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                        礦山液壓支架測高系統的設計與實現

                        添加時間:2018/07/28 來源:煤炭科學技術 作者:黃鶴松 王飛 田成金
                        激光測高在支架運動過程中難以保證激光束準確打到目標靶, 其光學鏡頭易被截割煤過程中產生的粉塵遮擋, 導致傳感器失效[4-8]。因此, 筆者提出一種通過角度測高的方案, 建立相應的測高原理模型, 并推導高度計算公式。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:為解決現有礦用液壓支架測高方案智能化程度低、準確度差等問題, 研究了液壓支架在不同姿態下的測高方案, 提出了一種基于傾角傳感器的礦用液壓支架測高系統設計方法, 搭建了基于傾角傳感器的礦用液壓支架測高系統。并針對井下強烈電磁和振動干擾導致信號降質的問題, 對采集到的數據進行小波分解和重構, 提高了測高系統在惡劣環境下的準確性, 同時從提高通信抗干擾能力, 增加傳輸距離等方面, 提出下一步研究的方向, 礦用液壓支架測高系統在實驗室和井下進行測試試驗, 結果表明, 在井下惡劣環境下系統測高誤差在10 cm內, 可以滿足工作面的實際需求。

                          關鍵詞:傾角傳感器; 液壓支架; 高度測量; 小波濾波; 閾值去噪;

                          Abstract:In order to solve a low intelligent degree, poor accuracy and other problems of the available mine height measuring plan for the hydraulic powered support, a height measuring plan of the hydraulic powered support under different attitude was studied, a design method of height measuring system based on inclination sensor was provided for the mine hydraulic powered support and the height measuring system of the mine hydraulic powered support was established based on the inclined sensor. And according to the strong electromagnetic and vibration interference caused the signal degradation problem in the underground mine, the wavelet decomposition and reconstruction were conducted on the collected data and the accuracy of the height measuring system was improved under the harsh environment. Meanwhile, from the aspects to improve the anti-interference capability of the communication, to increase the transmission distance and others, the further study orientation was provided. The height measuring system of the mine hydraulic powered support was tested in the lab and the underground mine. The results showed that under the harsh environment, the error of the height measuring system was within 10 cm and could meet the actual requirements of the coal mining face.

                          Keyword:inclination sensor; hydraulic powered support; height measurement; wavelet filtering; threshold denoising;

                          我國的煤炭開采模式先后經歷人工鎬刨、炮采、普采、綜采、自動化信息化采煤等發展階段。近年來, 國內煤炭行業綜采工作面自動化技術迅猛發展, 采煤機記憶割煤和支架自動跟機拉架、收放護幫板等功能已經成為現實。以澳大利亞為代表的發達國家采用綜采工作面自動化控制技術已經實現少人化智能開采, 我國黃陵礦業集團采用國產綜采工作面智能化控制技術和裝備實現了無人操作、一人巡視的智能化開采, 并得到推廣應用[1-3]。

                          支架高度信息為采煤機截煤高度的調控提供重要參數, 并為液壓支架進行自動移架、降柱的過程控制提供數據。液壓支架高度測量系統, 在綜采工作面智能化控制系統中是重要的一環。最初使用人工讀數記錄的方法獲得支架高度信息, 不僅影響綜采效率也帶來安全隱患。在一些自動化程度較高的工作面, 采用壓力測高、激光測高等方案。壓力測高利用連通器原理, 通過壓力傳感器將壓強換算成高度, 但管道漏液和堵塞問題影響測量精度。激光測高在支架運動過程中難以保證激光束準確打到目標靶, 其光學鏡頭易被截割煤過程中產生的粉塵遮擋, 導致傳感器失效[4-8]。因此, 筆者提出一種通過角度測高的方案, 建立相應的測高原理模型, 并推導高度計算公式。針對井下強電磁干擾、振動等因素導致采樣信號質量下降的問題, 通過小波濾波去除噪聲干擾。在實驗室用液壓支架模型搭建測試平臺, 驗證了液壓支架測高方案原理的正確性, 并在陽泉煤業集團一礦測試, 證明了此測高方案的可行性。為液壓支架高度測量提供了一種更加可靠、精確的方案, 推進了液壓支架控制系統自動化進程。

