郭卓越，孟 峰，畢東柱，代 剛

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.神華集團公司 煤炭生產(chǎn)部，北京 100011)

放頂煤工作面手動控制系統(tǒng)煤巖自動識別方案設計

郭卓越1，孟 峰2，畢東柱1，代 剛1

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.神華集團公司 煤炭生產(chǎn)部，北京 100011)

首次提出采用便攜式低功耗煤巖識別傳感器與煤巖顯示終端的分體式設計思路實現(xiàn)手動放頂煤工作面煤巖自動識別，并分別從系統(tǒng)組成、硬件平臺設計、軟件架構設計及嵌入式實現(xiàn)等方面進行詳細闡述。

手動放頂煤；煤巖自動識別；煤巖識別處理器；煤巖顯示終端

放頂煤工作面手動控制煤巖放落系統(tǒng)還大量存在于我國現(xiàn)有的煤礦生產(chǎn)過程中，由于沒有穩(wěn)定且獨立的電源系統(tǒng)供電，因此無法實現(xiàn)電氣設備的直接接入，工人通過扳動手扳把實現(xiàn)液壓支架的控制。在放煤過程中，放煤工人通過手扳把開啟后部放煤口，并觀察支架后部的放煤情況，同時需要操作手把關閉后部放煤口以免造成生產(chǎn)停機或使得煤炭中矸石含量高而影響煤的質(zhì)量。但放煤過程中支架后部煤塵大、光線弱，工人操作時容易吸入大量粉塵，且有可能遇到片幫煤塊砸到的危險，這對放煤結果也容易造成誤判，極大地影響了生產(chǎn)效率[1-2]。在現(xiàn)有煤礦保安全、促高效的生產(chǎn)方針下，實現(xiàn)放煤過程煤巖自動識別成為迫切需要解決的技術問題。

目前，國內(nèi)外對煤巖識別的研究很多，但是絕大多數(shù)都是針對采煤機的煤巖識別，而沒有對放頂煤工作面手動控制放煤過程的煤巖自動識別進行研究[3-7]。本文首次提出了基于無線通信方式的便攜式煤巖自動識別系統(tǒng)嵌入式研究實現(xiàn)方案。

1 手動放頂煤煤巖自動識別系統(tǒng)的組成

由于工作面沒有獨立且穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)，因此本文提出如圖1所示的手動放頂煤系統(tǒng)煤巖自動識別的系統(tǒng)框架。手動放煤工作面中每個放煤支架安裝一臺便攜式煤巖自動識別設備，把它固定在尾梁下，采用電池供電，且能通過無線通訊方式與附近的手持終端建立鏈接。手持終端能根據(jù)不同工作面的實際情況配置煤巖自動識別設備的內(nèi)部參數(shù)和算法類型，也可與鄰近的手持終端組成無線通訊網(wǎng)絡，并可實時顯示煤巖識別設備發(fā)送上來的結果數(shù)據(jù)。

圖1 手動放頂自動煤巖識別系統(tǒng)組成

2 煤巖自動識別設備系統(tǒng)硬件設計

上述煤巖自動識別系統(tǒng)中的煤巖識別處理器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理的核心部分，首先將著重對此部分的硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計方面進行詳細闡述，其次對系統(tǒng)電源管理及無線手持終端設備的實現(xiàn)方面也進行相應闡述。

2.1 煤巖自動識別設備端硬件系統(tǒng)設計

本文所設計的煤巖自動識別設備主要是將振動傳感器、語音傳感器接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集芯片中，煤巖識別需要對采集進入系統(tǒng)的振動及語音信號進行運算，因此數(shù)據(jù)采集及識別算法需要由高數(shù)據(jù)處理能力且功耗低的設備完成。通過調(diào)研，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)處理專用芯片DSP作為系統(tǒng)的主處理芯片。通過DSP的外部數(shù)據(jù)總線拾取放煤過程中的信號，將采集的數(shù)據(jù)送入DSP處理器，然后對信號進行處理分析，并將結果信息通過無線通路發(fā)送給手持終端。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 煤巖自動識別設備端系統(tǒng)硬件組成

