基于虛擬儀器的采煤機智能調高系統研究

衛智慧

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

0 引言

煤層識別技術是提升采煤機械自動化程度的關鍵，現如今已有20 余種不同的煤層識別技術[1]。目前，國內外關于采煤機智能調高的研究多采用記憶截割技術，一些大型采煤機械仍在使用記憶截割技術，這種技術一般都裝有位置傳感器、同步位置傳感器、調高油缸等結構，用以記錄采煤機滾筒的切割軌跡，但是由于不具有可識別煤層的設備，所以不能實現調高的智能化。虛擬儀器是近幾年新興的一種計算機儀器系統，不僅可以在虛擬儀器上進行編程，而且在此基礎上完成信號的分析、控制程序的開發。

1 采煤機智能調高方法的提出

利用傳統的記憶截割技術，對采煤機振動及電流信號進行了分析，并在此基礎上構建了一套采煤機智能調高系統。它的基本技術思路是：按照記憶截割系統設定的路線，在正常工作時對煤壁進行截割。這時，采煤機的振動、電流感應器被用來采集振動和電流信號，并將其輸入到LABVIEW 處理器中，利用LABVIEW 對信號進行分析、處理和調整（當振動信號和電流信號均符合要求時才能進行調高），將提升命令發送至驅動器，使電磁換向閥工作來控制提升油缸，通過機械機構的移動來調整搖桿和滾筒的高度，如圖1 所示，為基于虛擬儀器的采煤機智能調高的方法。

圖1 基于虛擬儀器的采煤機智能調高方法

記憶調高系統的位置傳感器、提升油箱、同步位置傳感器都會將采煤機的截割軌跡記錄下來，然后通過計算機保存，采煤機在一段時間內進行一次截割，然后在下次截割的過程中使用新的截割路線，并重復上述操作，使采煤機達到智能調高的效果。

2 采煤機信號檢測系統的構建

2.1 振動信號的處理

在礦井智能化調高系統中，振動信號是一種重要的識別信號。目前，對振動信號的處理主要包括預處理、頻域分析、時域分析等。自從1988 年Mullard 提出多分辨率分析后，小波包分析已逐漸成為振動信號處理中的重要手段[2]。

振動信號的預處理，由于煤礦開采過程中的環境復雜和惡劣，當振動信號經由加速度傳感器，再經過傳送器傳輸到計算機時，會有大量的干擾信號，這時可以通過程序設計來減小這種干擾，例如，使用將加速度和速度- 位移的相互轉化的集成電路、加入數字矢量法和低通法過濾噪聲、引入窗函數功能以防止信號的泄漏等。時域和頻域的分析，一般的處理方法是對信號進行積分、微分、濾波，然后根據信號的極值、頻率特性、平均信號等來獲得相應的信號；在一些環境中，信號的周期特性、因果關系、信號源等都要進行相關性分析。在頻域中，采用傅里葉變換法將信號分解成若干個正弦函數，然后通過正弦波的響應，得到其頻譜。然后，再添加振幅譜、倒譜、包絡譜、功率譜和窗口函數，以求出目標的振動特征。小波分析方法，小波分析能夠對信號的各種變化特性進行分析，尤其適合于邊界處理、濾波、時域、頻域、弱信號提取、信噪分離等。小波變換多分辨率分析技術是振動信號處理中的一種常見技術，但它只能用來對振動信號進行低頻分析。小波包分析是一種新的多分辨率分析技術，能夠同時對低頻、高頻分量進行分解，從而獲得各個頻帶的信號。

綜合以上分析，利用小波包分析法對振動信號的能量特性進行了分析，并將其他分析方法的結果作為輔助變量，編寫了振動信號的解析程序[3]。

2.2 截割電機工作特性及電流信號的分析

當前采煤機截割電動機多為三相交流異步電動機，并均裝有變頻調速裝置。在煤礦采煤機組的常規割煤工況下，一般采用低速重負荷恒力恒功率控制，而在采煤機的常規割煤工況下，大都是采用恒功率調節。正常情況下，恒功率調速的工作范圍很窄，工作范圍也很小，如果超過這個范圍，就會導致電流過載。