                          1、液壓支架控制系統及測高技術方案

                          1.1、液壓支架控制系統

                          液壓支架主要的作用是支撐采煤工作面, 在實際應用中, 綜采煤層的高度可通過液壓支架高度間接獲得。支架控制器獲取到實時支架高度信息, 可對高度信息進行分析處理, 對液壓支架姿態的調整具有指導作用。液壓支架閉環控制如圖1所示。

                        圖1 液壓支架閉環控制系統
                        圖1 液壓支架閉環控制系統

                          1.2、液壓支架測高技術方案

                          液壓支架建模如圖2所示, L1~L4分別為頂梁、掩護梁、四連桿和底座, H1~H4為待求的高度值。當支架與水平面平行時, 如圖2a所示, 頂梁、掩護梁和四連桿在X軸方向與水平面夾角分別為θ1、θ2、θ3, 根據數學知識可得支架高度HA計算公式為[9]

                        根據數學知識可得支架高度HA計算公式

                          當支架沿X軸傾斜α角度時, 頂梁、掩護梁和四連桿在X軸方向與水平面夾角仍為θ1、θ2、θ3, 但計算支架高度所需的角度是頂梁、掩護梁和四連桿與底座所在平面之間的夾角, 由圖2b可知, 二者之間會有±α的差值。根據圖2模型和式 (1) , 得到支架沿X軸傾斜α時液壓支架高度HB計算公式為

                        支架沿X軸傾斜α時液壓支架高度HB計算公式

                        圖2 液壓支架水平及沿X軸傾斜建模
                        圖2 液壓支架水平及沿X軸傾斜建模

                          當支架沿Y軸傾斜β時, 對支架簡化后建模如圖3a所示, 設∠MDN、∠MDC、∠MD1C1分別為γ、δ、δ1。取四連桿所在平面為研究對象, 線段ME為四連桿邊沿的一條線段, 過點M向斜面作垂線, 垂足為點N;過點M向地面作垂線, 垂足為點C, 交斜面于點C1;延長ME, 與斜面、地面分別交于點D和D1。

                        圖3 液壓支架Y軸傾斜建模
                        圖3 液壓支架Y軸傾斜建模

                          圖3b中, 四連桿與水平面的夾角為MD1C1, 即δ1。在進行高度計算時, 所需角度為四連桿和斜面的夾角γ。由圖3c知, CMN與Y軸傾斜β相等。為簡化計算, 分別將C、C1視為同一點, D、D1視為同一點。根據幾何性質, 由式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 推導求得θ的計算公式 (6) , γ為四連桿用于高度計算的有效角度。

                        γ為四連桿用于高度計算

                          式 (6) 中, δ (δ1) 、β分別為四連桿沿X、Y方向傾斜的角度;γ為在支架在沿Y軸方向有傾斜時, 歸算得到的液壓支架在新姿態下X軸方向的有效計算值。分別再取頂梁、掩護梁為研究對象得到相應的γ。此時, 若X軸方向沒有傾斜, 將得到的γ代入式 (1) 對應的θ處;若X軸方向存在傾斜, 代入式 (2) 對應的θ處。

                          2、液壓支架測高系統功能實現

                          2.1、總體設計

                          液壓支架測高系統設計要充分考慮傾角傳感器的布局和器件之間的通信。依據測高技術方案需求, 為計算得到液壓支架高度, 需悉知頂梁、掩護梁、四連桿、底座的長度和在X、Y方向傾斜的角度。長度經人工測量在程序設計中預置, 傾斜角度則需要4個雙軸傾角傳感器測得。如圖4所示, 1號和4號傳感器固定在底座和頂梁。因四連桿、掩護梁角度一般超過45°, 需將2號和3號傳感器固定在四連桿、掩護梁延伸出的45°安裝架上, 保證傾角傳感器在精度較高的±30°范圍內工作, 45°的角度差在程序設計中彌補。4個傳感器均隱蔽在支架下方, 防護性能較好。


                        圖4 液壓支架測高系統設計
                        圖4 液壓支架測高系統設計

                          傾角傳感器的A、B兩個接口, 用來供電和與其他傳感器通信。2、3、4號傳感器將測得角度傳給1號傳感器, 由其負責計算得到支架高度值, 并通過A口將4個角度值和支架高度值發給支架控制器。