硬件系統(tǒng)具體設計如圖3所示，系統(tǒng)選用成本低、功耗低的 16 位處理器TMS320C553x作為煤巖識別主處理器，主要實現(xiàn)煤巖識別相應的算法及部分控制功能。此款處理器具有 240MIPS 的性能、高達 320kB的片上存儲器，并且比同類器件具有更高的集成度(包含用于 FFT 計算的硬件加速器)等特性，且其低功耗設計可幫助顯著節(jié)約能源并延長電池壽命，能夠很好地滿足系統(tǒng)的設計需求。

圖3 硬件系統(tǒng)設計

2.2 煤巖自動識別端供電源系統(tǒng)設計

為使煤巖識別處理器可以方便部署，采用了小型化設計，并使用電池供電。為了延長電池的工作時間，減小電池的維護次數(shù)，處理器軟件部分采用了低功耗的設計原則，非工作時間處理器處于待機狀態(tài)，當該架處于放煤作業(yè)時，處理器全速工作并打開外設及傳感器；放煤作業(yè)結束時，處理器又返回待機狀態(tài)，電源供電網(wǎng)絡設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電源設計

3 煤巖自動識別系統(tǒng)軟件設計

DSP作為煤巖識別處理器的核心，其架構可以快速執(zhí)行數(shù)字濾波、FFT變換、卷積、均方根等運算。手持終端根據(jù)不同煤礦煤巖硬度的不同實現(xiàn)煤巖識別處理器的參數(shù)及算法配置；配置參數(shù)通過無線模塊發(fā)送給DSP處理器，DSP處理器根據(jù)參數(shù)配置運行環(huán)境，收到啟動命令后實現(xiàn)放煤傳感器的數(shù)據(jù)采集并運算，通過無線方式將運算結果發(fā)送回手持終端進行實時顯示；因此系統(tǒng)軟件分為：煤巖識別信號拾取與處理算法設計、系統(tǒng)低功耗控制及無線數(shù)據(jù)透傳設計、手持終端設計。

3.1手動放頂煤煤巖自動識別系統(tǒng)處理算法設計

本文中煤巖自動識別主要基于不同材質(zhì)對同一物體進行撞擊所形成的信號在時域與頻域所表現(xiàn)出的不同信號特征，進行信號處理后對相應的能量進行計算，如果能量值超過閾值，認定放煤過程中沖擊支架的材料發(fā)生了變化，據(jù)此識別煤與矸石情況。

圖5是2種不同材質(zhì)的材料撞擊支架的信號波形，圖6是信號的頻譜圖。從圖5、圖6可知，材質(zhì)硬的物體撞擊支架的波形幅值變化量大，持續(xù)時間長，高頻成分多。支架對于不同材質(zhì)的物體撞擊有不同的頻率響應和信號特征。

圖5 不同材料撞擊支架的信號

圖6 信號頻譜分析

通過上述分析，系統(tǒng)可根據(jù)煤巖撞擊尾梁所產(chǎn)生的信號在時域與頻域特征值的不同，設計內(nèi)嵌的數(shù)字濾波算法提取出有用的信號，將噪聲信號濾除。圖7是本系統(tǒng)算法設計中的前端數(shù)字濾波器濾波效果圖，其中上半部分表示實際采樣的信號，下半部分表示經(jīng)過系統(tǒng)濾波器過濾后的數(shù)據(jù)信號，從圖7可以看出，噪聲信號被較好地濾除掉，留下的是系統(tǒng)的振動信號，然后將此信號送入下一個處理環(huán)節(jié)進行能量計算，根據(jù)能量值的相對變化來辨識煤巖特征。

圖7 振動信號濾波前后波形

3.2 煤巖自動識別軟件設計

煤巖自動識別軟件是系統(tǒng)的核心部分，軟件內(nèi)部放置有相應的數(shù)據(jù)處理算法庫，系統(tǒng)運行過程中根據(jù)手持終端的參數(shù)配置自動選取相應的處理算法進行現(xiàn)場采集信號的實時處理并將處理結果發(fā)送給手持終端進行顯示，以此作為煤巖分界的依據(jù)。煤巖自動識別軟件流程如圖8所示。

