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差壓變送器

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液壓支架中壓力變送器檢測系統設計

作時間:2019-07-15  來源:大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司  作者:曹萍萍
   
摘 要: 壓力變送器檢測系統存在測量精度低、布線困難等問題,針對國內特殊的井下環境,設計了一套專用于液壓支架的壓力變送器無線檢測系統,給出系統總體設計方案。以 CC2530 芯片作為主控制器芯片,同時實現遠程通信功能,介紹信號調理電路等外圍硬件電路的設計; 結合壓力變送器測量原理,設計了系統的軟件流程圖,闡述了上位機監測系統的研發重點,F場實驗證明該系統測量精度高,穩定性好,滿足了對液壓支架的有效檢測。
0 引 言
液壓支架是綜采工作面的一種支護設備,主要作用是支護采場頂板,維護安全作業空間,推移工作面采運設備。液壓支架在井下非常重要的一個指標便是穩定性,因此需要盡量消除一切影響支架穩定性的不利因素,保證支架系統在井下安全工作。壓力變送器專用于檢測液壓支架各部位壓力變化的設備,其主要是檢測液壓支架各個部分承受壓力的變化,實時監測、預警和管理支架系統進行。
目前國內廠家生產的壓力變送器檢測系統無法滿足煤礦井下惡劣的工作環境,測量精度低,國外壓力變送器檢測產品價格較高,后期維護費用昂貴[1-2] 。筆者研發一款專門針對于煤礦井下壓力檢測的變送器檢測系統,功能及價格可滿足礦井需求,具有很好的推廣應用價值。
1 壓力變送器檢測系統概述
壓力變送器檢測系統由以下部分組成: 壓力傳感器、主控制器、測控電路、通訊電路以及相應外圍電路。在煤礦井下特殊的、惡劣的環境下,對壓力變送器檢測系統提出了更高的要求[3-4] : ①精度高。要能將液壓支架各個部分的壓力變化準確地呈現出來,因此,傳感器測量的輸出信號必須有高質量的測控電路調理輸出,要采用共模抑制比高的電路,抑制干擾; ②采用無線通訊方式。傳統壓力變送器檢測系統一般采用 RS485 或者 CAN 總線通訊方式,這種有線通訊方式在煤礦井下布線困難,影響工程進度,因此急需改善為無線通風方式; ③響應速度快。液壓支架每一次壓力變化都可能影響工作人員對工作面的判斷,這要求壓力傳感器快速響應,微控制器快速分析處理數據及快速傳輸數據的通訊方式。
2 系統總體方案設計
基于壓力變送器在煤礦井下的工作原理,筆者設計了變送器的硬件電路框圖,如圖 1 所示,其中,壓力傳感器負責檢測現場信號,信號放大調理電路負責將檢測到的信號轉換為標準信號,LCD 顯示屏負責實時顯示數值,電源電路負責供電,而 ZIGBEE 通信模塊負責分析處理數據以及傳輸數據,監控中心負責接收測量數據并做相應決策。
系統硬件框圖設計方案
3 系統硬件電路設計
3.1 傳感器電路選型
煤礦井下環境惡劣,對于液壓支架的壓力檢測提出了很高的要求[5] 。設計壓力變送器時,壓力傳感器的選型至關重要。此設計選擇了美國 Motorola 公司生產的 MPX2100 壓力傳感器,該傳感器線性度好、轉換精度高、靈敏度高,可把從液壓支架上檢測到的壓力值轉換為毫伏級的差模電壓信號,很好地適應煤礦井下液壓支架壓力檢測的需求。
3.2 通信電路設計
煤礦井下傳統變送器數據傳輸采用有線方式,存在布線困難,數據傳輸不穩定、實時性差等問題。此設計采用 ZIGBEE 無線通信方式,無線通信模塊選擇為 CC2530 芯片,該芯片集成了 8051 CPU 內核和射頻模塊,功耗低,擴展方便,在此系統中既可以作為微控制器處理分析數據,也可無線傳輸數據。圖 2 為基于 ZIGBEE 無線通信方式的一個數據傳輸網絡。其中,網絡傳輸系統包括 ZIGBEE 采集終端、網絡協調器和監控中心三部分組成。