                          2.2、電路設計思路

                          測高系統需雙軸角度測量, 對角度傳感芯片性能要求較高, 高精度傳感芯片對電壓有較高要求, 需對電源模塊需進行特殊設計。這2點是本電路設計的核心。

                          高精度雙軸角度測量傳感芯片SCA100T基于微機電系統MEMS, 測量精度高、抗震動能力強, 具有溫度補償功能, 在井下較為適用, 其主要技術參數:工作電壓5 V, 工作電流3 m A;X、Y雙軸高精度角度測量;在-3 d B, 18 Hz條件下受阻尼頻率響應控制;可承受20 000 g機械沖擊;模擬量輸出靈敏度2 V/g[10-13]。

                          供電電路模塊采用2路供電的寬電源供電方式, 電源轉換器LM2674將12 V電壓轉換到5 V供給AD轉換器LTC1865, 電壓調節器LP2992將5 V轉換到3.3 V為主控芯片供電。高精度角度傳感芯片SCA100T和AD轉換器LTC1865的參考電壓需要穩定、精確的5 V電壓, 由低噪聲、高精度的基準電壓源REF195供給。

                          目前ARM系列芯片市場主要由NXP、ST主導, 各自有豐富的產品生產線以滿足不同的需求。經過深入調研廠家方案, 結合自己的實際需求, 從性能、價格、開發周期等方面綜合考慮。選擇LPC2138微控制器作為傾角傳感器的主控芯片。

                          基于LPC2138設計的液壓支架測高系統硬件設計框圖如圖5所示。LPC 2138是32位微控制器, 采用ARM內核, 片上外設豐富, 具有JTAG接口, 可直接進行調試和編程。在滿足對運算速度要求的同時有效控制成本。


                        圖5 液壓支架測高系統硬件設計框圖
                        圖5 液壓支架測高系統硬件設計框圖

                          看門狗電路在程序異常時提供復位信號, 防止程序進入死循環。4個傾角傳感器的A、B口通過四芯連接器首尾相連, 并接入支架控制器。

                          2.3、程序設計

                          4個傾角傳感器的功能大致相同又略有區別。每個傳感器都具有初始化、編號、校準等功能, 但只有與控制器相連的1號傳感器負責高度計算。

                          系統包括1個主程序和2個子程序結構, 將共同的功能整合到主程序中, 并在初始化程序Sensor Init里對4個傾角傳感器進行編號。在主程序結束時, 每個傳感器根據自己的編號執行對應的子程序。既保證差異化功能的實現, 又可簡化工藝生產流程。液壓支架測高系統主程序流程如圖6所示。

                        圖6 液壓支架測高系統主程序流程
                        圖6 液壓支架測高系統主程序流程

                          液壓支架測高系統主程序設計邏輯如下:首先進行初始化設置, 檢查對傾角傳感器編號是否正確, 如果編號不正確, 清零并等待重新編號。然后讀取以下3種重要的系統參數: (1) 傾角傳感器的編號。若編號完成, 讀取傳感器的編號并更新。沒有完成則設置標志位并跳轉到初始化程序Sensor Init, 對傾角傳感器進行初始化編號。 (2) 校準開關、校準方式、安裝方式、傾角傳感器的開關以及X/Y軸的測量。 (3) 獲取預置的頂梁、掩護梁、四連桿和底座的初值以及角度校準值。讀取完3種參數后進入主循環體, 編號為1的傾角傳感器跳到子程序Sensor One, 其余3個跳到子程序Sensor Other。

                          主循環體下2個子程序邏輯大同小異, 功能實現中都包含角度測量、檢查升級、根據串口收到的命令執行相應的操作等功能。若檢測到編號不正確, 系統會設置新的標志位并進入初始化程序Sensor Init進行重新編號。為避免信號干擾, 均設計了校驗串口數據的功能, 串口在確定收到完整有效的數據幀后, 才會根據約定的通信協議執行對應的命令。2個子程序的區別在于子程序Sensor One有高度計算功能, 且A、B口對應的命令稍有不同。子程序Sensor One的流程如圖7所示。

