巖巷掘進(jìn)機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030031）

1 課題概況

近年來，巖巷掘進(jìn)機(jī)在我國煤礦用得越來越廣，但安全高效的掘進(jìn)技術(shù)仍處探索階段[1]，仍以手動(dòng)操作為主[2]，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且施工質(zhì)量低。因此，需要尋找可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)動(dòng)載荷識(shí)別技術(shù)。

截割巖石動(dòng)載荷識(shí)別軟件是掘進(jìn)機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別的主要成分，很大程度上決定了動(dòng)載荷識(shí)別裝置的可靠性、實(shí)用性、實(shí)時(shí)性。針對掘進(jìn)機(jī)承載受力機(jī)理的復(fù)雜性，特別是工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圖1的識(shí)別原理圖。

圖1 截割巖石動(dòng)載荷識(shí)別原理圖

截割巖石動(dòng)載荷識(shí)別軟件是以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο蟮木幊汤砟顏韺?shí)現(xiàn)的[3]。LabVIEW向工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，通過各傳感器對截割電動(dòng)機(jī)的電流及回轉(zhuǎn)液壓缸壓力、截割頭與懸臂連接處的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，工控機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將分析得到的參量特征信息進(jìn)行動(dòng)載荷大小的識(shí)別[4]。最后將采集到的電流、壓力、振動(dòng)信號(hào)的原始數(shù)據(jù)，特征量數(shù)據(jù)及識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)至SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中[5]，并通過人機(jī)界面對識(shí)別結(jié)果進(jìn)行顯示。

截割巖石動(dòng)載荷識(shí)別軟件主要由四個(gè)模塊組成，（數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、HMI人機(jī)交互界面[6]）。其中，數(shù)據(jù)處理模塊包括動(dòng)載荷信號(hào)數(shù)據(jù)的初步處理、特征量提取及多傳感器信息融合動(dòng)載荷識(shí)別[7]。通過以上各個(gè)單元的協(xié)作，配合系統(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割巖石動(dòng)載荷的識(shí)別。軟件結(jié)構(gòu)，見圖2，示出各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)流的關(guān)系。

圖2 識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

本文采用虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)，完成電流、壓力、振動(dòng)信號(hào)的采集程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器輸出的模擬信號(hào)，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 模擬信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于多傳感器信息融合技術(shù)的動(dòng)載荷識(shí)別系統(tǒng)需要采集3種信號(hào)，因此采用多通道信號(hào)采集方式如下（見圖4）：①數(shù)據(jù)采集卡初始化：數(shù)據(jù)采集VI將系統(tǒng)設(shè)定的采樣參數(shù)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。采樣參數(shù)主要包括：采樣頻率、采樣次數(shù)、采樣通道、數(shù)據(jù)緩存容量。截割過程中，反映動(dòng)載荷變化的電流、壓力、振動(dòng)信號(hào)的采樣參數(shù)，應(yīng)據(jù)其自身的變化情況及傳感器的參數(shù)設(shè)定。②采樣開始：多路開關(guān)根據(jù)設(shè)定的順序?qū)Σ蓸油ǖ酪来螔呙瑁γ總€(gè)通道都采樣。③A/D轉(zhuǎn)換：利用A/D轉(zhuǎn)換器，將采樣獲得的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。④數(shù)據(jù)緩存：將通過A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存區(qū)。⑤重復(fù)進(jìn)行②至④的操作，直到采樣結(jié)束，采集到的全部數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)至緩沖區(qū)內(nèi)。⑥將采集到的全部數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)讀取到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

圖4 模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集流程圖

圖5 小波包分解流程圖

3 小波包特征提取程序設(shè)計(jì)

1）小波包分析：動(dòng)載荷的準(zhǔn)確識(shí)別，信號(hào)分析是關(guān)鍵。LabVIEW本身帶有小波包分析工具包，具有集成化程度高、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，圖5是小波包分解提取特征量的流程圖。

2）小波包分解重構(gòu)程序：經(jīng)過消噪后的信號(hào)，進(jìn)行小波包分解，求取各個(gè)頻帶信號(hào)的總能量[8]，然后將各個(gè)頻段的能量組成一個(gè)向量組，除去總能量，實(shí)現(xiàn)頻段的歸一化，完成小波包能量提取信號(hào)特征量。