首先，計算機會給控制器一個特定的功率進行參照，由該控制器對該參照功率進行分析，然后將控制電壓轉換成截割電機所需的頻率，這樣就可以對電機的轉速進行控制。在負荷改變時，通過傳感器向控制器傳輸截割電動機的負荷，并與給定的額定功率進行比較，從而得到穩定的控制電壓。應用以上恒定功率控制技術，對礦井恒定功率調整的基本理論進行了探討，如下所示：

式中：P 為采煤機的電機功率，kW；T 為采煤機的牽引速度，m/min；k 為煤層硬度；n 為電動機轉速，r/min。

結果表明，當采煤機在進行智能調高的過程中，假設牽引速度不變，其功率與煤層硬度及截割電動機的轉速呈正相關，因此，當遇上硬煤時，其轉速會自動下降，從而使扭矩得到適當的提高；當遇上軟煤時，由于負荷的減少，電動機的速度會自動升高，從而使割煤的效率得到提高。

3 基于虛擬儀器的采煤機智能調高系統構建及仿真

3.1 采煤機智能調高系統的構建

本文利用虛擬儀器技術，研制了一套采煤機智能調高控制系統，包括被測對象、傳感器、信號調理設備、數據采集卡、計算機、驅動器、控制對象等。從以上分析可以看出，為了得到振動信號和電流信號，必須對采煤機截割部分進行調節，但現有的調高油缸一般采用電磁換向閥，因此其輸出信號為電磁換向閥，如圖2 所示，為采煤機智能調高系統的整體架構。

圖2 采煤機智能調高系統的結構框架

在目標信號監測點的設定上，必須遵循接近信號源、干擾小、不影響設備正常運行的原則。振動信號需要通過加速度傳感器進行檢測，而加速度傳感器則應設置在接近振源的截割滾筒與搖臂之間的連接處，以便在不影響采煤機正常工作的情況下，接收到最大的振動信號。截割電動機的電流信號可以經由電流傳感器插入的導線來測量。在考慮了采樣頻率、信道數、頻率響應特性、頻率響應特性以及頻率響應等因素的基礎上，選用了PCI2006 采集卡。以PC 作為控制平臺，L9349 為核心，實現了換向閥的驅動與控制。

3.2 采煤機智能調高系統的仿真

運用虛擬儀器技術對采煤機智能調高系統進行建立后，但考慮到現場的信號難以獲取，為此，對模擬信號進行了仿真。由于電流信號具有較短的突變周期，因此可以忽略其轉變過程，從而使電流信號變為梯形而非真實信號。0～2 s 為截煤區域（50～300 A 為區域電流范圍），2～5 s 為切割巖石緩沖區域（確定電流范圍為300～600 A）；5～7 s 后，再次開始割煤，建立模擬振動信號的思想和建立電流信號的思想是一致的如圖3-1 所示。然后將采集到的數據輸入到系統軟件中，通過模擬得出采煤機的擺角輸出控制信號，如圖3-3 所示。

圖3 采煤機智能調高系統仿真模擬

從如圖3-2 所示，在1.7 s 時未進行調高，在2 s時，當兩個信號達到所需的頻率時，就會發出一個控制信號，然后對上擺動臂進行降級和調節。在電流和振動信號恢復正常時，會自動停止調整，從而也就達到了控制要求。

4 結語

基于傳統的記憶式截割方法，本文采用虛擬儀器技術，研制了一套智能化的采煤機調高系統。通過對煤礦井下調調高系統的振動、電流信號分析，提出了一種基于小波分析技術的振動特征提取方法；分析了采煤電機在恒功率調速過程中的電流，指出該電流可作為采煤機高度調節的變量。利用虛擬儀器建立了采煤機智能調高系統，并對其進行了仿真，得到的仿真結果基本符合采煤機智能調高的需要。