圖8 煤巖自動識別軟件流程

3.3 系統(tǒng)低功耗及無線收發(fā)模塊軟件設計

無線收發(fā)模塊主要負責DSP采集器與手持終端之間的無線數(shù)據(jù)透傳，并根據(jù)手持終端指令、數(shù)據(jù)發(fā)送狀況綜合實現(xiàn)DSP采集器與ZigBee收發(fā)器的低功耗控制，滿足系統(tǒng)在電池供電狀況下的長時間穩(wěn)定運行。系統(tǒng)主要包括2個處理流程，如圖9所示。圖9(a)表示系統(tǒng)低功耗運行待機模式流程圖，圖9(b)表示 ZigBee模塊數(shù)據(jù)透傳控制流程圖。

圖9 無線收發(fā)模塊軟件流程

3.4 煤巖顯示終端軟件設計

手持終端主要通過無線方式實現(xiàn)與煤巖識別設備的數(shù)據(jù)交互，在手持終端上通過選架功能與煤巖識別處理器端建立一對一連接后，可進行對選中架運行參數(shù)的配置，配置完成后啟動煤巖識別處理器進行煤巖傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理；同時根據(jù)設置值在顯示屏上繪制相應的“矸石閥值”曲線，將無線端接收到的煤巖識別設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以曲線的形式繪制在顯示屏上，操作工人可根據(jù)接收數(shù)據(jù)幅值超過“煤巖閥值”的計數(shù)數(shù)值實現(xiàn)煤巖識別結果的顯示。其無線收發(fā)模塊程序流程圖如圖10所示。

圖10 手持終端無線收發(fā)模塊程序流程

4 現(xiàn)場應用

圖11是系統(tǒng)運行過程中的實時截圖，從圖中可以看出，手持終端的“煤巖閾值分界線”標記在特定工作面上煤與矸石撞擊所產(chǎn)生的能量值分界線，當支架尾梁受到矸石的直接撞擊時，煤巖識別設備內(nèi)部算法處理后輸出到手持終端的能量值便會超過“煤巖閾值分界線”，同時屏幕下端“超限計數(shù)值”會將相應的次數(shù)值進行實時顯示，放煤工人完全可以根據(jù)此值來判斷矸石掉落情況并以此實現(xiàn)放煤過程的有效控制。

圖11 手持終端實時顯示

5 結束語

已實現(xiàn)的手動放頂煤煤巖自動識別系統(tǒng)已經(jīng)在少數(shù)試驗礦區(qū)進行使用，當工作面煤巖硬度比明顯，測試效果顯著。且本系統(tǒng)能夠?qū)⒎琶汗と藦膹碗s的操作過程中解放出來，提高工人操作的安全性并減輕工人的勞動強度，也能很好地實現(xiàn)判斷的準確性。但對于厚煤層夾矸、斷層帶煤巖成碎屑分布等情況，本文所設計的煤巖自動識別系統(tǒng)在現(xiàn)階段未能實現(xiàn)有效地判斷，這些問題還需要后續(xù)繼續(xù)進行研究。

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[責任編輯：李青]

DesignofCoalandGangueAuto-identificationProjectionforTop-coalCavingFacewithManualOperationSystem

GUO Zhuo-yue1, MENG Feng2, BI Dong-zhu1, DAI Gang1

(1.Beijing Tiandi Ma'ke Electrohydraulic Control System Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Production Department, Shenhua Group, Beijing 100011, China)

This paper firstly put forward applying separation design of portable coal-and-gangue auto-identification sensor with low power dissipation and display terminal to realize auto-identification of coal and gangue in top-coal caving mining face by manual operation.System component, hardware platform design, software framework and embedded realization of this system were introduced in detail.

top-coal caving by manual operation; auto-identification of coal and rock; processor of coal and rock auto-identification; display terminal of coal and rock

2013-12-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.018

中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金：自動放煤煤巖識別技術研究(2011MS012)

郭卓越(1985-)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士研究生，研究方向為煤礦電液控制系統(tǒng)的自動化控制與系統(tǒng)開發(fā)。

郭卓越，孟 峰，等.放頂煤工作面手動控制系統(tǒng)煤巖自動識別方案設計[J].煤礦開采，2014，19(4)：57-60.

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1006-6225(2014)04-0057-04