4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊

美國NI公司設(shè)計(jì)了訪問常用數(shù)據(jù)庫的LabVIEW常規(guī)組件，并提供用戶對數(shù)據(jù)庫操作的完全支持。目前對大量測試數(shù)據(jù)管理較理想的方法是通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。開放數(shù)據(jù)互聯(lián)ODBC(Open Database Connectivity)技術(shù)是目前流行的一種數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，可讓用戶在不同的開發(fā)平臺(tái)上方便地對數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作。目前被廣泛采用的數(shù)據(jù)庫管 理 系 統(tǒng) 有 Microsoft Office Access、MySQL、SQL Server及 Oracle 等。其中，Microsoft Office Access、MySQL為小型化數(shù)據(jù)庫，功能有限；SQL Server為中型數(shù)據(jù)庫，具有較強(qiáng)的靈活性和較高的性價(jià)比；Oracle價(jià)格昂貴，適用于大型數(shù)據(jù)管理。本系統(tǒng)選用SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫操作平臺(tái)，并采用LabVIEW互聯(lián)接口中的Database函數(shù)控件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的管理，包括打開數(shù)據(jù)庫、存儲(chǔ)、插入、刪除實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，為截割機(jī)構(gòu)動(dòng)載荷的分析提供支持。本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的操作包括將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)。具體包括讀寫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、讀寫歷史數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)的讀寫等。下面主要分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀寫。

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)：實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)表只保存每個(gè)參數(shù)的最新的一條記錄，更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫時(shí)，采用每個(gè)參數(shù)分別更新的辦法，每個(gè)參數(shù)更新的程序流程如下：首先判斷此參數(shù)的記錄條數(shù)是否為1。如果是，則使用UPDATA語句直接更新數(shù)值和采集時(shí)間；如果不是，則判斷此參數(shù)的記錄是否為0。如果是直接插入一條記錄；如果不是，刪除此參數(shù)的所有記錄，然后插入一條記錄。更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的程序流程圖，見圖6。通過鏈接LabVIEW數(shù)據(jù)庫鏈接工具包中的各VI，設(shè)置服務(wù)器的名稱，更新記錄的屬性，利用SQL update語句實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新，將該程序封裝成子VI，給定需要更新數(shù)據(jù)的數(shù)值大小和參數(shù)編號(hào)，就可更新其所在表內(nèi)的記錄。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取：動(dòng)載荷識(shí)別系統(tǒng)采集的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)量較大，要先將振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的本地文件中，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)利用LabVIEW軟件讀取本地文件中的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)。在讀取大數(shù)據(jù)時(shí)，從數(shù)據(jù)庫中讀取本地地址作為文件的相對路徑，使用IP地址或局域網(wǎng)地址作為文件的基路徑，索引到文件的地址，使用“讀取測量文件VI”可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取。

圖6 更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫程序流程圖

5 人機(jī)顯示界面

動(dòng)載荷識(shí)別系統(tǒng)的HMI人機(jī)界面單元是在虛擬儀器LabVIEW軟件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，包括動(dòng)載荷參量電流、扭矩、壓力、振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和動(dòng)載荷識(shí)別結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。進(jìn)入歡迎界面后經(jīng)過3 s時(shí)間自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至動(dòng)載荷識(shí)別界面，該界面可顯示動(dòng)載荷識(shí)別系統(tǒng)中所有動(dòng)載荷參量采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，可反映截割巖石動(dòng)載荷大小的趨勢走向，為巖巷巖石成分的分析提供依據(jù)，為工作人員提供更全面的準(zhǔn)確信息。

6 結(jié)論

巖巷掘進(jìn)機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過一個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，動(dòng)載荷識(shí)別率高達(dá)90%以上，說明軟件系統(tǒng)可滿足動(dòng)載荷實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)要求，也為其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的載荷識(shí)別提供參考。

[1] 魏景生，吳淼，劉建功．掘進(jìn)機(jī)智能型自動(dòng)成形恒功率截割控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]．工礦自動(dòng)化，2009，35(7)：118-121．

[2] 魏云冰．小波變換在電機(jī)故障診斷與測試中的應(yīng)用研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2002．

[3] 孟永鵬，賈申利，榮命哲．短時(shí)能量分析法在斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（12）：106-108．

[4] 于志偉，蘇寶庫，曾鳴．小波包分析技術(shù)在大型電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（22）：158-162．

[5] 喬瑞萍（譯）．LabVIEW大學(xué)使用教程（第3版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

[6] 馮思萌．基于虛擬儀器的工業(yè)污水多參數(shù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[D]．秦皇島：燕山大學(xué)，2009．

[7] 楊樂平，李海濤，肖凱，等．虛擬儀器技術(shù)概論[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[8] 劉其和，李云明．LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.