ZIGBEE 無線傳輸網絡
3.3 信號調理電路設計
此設計選擇的傳感器輸出信號為毫伏級的差模電壓信號,而微控制器一般接受的電壓信號級別為 0~5 V 標準電壓信號,所以不能直接將壓力傳感器直接連接到微控制器上,中間需要一個信號放大調理電路進行過渡,然后連接到微控制器的 A/D 轉換端口,將測量到的模擬量轉換為微控制器可分析處理的數字量。
此設計的信號調理電路是由三個同型號的運算放大器 OP07 組成,該運算放大器具有低失調、高開環增益的特性。具體電路圖如圖 3,圖中,A1、A2、A3為三個運放,A1 的作用主要是差模放大,A2、A3 的作用是電壓跟隨,電阻上要求 R 1=R2 、R 3=R4 ,該電路放大增益為 R 3 /R 1 。
信號放大調理電路
3.4 LCD 顯示屏電路設計
為方便井下工作人員現場實時了解液壓支架所受壓力,設計了 LCD 屏顯示電路,該電路可將檢測到的壓力值轉換為礦井現場的工業標準值,供井下工作人員參考,實現了壓力變送器的人機交互功能。此設計選擇了 12864 LCD 液晶顯示屏作為人機界面互動系統,該顯示屏具有低電壓低功耗的特點,接口方式多種多樣,主要有串行 2 線/3 線,并行 4位/8 位,可適應不同工作場合[6] 。此顯示屏工作電壓在 +3.0~+5.5 V 之間,擁有和單片機接口兼容的邏輯電平,可以在不加排阻的情況下直接和單片機的 IO 口連接。LCD 顯示屏的硬件電路設計原理圖如圖4 所示。
12864LCD 顯示屏電路設計
4 系統軟件流程設計
為系統開發的快速方便,軟件設計采取模塊化設計思想,結合相應的硬件系統,分別設計了 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D 轉換程序、無線通信程序、電源模塊精確管理程序; 為了實現遠程監控中心的決策,編寫了相應的上位機監控軟件,可以在線觀測井下各個液壓支架各部分的壓力變化情況,為應對煤礦事故做好準備。
考慮到煤礦井下,一般并不需要時時刻刻采集壓力數據,液壓支架一般支護時間比較長,所以采用間歇式方式進行數據采集。為此,在以上程序的基礎上設置主程序和中斷程序,主程序完成各程序初始化之后便進入低功耗模塊,當要進行數據采集時,中斷程序便將單片喚醒,執行 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D轉換程序、無線通信程序,而數據采集的間歇時間需要根據煤礦現場的工作進度具體設定。圖 5 為設計的數據傳輸時的軟件流程框圖。
數據傳輸時軟件流程圖設計
5 檢測系統應用效果
為驗證設計的壓力變送器檢測系統的可行性,進行了對比試驗。將通過此系統檢測的支架壓力值與采用標準液壓壓力計測得的結果進行比較,實驗過程中,選用 1 個采礦點作為分站,此系統將檢測到的壓力數據傳送給礦井上的通信主站,并顯示在上位機監控軟件界面。實驗測試結果如表 1 所示。標準液壓壓力計型號為 YH-45。
實驗測試數據
通過實驗測試數據可以看出,該設計系統與標準液壓壓力機測試數據的誤差很小,誤差率在 2%以內,可滿足實際工程的需求。同時測試數據在無線通信過程中傳輸穩定,速度快,適用于井下環境。
6 結 語
在分析傳統壓力變送器及其檢測系統存在諸多缺陷的基礎上,結合壓力變送器工作原理,設計了一套基于 CC2530 芯片的壓力變送器檢測系統。硬件方面,給出了傳感器選型,設計了通信電路、信號調理電路以及 LCD 液晶顯示屏電路; 軟件方面選擇了模塊化設計思想,并采用間歇式工作方式進行壓力數據采集,給出了軟件流程圖。測試結果證明,壓力變送器檢測系統實現了預期要求,運行狀況良好,滿足了礦井下工作的需求。
 
 
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