                        圖7 液壓支架測高系統的子程序
                        圖7 液壓支架測高系統的子程序

                          3、液壓支架測高系統

                          煤礦井下空間狹小, 大型機電設備眾多, 位置相對集中, 啟停頻繁, 導致井下存在嚴重的電磁干擾問題[14-15]。外加機械振動等因素的影響, 造成采集到的信號多為含有噪聲的降質信號。液壓支架高度測量與4個傳感器都有密切關系, 若采集的信號質量不高, 會帶來很大的誤差積累, 導致測量精度不足。本設計對信號進行小波閾值去噪, 提高了采樣質量, 并用MATLAB軟件對信號處理結果進行仿真。對染噪信號進行小波分解和重構的步驟如下:

                          1) 對染噪信號進行小波分解, 得到逼近部分和細節部分dj。

                          2) 取出第j層的細節部分dj, 根據式 (7) —式 (10) , 將細節部分dj和選定的閾值λj進行比較, 得到更新后的細節部分dj。

                          3) 將逼近部分和更新后的細節部分進行重構, 即濾波后的信號。

                        濾波后的信號

                          式中:j為小波分解重構對應的層數;σ為噪聲標注方差;N為信號長度;median為中值[16-20]。

                          MATLAB仿真選用小波函數Daubechies中的db3進行濾波, 其具有三階消失矩的緊支集正交小波, 能夠避免頻域區間被折斷。在靜態和動態2種情形下, 分別對采集到的信號進行濾波, 濾波前后的波形如圖8、圖9所示。

                        圖8 靜態濾波前后波形對比
                        圖8 靜態濾波前后波形對比

                        圖9 動態濾波前后波形對比
                        圖9 動態濾波前后波形對比

                          對比濾波前后仿真結果可見, 經過小波去噪后, 采集到的信號輪廓更加清晰, 信號中噪聲減少, 采樣質量大幅提高。

                          4、試驗及結果分析

                          為驗證液壓支架測高系統的功能, 測試其在不同工作環境、不同姿態下的性能表現, 分別在實驗室和井下進行試驗。

                          4.1、實驗室驗證

                          在實驗室用液壓支架模型搭建測試平臺如圖10所示, 并用標準的角度尺進行角度測量驗證。

                        圖10 實驗室液壓支架模型測試平臺
                        圖10 實驗室液壓支架模型測試平臺

                          1號傾角傳感器通過串口連接到PC機, 調整支架姿態, 用串口助手獲取角度及高度數據。實驗室液壓支架測高系統測試結果見表1。

                        表1 液壓支架測高系統實驗室測試結果
                        表1 液壓支架測高系統實驗室測試結果

                          可見, 傾角傳感器測高在液壓支架的測高和姿態測量中性能優異, 誤差在5%左右, 能滿足對誤差的要求。

                          4.2、煤礦井下實驗驗證

                          為驗證此測高系統在實際工作環境下的精確度, 在有電磁干擾和振動的環境下進行測試。選擇山西陽泉煤業集團一礦S8310大采高工作面進行井下試驗, 在500~600 cm范圍內調整液壓支架高度并采集數據, 測試結果見表2。

                        表2 液壓支架測高系統井下測試結果
                        表2 液壓支架測高系統井下測試結果

                          5、結論

                          通過對液壓支架測高方案研究、傾角傳感器改善, 解決了液壓支架高度測量智能化程度低、準確度差的問題。主要取得了以下成果:研究一種基于傾角傳感器的礦用液壓支架測高系統;改進液壓支架高度測量算法, 設計傾角傳感器的電路并進行軟件編程;通過小波濾波處理采集的數據, 保證測量的準確性。

                          液壓支架測高系統誤差在10 cm內, 可以滿足現階段智能開采對支架高度的需求, 目前該產品已經投入市場。但是部分技術有待進一步完善, 以下2點將是下一步工作的重點。

                          1) 傾角傳感芯片在雙軸傾斜情況下性能有提升的空間, 下一步工作將引入加速度計, 與雙軸測量芯片配合成為升級版的測量組合。

                          2) 將測高系統和支架控制器之間的通信方式升級為總線型結構, 以增強通信抗干擾能力, 增加傳輸距離, 簡化控制器及相連設備之間的接線。

                          參考文獻
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