9 一，一；一i 卜。 图7a d s 7 8 0 5 启动转换和读取时序 f i g 7t h ea d s 7 8 0 5c o n v e r s i o na n dr e a ds t a r tt i m i n g r c c s b y t e p i n s 6 1 3 p i n s l 5 2 2 2 4 本章小结 + f 1 2f 1 2 7 、 | ll | t 、， l j 。 ( h i g hb y t e ， ( l 。wb y t e ， i h i - z h i g hb y t e 图8 分两次读取转换结果时序 f i g 8c o n v e r s i o nr e s u l t so f t w os e q u e n t i a lr e a d 本章分别从液压支架受到的压力、倾角和位移入手，介绍了目前世界上所采 用的对液压支架监测的技术，阐述了技术的背景和内容，为了本论文的编写做了 很好的基础铺垫。 1 4 3 系统所采用的协议介绍 3 系统所采用的协议介绍 随着矿井建设的不断加大，矿井的网络信息化建设也在加快步伐，然而通信 协议是网络信息化建设必不可少的部分。在本系统中，t c p i p 协议主要是用于局 域网内和网问的信息传输，它实现了数据上传到局域网或外围网的功能；m o d b u s 协议主要是实现4 8 5 接口的信息传输；c a n 协议主要完成c a n 内部控制器之间 的控制命令执行。 3 1 t c p 协议简介 3 1 1 协议介绍【1 7 1 传输控制协议( t c p ) 是传输层用于大多数因特网应用的协议，其实质是一 个名为r f c 7 9 3 的t c p 文档，是一份完整的技术文件，它包括t c p 的标题格式； t c p 如何与上下各层连接；t c p 如何完成可靠传输；包丢失和损坏的回复等。主 要包括h t t p ，s m t p ，p o p 3 ，t e l n e t 和f t p 。尽管t c p 和u d p 都使用相同的网 络层，t c p 却向应用层提供与u d p 完全不同的服务。t c p 提供一种面向连接的， 可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用t c p 的应用( 通常是一个客户和一 个服务器) 在彼此减缓数据之前必须先建立一个t c p 连接。如果发送的数据报不 能到达目的端或传送的数据报丢失，t c p 将重新传送该数据报。如果各个数据报 到达顺序不正确，t c p 能够将它们排列为正确的顺序。下面介绍t c p 提供可靠性 的方式： 1 ) 应用数据被分割成t c p 认为最合适发送的数据块； 2 ) 当t c p 发出个段后，它启动了一个定时器，等待目的端确认收到这个 报文段；如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段； 3 ) 当t c p 收到发自t c p 连接另一端的数据，它将发送一个确认； 4 ) t c p 将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是 检测数据在传输过程中的任何变化； 5 ) 既然t c p 报文段作为i p 数据报来传输，而口数据报到达可能失序，因 此t c p 报文段的到达也可能会失序。如果必要，t c p 将收到的数据进行重新排序， 将收到的数据以正确的顺序嫁给应用层； 6 ) 既然m 数据报会发生重复，t c p 的接收端必须丢弃重复的数据； 7 ) t c p 还能提供流量控制。 1 5 安徽理工大学硕+ 论文 每个t c p 段都包含源端口和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进 程。这两个值加上首部中的源端i p 地址和目的端i p 地址唯一确定一个t c p 连接。序号用来标识从t c p 发端向t c p 收端发送的数据字节流，表示在这个报 文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 t c p 用序号对每个字节进行计数。序号是3 2 b i t 的无符号数，序号到达后又从0 开始。确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。故确认序号是上 次已成功收到数据字节序号加1 。首部长度给出首部中3 2 b i t 字的数目。需要这个 值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占0 b i t ，因此t c p 最多有6 0 字节 的首部。若没有任选字段，正常的长度是2 0 字节。t c p 的流量控制由连接的每 一端通过申明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明 的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个1 6 b i t 字段，因而窗 口大小最大为6 5 5 3 5 字节。检验和覆盖了整个的t c p 报文段：t c p 首部和t c p 数据。这是一个强制性的字段，由发端计算和存储，由收端进行验证。只有当u r g 标志置l 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相 加表示紧急数据最后一个字节的序号。t c p 紧急方式是发送端向另一端发送紧急 数据的一种方式。 3 1 2 t c p 消息段的报头构成 图9 所示的是t c p 消息段的报头，构成报文连接在此报头的后面。t c p 消息 段开始的部分存放的是发送端和接收端的端口号；顺序号存放的是按照发送顺序 处理的相关数值；确认号是接收端对于发送端接收到数据块状态的顺序号，具有 4 位数据偏移字段是以3 2 位为一个单位存放报头长度的数值，即从t c p 消息开 始的部分到数据偏移x4 字节后存放的就是t c p 的报文部分；控制位是6 位标志 的集合，表示t c p 以怎样的状态进行通信( 如“1 表示紧急数据指针有效，“6 表示发送结束) ；预留是备扩展所用；窗口是一次可发送的数据量；校验码是用于 错误检查；紧急指针是插入信号等紧急数据的结束位置；选项和填充是提供选项， 若没有需填充满。 一1 6 3 系统所采用的协议介绍 发送端端口( 1 6 ) 接收端端口( 1 6 ) 顺序号( 1 6 ) 确认号( 1 6 ) j 数据偏移( 4 ) 删6 ) h 校硎1 6 ) 选择和填充( 3 2 ) 厶7i 控制位( 6 ) 窗n ( 1 6 )紧急数据指针( 1 6 ) 3 2i p 协议简介 图9 t c p 消息报头的构成 f i g 9t h ef o r mo f t c pm e s s a g eh e a d e r m 协议是t c p 1 p 协议中最为核心的协议，是网络层上的协议，它提供不可 靠的在许多链路上无连接的数据报传输，它不保证数据报一定到达，只是尽最大 努力发送数据到目的地。i p 网际协议提供了三个重要的定义。首先，i p 定义了在 整个t c p i p 互联网上数据传输所采用的基本单元，也就是互联网上传输数据的确 切格式：其次，i p 完成路由选择的功能，选择一个发送数据的路径；最后，i p 还 包括了一组嵌入了不可靠分组投递思想的规则。m 仅提供最好的传输服务。 3 2 1m 的实际通信 i p 数据报是用以太网的功能传送的，在路由经过的路由器对数据报 进行中继时，i p 数据报暂且从以太网的报文中取出，而后路由器将其重新以 太网帧的报文存储。口数据报存储在以太网帧的报文部，如图1 0 所示。 1 7 安徽理工大学硕+ 论文 图1 0i p 数据报传送 f i g 10t h et r a n s m i s s i o no fl pd a t a g r a m 通信双方在以太网络上碑数据报的传送按顺序可分为以下几点： 1 ) 端的计算机建立p 数据报。口数据报中存放接收端的i p 地址等发送p 数据报所必需的信息。 2 ) 建立以太网帧，其报文中存放( 1 ) 中建立的m 数据报。此时，通信双方在 同一以太网内，参照路由可知帧将直接送达。在直接送达时，由a r p 取得m 地 址和m a c ( 以太网地址) 地址对照表，从而直接得到接收端的m a c 地址，不在同 一以太网时，参照路由可知帧必须送到路由器，由口地址和m a c 地址对照表可 知道路由器的m a c 地址，将以太网帧将接收端计算机的m a c 地址和发送端计 算机的m a c 地址等一起储存起来。 3 ) 使用以太网的功能，将以太网帧发送到通信线路上。通过c s m c d 技术， 将这个以太网帧传送到接收端。 4 ) 接收计算机从以太网帧的